Жидкий гелий

Жидкий гелий
	; Жидкий гелий в прозрачной чаше , охлажденный ниже точки Лямбда , где он проявляет свойства сверхтекучести.
Характеристики
Химическая формула	Он
Молярная масса	4.002 602 g·mol −1
	Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). Ссылки на инфобоксы

Жидкий гелий — это физическое состояние гелия при очень низких температурах и стандартном атмосферном давлении . Жидкий гелий может проявлять сверхтекучесть .

При стандартном давлении химический элемент гелий существует в жидкой форме только при чрезвычайно низкой температуре -269 ° C (-452,20 ° F; 4,15 К). Его точка кипения и критическая точка зависят от того, какой изотоп гелия присутствует: обычный изотоп гелий-4 или редкий изотоп гелий-3 . Это единственные два стабильных изотопа гелия. В таблице ниже приведены значения этих физических величин. Плотность жидкого гелия-4 при температуре кипения и давлении в одну атмосферу (101,3 килопаскаля ) составляет около 125 г/л (0,125 г/мл), или примерно одну восьмую плотности жидкой воды . ^{[ 1 ]}

Сжижение

Гелий был впервые сжижен 10 июля 1908 года голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом в Лейденском университете в Нидерландах . ^{[ 2 ]} В то время гелий-3 был неизвестен, поскольку масс-спектрометр еще не был изобретен . В последние десятилетия жидкий гелий использовался в качестве криогенного хладагента (который используется в криоохладителях ), а жидкий гелий производится в коммерческих целях для использования в сверхпроводящих магнитах, таких как те, которые используются в магнитно-резонансной томографии (МРТ), ядерном магнитном резонансе (ЯМР). ), магнитоэнцефалография (МЭГ) и эксперименты в области физики , такие как низкотемпературная мессбауэровская спектроскопия . Большой адронный коллайдер содержит сверхпроводящие магниты, охлаждаемые 120 тоннами жидкого гелия. ^{[ 3 ]}

Сжиженный гелий-3

Атом гелия-3 является фермионом и при очень низких температурах образует двухатомные куперовские пары , которые являются бозонными и конденсируются в сверхтекучее состояние . Эти куперовские пары существенно больше межатомного расстояния.

Характеристики

Температура, необходимая для производства жидкого гелия, низкая из-за слабости притяжения между атомами гелия. Эти межатомные силы в гелии изначально слабы, поскольку гелий — благородный газ , но межатомное притяжение еще больше уменьшается под действием квантовой механики . Они важны для гелия из-за его низкой атомной массы , составляющей около четырех атомных единиц массы . Энергия нулевой точки жидкого гелия меньше, если его атомы меньше удерживаются своими соседями. Следовательно, в жидком гелии энергия основного состояния может уменьшаться за счет естественного увеличения среднего межатомного расстояния. Однако на больших расстояниях действие межатомных сил в гелии еще слабее. ^{[ 4 ]}

Из-за очень слабых межатомных сил в гелии этот элемент остается жидкостью при атмосферном давлении на протяжении всего пути от точки сжижения до абсолютного нуля . При температурах ниже точки сжижения и гелий-4, и гелий-3 претерпевают переход в сверхтекучее состояние . (См. таблицу ниже.) ^{[ 4 ]} Жидкий гелий может затвердевать только при очень низких температурах и высоких давлениях . ^{[ 5 ]}

Жидкий гелий-4 и редкий гелий-3 не полностью смешиваются . ^{[ 6 ]} ниже 0,9 Кельвина При давлении насыщенного пара смесь двух изотопов подвергается фазовому расслоению на обычную жидкость (в основном гелий-3), которая плавает в более плотной сверхтекучей жидкости, состоящей в основном из гелия-4. ^{[ 7 ]} Это разделение фаз происходит потому, что общая масса жидкого гелия может уменьшить его термодинамическую энтальпию за счет разделения.

При экстремально низких температурах сверхтекучая фаза, богатая гелием-4, может содержать до 6% гелия-3 в растворе. Это делает возможным использование в небольших масштабах холодильника для разбавления , способного достигать температуры в несколько милликельвинов . ^{[ 6 ]}^{[ 8 ]}

Сверхтекучий гелий-4 существенно отличается по свойствам от обычного жидкого гелия.

