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]
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 еще не был изобретен масс-спектрометр . В последние десятилетия жидкий гелий использовался в качестве криогенного хладагента (который используется в криокулерах ), 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]
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.
Температура, необходимая для производства жидкого гелия, низкая из-за слабости притяжения между атомами гелия. Эти межатомные силы в гелии изначально слабы, поскольку гелий является благородным газом , 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 как гелий-4, так 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] При давлении насыщенного пара ниже 0,9 Кельвина 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] Такое 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.
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]
