Жидкий гелий

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Жи́дкий ге́лий представляет собой бесцветную прозрачную жидкость, кипящую при атмосферном давлении при температуре 4,2 К[1][2] (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. Твёрдый гелий в α-фазе удаётся получить лишь при давлении выше 25 атм.

История исследований[править | править исходный текст]

Физические свойства[править | править исходный текст]

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

Свойства гелия-4[править | править исходный текст]

Жидкий гелий

Жидкий гелий — квантовая жидкость (бозе-жидкость), то есть жидкость, в макроскопическом объёме которой проявляются квантовые свойства составляющих её 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, сопровождающийся резким изменением ряда свойств: теплоемкости, вязкости, плотности и др. В жидком гелии при температуре ниже температуры перехода одновременно сосуществуют 2 фазы, Не I и Не II с сильно различающимися свойствами.

Сверхтекучесть и сверхтеплопроводность[править | править исходный текст]

Фазовый переход в гелии 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 сверхтекучей фазы (во много миллионов раз выше, чем у Не I). При этом вязкость нормальной фазы остается практически неизменной, что следует из измерений вязкости методом колеблющегося диска. 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. Относительное содержание Не II растет с понижением температуры и достигает 100 % при абсолютном нуле температуры — с этим были связаны попытки получения сверхнизких температур пропусканием жидкого гелия через очень тонкий капилляр, через который пройдет только сверхтекучая компонента. Однако, за счет того что при температурах, близких к абсолютному нулю, теплоемкость также стремится к нулю, добиться существенных результатов не удалось — за счет неизбежного нагрева от стенок капилляра и излучения. За счет сверхтекучести и достигается аномально высокая теплопроводность гелия — теплообмен идет не за счет теплопередачи, а за счет конвекции сверхтекучей компоненты в противоток нормальной, которая переносит тепло (сверхтекучая компонента не может переносить тепло). Это свойство открыто в 1938 году П. Л. Капицей.

« Гелия в промежуточном состоянии между этими двумя в природе не существует: либо он при абсолютном нуле, либо он в другом состоянии, нормальном. Гелий в сверхтекучем состоянии не может давить на заслонку, и вообще сверхтекучая жидкость не может производить никакого давления, так как это жидкость, вязкость которой равняется нулю, — мы ее динамическими методами обнаружить не можем.[4]
»

Второй звук[править | править исходный текст]

За счет одновременного наличия двух фаз в жидком гелии, имеется две скорости звука и специфическое явление — так называемый «второй звук». Второй звук — слабозатухающие колебания температуры и энтропии в сверхтекучем гелии. Скорость распространения второго звука определяется из уравнений гидродинамики сверхтекучей жидкости в двухкомпонентной модели. Если пренебречь аномально малым для гелия коэффициентом теплового расширения, то в волне второго звука осциллируют только температура и энтропия, а плотность и давление остаются постоянными. Распространение второго звука не сопровождается переносом вещества.

Второй звук можно также интерпретировать как колебания концентрации квазичастиц в сверхтекучем гелии. В чистом 4He это колебания в системе ротонов и фононов.

Существование второго звука было предсказано теоретически Ландау, расчетное значение равнялось 25 м/с. Фактически измеренное — 19,6 м/с[4].

Свойства гелия-3[править | править исходный текст]

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.

Хранение и транспортировка[править | править исходный текст]

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 — это позволяет в случае небольшой негерметичности не допустить загрязнения гелия снегом из воздуха. Избыточное давление стравливается через клапан. На практике, так как гелий достаточно дорогой, то чтобы газ не выпускать в атмосферу, на головной части дьюара размещается соединительная часть для подсоединения дьюара к гелиевой сети, по которой газообразный гелий собирается для повторного использования. Как правило, на этом же узле крепится манометр для контроля давления и аварийный клапан.

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). Как правило, для снижения потерь гелия на испарение, используется «азотная рубашка» — непосредственно в вакуумной полости сосуда Дюара расположена ещё одна оболочка, которая охлаждается кипящим жидким азотом (температура 77К). За счет этого удается существенно сократить тепловой обмен между гелием и атмосферой.

Применение жидкого гелия[править | править исходный текст]

Жидкий гелий используется для охлаждения сверхпроводящих магнитов в современных ЯМР томографах

Примечания[править | править исходный текст]

  1. Химическая энциклопедия. В 5-ти тт. / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.). — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 513-514. — 623 с. — 100 000 экз.
  2. Реперные точки ВПТШ-76
  3. Наука и техника: Физика/СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ
  4. 1 2 Академик П. Л. Капица, Свойства жидкого гелия
  5. LHC Guide booklet «CERN — LHC: Facts and Figures». CERN. Guide booklet. Retrieved on 2008-04-30.

Ссылки[править | править исходный текст]

Научно-популярные ресурсы[править | править исходный текст]

Книги, обзорные статьи[править | править исходный текст]