История

В 1908 году Камерлинг-Оннесу удалось сжижать небольшое количество гелия. В 1923 году он давал советы канадскому физику Джону Каннингему МакЛеннану , который первым начал производить количество жидкого гелия практически по требованию. ^{[ 9 ]}

В 1932 году Эйнштейн сообщил, что жидкий гелий может помочь в создании атомной бомбы.

Важная ранняя работа по характеристикам жидкого гелия была сделана советским физиком Львом Ландау , позже расширенная американским физиком Ричардом Фейнманом .

В 1961 году Виньос и Фэрбенк сообщили о существовании другой фазы твердого гелия-4, названной гамма-фазой. Он существует в узком диапазоне давлений от 1,45 до 1,78 К. ^{[ 10 ]}

Данные

Свойства жидкого гелия	Гелий-4	Гелий-3
Критическая температура ^{[ 4 ]}	5,2 К (-267,95 ° С)	3,3 К (-269,85 ° С)
Температура кипения при одной атмосфере ^{[ 4 ]}	4,2 К (-268,95 ° С)	3,2 К (-269,95 ° С)
Минимальное плавления давление ^{[ 11 ]}	25 бар (360 фунтов на квадратный дюйм)	29 бар (420 фунтов на квадратный дюйм) при 0,3 К (-272,850 ° C)
Температура сверхтекучего перехода при давлении насыщенного пара	2,17 К (-270,98 ° С) ^{[ 12 ]}	1 мК в отсутствие магнитного поля ^{[ 13 ]}

Галерея

Жидкий гелий (в вакуумной бутылке) при температуре 4,2 К (-268,95 ° C) и давлении 1 бар (15 фунтов на квадратный дюйм) медленно кипит.
Переход лямбда-точки: когда жидкость охлаждается до 2,17 К (-270,98 ° C), кипение на мгновение внезапно становится сильным.
Сверхтекучая фаза при температуре ниже 2,17 К (-270,98 ° С). В этом состоянии теплопроводность чрезвычайно высока. Это приводит к тому, что тепло в теле жидкости передается к ее поверхности настолько быстро, что испарение происходит только на свободной поверхности жидкости. Таким образом, в теле жидкости нет пузырьков газа.
Жидкий гелий находится в сверхтекучей фазе. Тонкая невидимая пленка ползет вверх по внутренней стенке чаши и вниз по внешней стороне. Образуется капля. Он упадет в жидкий гелий внизу. Это будет повторяться до тех пор, пока чашка не опустеет — при условии, что жидкость останется сверхтекучей.

См. также

Ссылки

^ «Наблюдаемые свойства жидкого гелия при давлении насыщенного пара» . Университет Орегона . 2004.
^ Уилкс (1967) , с. 7.
^ «Криогеника: Низкие температуры, высокая производительность» . ЦЕРН . 28 июня 2023 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Уилкс (1967) , с. 1.
^ Горбанюк, Богдан Д. (2004). «Холодильное оборудование и кондиционирование». Энциклопедия энергетики : 261–289. дои : 10.1016/B0-12-176480-X/00085-1 . ISBN 9780121764807 .
^ Jump up to: ^а ^б Д.О. Эдвардс; Д. Ф. Брюэр; П. Селигман; М. Скертик и М. Якуб (1965). «Растворимость He ³ в жидком он ⁴ при 0K». Phys. Rev. Lett . 15 (20): 773. Бибкод : 1965PhRvL..15..773E . doi : 10.1103/PhysRevLett.15.773 .
^ Прикаупенко Л; Тринер, Дж. (16 января 1995 г.). «Фазовое разделение жидкости» ³Он- ⁴He Mixtures: Effect of Confinement». Physical Review Letters . 74 (3): 430–433. Bibcode : 1995PhRvL..74..430P . doi : 10.1103/PhysRevLett.74.430 . PMID 10058756 .
^ Уилкс (1967) , с. 244.
^ «ЖИЗНЬ СЭРА ДЖОНА КАННИНГЕМА МакЛЕННАНА, доктора философии, FRSC, FRS, OBE, KBE (1867–1935)» . Университет физики Торонто. Архивировано из оригинала 5 мая 2006 г.
^ Виньос, Джеймс Х.; Фэрбанк, Генри А. (15 марта 1961 г.). «Новая твердая фаза в H ⁴« . Письма о физическом обзоре . 6 (6): 265–267. Бибкод : 1961PhRvL...6..265V . doi : 10.1103/PhysRevLett.6.265 .
^ Уилкс (1967) , стр. 474–478.
^ Уилкс (1967) , с. 289.
^ Дитер Фоллхарт и Питер Вёльфле (1990). Сверхтекучие фазы гелия 3 . Тейлор и Фрэнсис. п. 3.

