Жидкий гелий

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Жи́дкий ге́лий представляет собой бесцветную прозрачную жидкость, кипящую при атмосферном давлении при температуре 4,44 К (жидкий ⁴He). Плотность жидкого гелия при температуре 4,2 К составляет 0,13 г/см³. Обладает малым коэффициентом преломления, из-за чего его трудно увидеть. При нормальном давлении гелий не затвердевает даже при сколь угодно низкой температуре. Это — существенно квантовомеханическое явление. Твёрдый гелий в α-фазе удаётся получить лишь при давлении выше 25 атм.

Содержание 1 История исследований 2 Физические свойства 2.1 Свойства гелия-4 2.2 Свойства гелия-3 3 Хранение и транспортировка 4 Применение жидкого гелия 5 Ссылки 5.1 Научно-популярные ресурсы 5.2 Книги, обзорные статьи

[править] История исследований

• В 1908 году Хейке Камерлинг-Оннес сумел добиться конденсации жидкого гелия (Нобелевская премия по физике за 1913 год).
• Виллем Хендрик Кеезом обнаруживает наличие фазового перехода в жидком гелии при температуре 2,17 К и давлении насыщенных паров. Называет фазу, устойчивую выше 2,17 K гелием-I, и фазу, устойчивую ниже 2,17 K гелием-II. Также наблюдает связанные с этим аномалии в теплопроводности (даже называет гелий-II «сверхтеплопроводным»), теплоёмкости, текучести гелия.
• В 1938 году П. Л. Капица открыл сверхтекучесть гелия-II (Нобелевская премия по физике за 1978 год). Квантовомеханическое объяснение явления было дано Л. Д. Ландау в 1941 году (Нобелевская премия по физике за 1962 год).
• В 1948 году удалось ожижить и гелий-3.
• В 1972 году в жидком ³He был также обнаружен фазовый переход. Позже было экспериментально показано, что ниже 2,6 мК и при давлении 34 атм ³He действительно становится сверхтекучим.
• В 2003 году Нобелевской премией по физике отмечены Алексей Алексеевич Абрикосов, Виталий Лазаревич Гинзбург и Энтони Леггет, в том числе и за создание теории сверхтекучести жидкого гелия-3.

[править] Физические свойства

Физические свойства гелия сильно отличаются у изотопов ⁴He и ³He:

Свойство	4He	3He
Температура плавления, К	2,0 (3,76 МПа)	1,0 (3,87 МПа)
Температура кипения, К	4,215	3,19
Минимальное давление плавления, атм	25	29 (0,3 K)
Плотность газообразного, кг/м3	0,178	0,134
Плотность жидкого, кг/м3	145 (0 К)	82,35
tкрит, К	5,25	3,35
pкрит, МПа	0,23	0,12
dкрит, кг/м3	69,3	41,3

[править] Свойства гелия-4

Жидкий гелий — квантовая жидкость (бозе-жидкость), то есть жидкость, в макроскопическом объеме которой проявляются квантовые свойства составляющих ее атомов. Квантовые эффекты существенны при очень низких температурах. Выше температуры 2,17 К ⁴Не ведет себя как обычная криожидкость, то есть кипит, выделяя пузырьки газа. При достижении температуры 2,17 К (при давлении паров 0,005 МПа — так называемая λ-точка) жидкий ⁴Не претерпевает фазовый переход второго рода от фазы Не I к фазе Не II, сопровождающийся резким изменением ряда свойств: теплоемкости, вязкости, плотности и др. Этот переход хорошо заметен, он проявляется в том, что кипение прекращается, жидкость становится совершено прозрачной. Испарение гелия, конечно, продолжается, но оно идет исключительно с поверхности. Различие в поведении объясняется необычайно высокой теплопроводностью фазы Не II (во много миллионов раз выше, чем у Не I). С увеличением давления температура перехода смещается в область более низких температур. Линия разграничения этих фаз называется λ-линией. На рисунке приведена фазовая диаграмма ⁴Не. Для Не II характерна сверхтекучесть — способность протекать без трения через узкие (диаметром менее 100 нм) капилляры и щели. Это свойство открыто в 1938 г. П. Л. Капицей.

