Жидкий гелий - Liquid helium

Жидкий гелий
2 Гелий.png
Жидкий гелий в прозрачном чаша, остывший ниже Лямбда-точка, где он проявляет свойства сверхтекучесть
Характеристики
Он
Молярная масса4.002602 г · моль−1
Если не указано иное, данные для материалов приведены в их стандартное состояние (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
Ссылки на инфобоксы

Жидкий гелий физическое состояние гелия при очень низком температуры если это стандарт атмосферное давление. Жидкий гелий может показать сверхтекучесть.

При стандартном давлении химический элемент гелий существует в жидкость образуются только при крайне низкой температуре -269 ° C (около 4 K или -452,2 ° F). Его точка кипения и критическая точка зависит от того, какой изотоп гелия присутствует: обычный изотоп гелий-4 или редкий изотоп гелий-3. Это единственные два стабильных изотопа гелия. См. Таблицу ниже для значений этих физических величин. Плотность жидкого гелия-4 при температуре кипения и давлении 1 атмосфера (101.3 килопаскали ) составляет около 0,125 граммы на см3, или примерно 1/8 плотности жидкая вода.[1]

Разжижение

Гелий был впервые сжижен 10 июля 1908 года голландским физиком. Хайке Камерлинг-Оннес на Лейденский университет в Нидерланды.[2] В то время гелий-3 был неизвестен, потому что масс-спектрометр еще не было изобретено. В последние десятилетия жидкий гелий использовался в качестве криогенный хладагент (который используется в криокулеры ), а жидкий гелий коммерчески производится для использования в сверхпроводящие магниты такие как те, которые используются в магнитно-резонансная томография (МРТ), ядерный магнитный резонанс (ЯМР), Магнитоэнцефалография (MEG), и эксперименты в физика, например, низкая температура Мессбауэровская спектроскопия.

Сжиженный гелий-3

Смотрите также: Фермионный конденсат § Сверхтекучий гелий-3

А гелий-3 атом это фермион и при очень низких температурах образуют двухатомные Куперовские пары которые бозонный и конденсироваться в сверхтекучий. Эти куперовские пары существенно больше межатомного расстояния.

Характеристики

Температура, необходимая для получения жидкого гелия, низкая из-за слабого притяжения между атомами гелия. Эти межатомные силы в гелии слабы с самого начала, потому что гелий благородный газ, но межатомное притяжение еще больше уменьшается из-за воздействия квантовая механика. Они имеют большое значение для гелия из-за его низкой атомная масса около четырех атомные единицы массы. В энергия нулевой точки жидкого гелия меньше, если его атомы меньше ограничены своими соседями. Следовательно, в жидком гелии его энергия основного состояния может уменьшаться в результате естественного увеличения среднего межатомного расстояния. Однако на больших расстояниях влияние межатомных сил в гелии еще слабее.[3]

Из-за очень слабых межатомных взаимодействий в гелии элемент остается жидким при атмосферном давлении на всем пути от его точка разжижения вплоть до абсолютный ноль. Жидкий гелий затвердевает только при очень низких температурах и больших давление. При температурах ниже точки их разжижения и гелий-4, и гелий-3 переходят в сверхтекучие жидкости. (См. Таблицу ниже.)[3]

Жидкий гелий-4 и редкий гелий-3 не полностью смешивающийся.[4] Ниже 0,9 кельвин на их насыщенных давление газа, смесь двух изотопов претерпевает разделение фаз в нормальную жидкость (в основном гелий-3), которая плавает в более плотной сверхтекучей жидкости, состоящей в основном из гелия-4.[нужна цитата ] Это разделение фаз происходит потому, что общая масса жидкого гелия может уменьшить его термодинамический энтальпия путем разделения.

При экстремально низких температурах сверхтекучая фаза, богатая гелием-4, может содержать до 6% гелия-3 в растворе. Это делает маломасштабное использование холодильник для разбавления возможно, который способен достигать температуры в несколько милликельвины.[4][5]

Сверхтекучий гелий-4 имеет свойства, существенно отличающиеся от обычного жидкого гелия.

Жидкие изотопы гелия 3 и 4 на фазовой диаграмме, показывающей зону расслоения.

История

В 1908 году голландский физик Камерлинг-Оннес удалось сжижать небольшое количество гелия. В 1923 году он дал совет канадскому физику. Джон Каннингем МакЛеннан который первым произвел жидкий гелий в больших количествах почти по запросу. [6]

Важные ранние работы по изучению характеристик жидкого гелия были выполнены советским физиком. Лев Ландау, позже расширенный американским физиком Ричард Фейнман.

Данные

Свойства жидкого гелияГелий-4Гелий-3
Критическая температура[3]5,2 К3.3 К
Точка кипения за один атмосфера[3]4,2 К3,2 К
Минимум таяние давление[7]25 банкомат29 атм при 0,3 К
Сверхтекучая температура перехода при насыщении давление газа2,17 К[8]1 мК при отсутствии магнитное поле[9]

Галерея

  • Жидкий гелий (в вакуумном баллоне) при 4,2 К и 1 атм, медленно кипящий.

  • Переход лямбда-точки: когда жидкость охлаждается до 2,17 К, кипение внезапно становится на мгновение сильным.

  • Сверхтекучая фаза при температуре ниже 2,17 К. В этом состоянии теплопроводность чрезвычайно высока. Это вызывает передачу тепла в теле жидкости к ее поверхности так быстро, что испарение происходит только на свободной поверхности жидкости. Таким образом, в теле жидкости отсутствуют пузырьки газа.

Жидкий гелий находится в сверхтекучий фаза. Тонкая невидимая пленка ползет по внутренней стенке чаша и вниз снаружи. Образуется капля. Он упадет в жидкость гелий ниже. Это будет повторяться до тех пор, пока чашка не станет пустой - при условии, что жидкость останется сверхтекучей.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Наблюдаемые свойства жидкого гелия при давлении насыщенного пара». Орегонский университет. 2004.
  2. ^ Уилкс, стр. 7
  3. ^ а б c d Уилкс, стр. 1.
  4. ^ а б Д. О. Эдвардс; Д. Ф. Брюэр; П. Селигман; М. Скертик и М. Якуб (1965). «Растворимость He3 в жидком He4 при 0 ° K». Phys. Rev. Lett. 15 (20): 773. Bibcode:1965ПхРвЛ..15..773Э. Дои:10.1103 / PhysRevLett.15.773.
  5. ^ Уилкс, стр. 244.
  6. ^ ЖИЗНЬ СЭРА ДЖОНА КАННИНГЕМА МАКЛЕННАНА PH.D, F.R.S.C, F.R.S., O.B.E., K.B.E. (1867-1935), Физический университет Торонтоhttp://www.physics.utoronto.ca/overview/history/mclennan/MCLENN3.htm
  7. ^ Уилкс, стр. 474–478.
  8. ^ Уилкс, стр. 289.
  9. ^ Дитер Фоллхарт и Питер Вёльфле (1990). Сверхтекучие фазы гелия 3. Тейлор и Фрэнсис. п. 3.
Общий
  • Дж. Уилкс (1967). Свойства жидкого и твердого гелия.. Оксфорд: Clarendon Press. ISBN  0-19-851245-7.
  • Физика замораживания: Хайке Камерлинг-Оннес и в поисках холода, Ван Делфт Дирк (2007). Эдита - Издательство Королевской Нидерландской академии искусств и наук. ISBN  978-90-6984-519-7.

внешняя ссылка