Общий

ВанСкивер, Стивен В. (2012). Гелиевая криогеника . Международная серия монографий по криогенике (2-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Спрингер. ISBN 978-1-4419-9978-8 .
Уилкс, Дж. (1967). Свойства жидкого и твердого гелия . Оксфорд: Кларендон Пресс. ISBN 0-19-851245-7 .
Физика замерзания: Хайке Камерлинг-Оннес и поиски холода, Ван Делфт Дирк (2007). Эдита - Издательство Королевской Нидерландской академии искусств и наук. ISBN 978-90-6984-519-7 .

Внешние ссылки

Фазовые диаграммы He-3 и He-4 и т. д.
Фазовая диаграмма гелия-3 и т. д.
Сжижение гелия по Оннесу
Статья Камерлинга Оннеса 1908 года в Интернете и проанализирована на BibNum. Архивировано 18 февраля 2018 г. в Wayback Machine [для анализа на английском языке нажмите «télécharger»]
Криогенные системы ЦЕРН.

[uoreg-1] «Наблюдаемые свойства жидкого гелия при давлении насыщенного пара» . Университет Орегона . 2004.

[FOOTNOTEWilks19677-2] Уилкс (1967) , с. 7.

[lhc-3] «Криогеника: Низкие температуры, высокая производительность» . ЦЕРН . 28 июня 2023 г.

[FOOTNOTEWilks19671-4] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Уилкс (1967) , с. 1.

[5] Горбанюк, Богдан Д. (2004). «Холодильное оборудование и кондиционирование». Энциклопедия энергетики : 261–289. дои : 10.1016/B0-12-176480-X/00085-1 . ISBN 9780121764807 .

[Edwards1965-6] Jump up to: ^а ^б Д.О. Эдвардс; Д. Ф. Брюэр; П. Селигман; М. Скертик и М. Якуб (1965). «Растворимость He ³ в жидком он ⁴ при 0K». Phys. Rev. Lett . 15 (20): 773. Бибкод : 1965PhRvL..15..773E . doi : 10.1103/PhysRevLett.15.773 .

[7] Прикаупенко Л; Тринер, Дж. (16 января 1995 г.). «Фазовое разделение жидкости» ³Он- ⁴He Mixtures: Effect of Confinement». Physical Review Letters . 74 (3): 430–433. Bibcode : 1995PhRvL..74..430P . doi : 10.1103/PhysRevLett.74.430 . PMID 10058756 .

[FOOTNOTEWilks1967244-8] Уилкс (1967) , с. 244.

[9] «ЖИЗНЬ СЭРА ДЖОНА КАННИНГЕМА МакЛЕННАНА, доктора философии, FRSC, FRS, OBE, KBE (1867–1935)» . Университет физики Торонто. Архивировано из оригинала 5 мая 2006 г.

[10] Виньос, Джеймс Х.; Фэрбанк, Генри А. (15 марта 1961 г.). «Новая твердая фаза в H ⁴« . Письма о физическом обзоре . 6 (6): 265–267. Бибкод : 1961PhRvL...6..265V . doi : 10.1103/PhysRevLett.6.265 .

[FOOTNOTEWilks1967474–478-11] Уилкс (1967) , стр. 474–478.

[FOOTNOTEWilks1967289-12] Уилкс (1967) , с. 289.

[13] Дитер Фоллхарт и Питер Вёльфле (1990). Сверхтекучие фазы гелия 3 . Тейлор и Фрэнсис. п. 3.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]