[править] Свойства гелия-3

Жидкий гелий-3 это квантовая ферми-жидкость, то есть она состоит из частиц фермионов со спином ½. В таких системах сверхтекучесть может осуществляться при определённых условиях, когда между фермионами имеются силы притяжения, которые приводят к образованию связанных состояний пар фермионов, т. н. куперовских пар (эффект Купера). Куперовские пары обладают целым спином, поэтому могут образовывать Бозе-конденсат. Сверхтекучесть такого рода осуществляется для электронов в некоторых металлах и носит название сверхпроводимости. Аналогичная ситуация имеет место в жидком ³He, атомы которого имеют спин ½ и образуют типичную квантовую ферми-жидкость. Свойства ферми-жидкости можно описать как свойства газа квазичастиц-фермионов с эффективной массой примерно в 3 раза большей, чем масса атома ³He. Силы притяжения между квазичастицами в ³He очень малы, лишь при температурах порядка нескольких мК в ³He создаются условия для образования куперовских пар квазичастиц и возникновения сверхтекучести. Открытию сверхтекучести у ³He способствовало освоение эффективных методов получения низких температур — эффекта Померанчука и магнитного охлаждения. С их помощью удалось выяснить характерные особенности диаграммы состояния ³He при сверхнизких температурах. Переход нормальной ферми-жидкости в фазу А представляет собой фазовый переход II рода (теплота фазового перехода равна нулю). В фазе A образовавшиеся куперовские пары обладают спином 1 и отличным от нуля моментом импульса. В ней могут возникать области с общими для всех пар направлениями спинов и моментов импульса. Поэтому фаза А является анизотропной жидкостью. В магнитном поле фаза А расщепляется на две фазы (A₁ и A₂), каждая из которых также является анизотропной. Переход из сверхтекучей фазы А в сверхтекучую фазу В является фазовым переходом I рода с теплотой перехода ~1,5•10^-6 дж/моль. Магнитная восприимчивость ³He при переходе А→В скачком уменьшается и продолжает затем уменьшаться с понижением температуры. Фаза В является, по-видимому, изотропной.

[править] Хранение и транспортировка

Жидкий гелий перевозят в специальных транспортных сосудах (Сосуд Дьюара) типа СТГ-10, СТГ-25, СТГ-40 и СТГ-100 светло-серого цвета объемом 10, 25, 40 и 100 литров соответственно. Сосуды с жидким гелием должны транспортироваться и храниться в вертикальном положении.

Гелий в сосудах Дьюара всегда хранится под небольшим давлением, за счет естественного испарения жидкости. Избыточное давление стравливается через клапан. На практике, так как гелий достаточно дорогой, то чтобы газ не выпускать в атмосферу, на выхлопное отверстие надевают резиновую камеру от мяча. Гелиевые дьюары переворачивать нельзя, для переливания содержимого применяют специальные сифоны.

Гелий имеет очень низкую теплоту испарения (в 20 раз меньше, чем у водорода), но зато высокую теплопроводность. Поэтому к качеству теплоизоляции гелиевых дьюаров предъявляются высокие требования. При повреждении вакуумной изоляции (особенно, если в полость попадает гелий) жидкость так бурно вскипает, что дьюар может лопнуть (взорваться).

[править] Применение жидкого гелия

• получение и поддержание низких и сверхнизких температур (в основном в научных исследованиях);
• охлаждение сверхпроводящих магнитов:
  • медицинская техника;
  • ускорители элементарных частиц, так в Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе используется 96 тонн жидкого гелия для поддержания температуры 1,9 K^[1]
  • криогенные электрические машины;
• охлажтение детекторов инфракрасного и высокочастотного излучения, сквид-магнитометров;

[править] Ссылки

1. ↑ LHC Guide booklet «CERN — LHC: Facts and Figures». CERN. Guide booklet. Retrieved on 2008-04-30.

[править] Научно-популярные ресурсы

• Свойства жидкого гелия — доклад академика П. Л. Капицы, «Природа», N12, 1997.

[править] Книги, обзорные статьи

• Сверхтекучий ³He: ранняя история глазами теоретика — нобелевская лекция Э. Дж. Леггетта, УФН, т. 174, № 11, 2003 г.
• Г. Воловик, «Universe in a helium droplet», Oxford University Press, 2004, 529 стр., книга доступна на сайте автора (PDF, 3,5 Мб).