Жидкий гелий — 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 крайне низкой температуре −269 °C (−452,20 °F; 4,15 K). Его точка кипения и критическая точка зависят от того, какой изотоп гелия присутствует: распространенный изотоп гелий-4 или редкий изотоп гелий-3 . Это единственные два стабильных изотопа гелия. Значения этих физических величин см. в таблице ниже. Плотность жидкого гелия-4 при его температуре кипения и давлении в одну атмосферу (101,3 килопаскаля ) составляет около 125 г/л (0,125 г/мл), или около одной восьмой плотности жидкой воды . [1]
Гелий был впервые сжижен 10 июля 1908 года голландским физиком Хайке 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), магнитоэнцефалографии (МЭГ) и экспериментах в физике , таких как низкотемпературная мёссбауэровская спектроскопия . Большой адронный коллайдер содержит сверхпроводящие магниты, которые охлаждаются 120 тоннами жидкого гелия. [3]
Атом гелия-3 является фермионом , и при очень низких температурах они образуют двухатомные куперовские пары , которые являются бозонными и конденсируются в сверхтекучую жидкость . Эти куперовские пары существенно больше, чем межатомное разделение.
Температура, необходимая для получения жидкого гелия, низкая из-за слабости притяжения между атомами гелия. Эти межатомные силы в гелии изначально слабы, поскольку гелий является благородным газом , но межатомные силы притяжения еще больше уменьшаются из-за эффектов квантовой механики . Они значительны в гелии из-за его низкой атомной массы , составляющей около четырех атомных единиц массы . Энергия нулевой точки жидкого гелия меньше, если его атомы меньше ограничены своими соседями. Следовательно, в жидком гелии его энергия основного состояния может уменьшаться за счет естественного увеличения его среднего межатомного расстояния. Однако на больших расстояниях эффекты межатомных сил в гелии еще слабее. [4]
Из-за очень слабых межатомных сил в гелии, элемент остается жидким при атмосферном давлении на всем пути от точки сжижения до абсолютного нуля . При температурах ниже точек сжижения как гелий-4, так и гелий-3 претерпевают переходы в сверхтекучие состояния . (См. таблицу ниже.) [4] Жидкий гелий может затвердеть 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 претерпевает фазовое разделение на обычную жидкость (в основном гелий-3), которая плавает на более плотной сверхтекучей жидкости, состоящей в основном из гелия-4. [7] Это фазовое разделение происходит потому, что общая масса жидкого гелия может уменьшить его термодинамическую энтальпию путем разделения.
При крайне низких температурах сверхтекучая фаза, богатая гелием-4, может содержать до 6% гелия-3 в растворе. Это делает возможным мелкомасштабное использование рефрижератора растворения , способного достигать температур в несколько милликельвинов . [6] [8]
Сверхтекучий гелий-4 по своим свойствам существенно отличается от обычного жидкого гелия.
В 1908 году Камерлинг-Оннесу удалось сжижить небольшое количество гелия. В 1923 году он консультировал канадского физика Джона Каннингема Макленнана , который первым стал производить жидкий гелий практически по требованию. [9]
В 1932 году Эйнштейн сообщил, что жидкий гелий может помочь в создании атомной бомбы.
Важная ранняя работа по изучению характеристик жидкого гелия была проделана советским физиком Львом Ландау , а позднее ее расширил американский физик Ричард Фейнман .
В 1961 году Вигнос и Фэрбэнк сообщили о существовании другой фазы твердого гелия-4, названной гамма-фазой. Она существует в узком диапазоне давлений от 1,45 до 1,78 К. [10]
