Каким свойством обладает гелий
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 27 марта 2019;
проверки требуют 2 правки.
Жи́дкий ге́лий — жидкое агрегатное состояние гелия. Представляет собой бесцветную прозрачную жидкость, кипящую при температуре 4,2 К (для изотопа 4He при нормальном атмосферном давлении)[1][2]. Плотность жидкого гелия при температуре 4,2 К составляет 0,13 г/см³. Обладает малым показателем преломления, из-за чего его трудно увидеть.
При определённых условиях жидкий гелий представляет собой квантовую жидкость, то есть жидкость, в макроскопическом объёме которой проявляются квантовые свойства составляющих её атомов. Из-за квантовых эффектов (нулевые колебания), при нормальном давлении гелий не затвердевает даже при абсолютном нуле. Твёрдый гелий в α-фазе удаётся получить лишь при давлении выше 25 атм.
История исследований[править | править код]
История получения и исследований жидкого гелия тесно связана с историей развития криогеники.
- В 1898 году Дьюаром получено около 20 см³ жидкого водорода.
- В 1906 году Камерлинг-Оннес наладил линию полупромышленного получения жидкого водорода, дающую до 4 литров в час.
- В 1908 году он же сумел добиться конденсации жидкого гелия в объёме 0,06 литра (Нобелевская премия по физике за 1913 год). Для опыта потребовалось 20 литров жидкого водорода, полученного при помощи линии, созданной двумя годами ранее. Низкие температуры, необходимые для конденсации гелия, были достигнуты при адиабатическом дросселировании водорода (см. эффект Джоуля — Томсона).
- В 1930 году[3]Виллем Хендрик Кеезом обнаружил наличие фазового перехода в жидком гелии при температуре 2,17 К и давлении насыщенных паров 0,005 МПа. Он назвал фазу, устойчивую выше температуры 2,17 K, гелием-I, а фазу, устойчивую ниже этой температуры — гелием-II. Также он наблюдал связанные с этим аномалии в теплопроводности (и даже называл 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 сжижить и гелий-3.
- В 1972 году в жидком гелии-3 также был обнаружен фазовый переход. Позже было экспериментально показано, что ниже 2,6 мК и при давлении 34 атм гелий-3 действительно становится сверхтекучим. (Нобелевская премия по физике за 2003 год.)
Физические свойства[править | править код]
Физические свойства гелия сильно отличаются у изотопов 4He и 3He:
| Свойство | 4He | 3He | |
|---|---|---|---|
| Температура плавления, К | 2,0 (при 3,76 МПа) | 1,0 (при 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 (при 0 К) | 82,35 | |
| Крит. точка | tкрит, К | 5,25 | 3,35 |
| pкрит, МПа | 0,23 | 0,12 | |
| dкрит, кг/м³ | 69,3 | 41,3 | |
Свойства гелия-4[править | править код]
Жидкий гелий — бозе-жидкость, то есть жидкость, частицы которой являются бозонами.
Выше температуры 2,17 К гелий-4 ведёт 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: теплоёмкости, вязкости, плотности и других. В жидком гелии при температуре ниже температуры перехода одновременно сосуществуют две фазы, Не I и Не II, с сильно различающимися свойствами. Состояние жидкости в фазе гелия-II в некоторой степени аналогично состоянию бозе-конденсата (однако, в отличие от конденсата атомов разреженного газа, взаимодействие между атомами гелия в жидкости достаточно сильно, поэтому теория бозе-конденсата неприменима впрямую к гелию-II).
Сверхтекучесть и сверхтеплопроводность[править | править код]
Фазовый переход в гелии хорошо заметен, он проявляется в том, что кипение прекращается, жидкость становится совершено прозрачной. Испарение гелия, конечно, продолжается, но оно идёт 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 остаётся 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.
Для He II характерна сверхтекучесть — способность протекать без трения через узкие (диаметром менее 100 нм) капилляры и щели. Относительное содержание He II растет с понижением температуры и достигает 100 % при абсолютном нуле температуры — с этим были связаны попытки получения сверхнизких температур путём пропускания жидкого гелия через очень тонкий капилляр, через который пройдет только сверхтекучая компонента. Однако за счёт того, что при близких к абсолютному нулю температурах теплоёмкость также стремится к нулю, добиться существенных результатов не удалось — за счёт неизбежного нагрева от стенок капилляра и излучения.
За счёт сверхтекучести и достигается аномально высокая теплопроводность жидкого гелия — теплопередача идёт не за счёт теплопроводности, а за счёт конвекции сверхтекучей компоненты в противоток нормальной, которая переносит тепло (сверхтекучая компонента не может переносить тепло). Это свойство открыто в 1938 году П. Л. Капицей.
Второй звук[править | править код]
За счёт 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 коэффициентом теплового расширения (который у гелия аномально мал), 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; расчётное значение равнялось 25 м/с. Фактически измеренное значение составляет 19,6 м/с[4].
Свойства гелия-3[править | править код]
Жидкий гелий-3 — это ферми-жидкость, то есть жидкость, частицы которой являются фермионами. В таких системах сверхтекучесть может осуществляться при определённых условиях, когда между фермионами имеются силы притяжения, которые приводят к образованию связанных состояний пар фермионов — так называемых куперовских пар (эффект Купера).
Куперовская пара обладает целым спином, то есть ведёт себя как бозон; поэтому вещество, состоящее из объединённых в куперовские пары фермионов, может переходить в состояние, подобное бозе-конденсату. 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 жидкого гелия-3 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 милликельвинов 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 около 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 код]
Как и другие криожидкости, гелий хранят в сосудах Дьюара. Гелий в них всегда хранится под небольшим давлением — за счёт естественного испарения жидкости. Это позволяет в случае небольшой негерметичности не допустить загрязнения гелия. Избыточное давление стравливается через клапан. На практике, так как гелий достаточно дорог, то, чтобы не выпускать газ 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 жидкость так бурно вскипает, что дьюар может взорваться. Как правило, для снижения потерь гелия на испарение используется «азотная рубашка» — непосредственно в вакуумной полости сосуда Дьюара расположена ещё одна оболочка, которая охлаждается кипящим жидким азотом (температура 77 К). За счёт этого удается существенно сократить теплообмен между гелием и атмосферой.
Жидкий гелий перевозят в специальных транспортных сосудах, выпускаемыми промышленно. В СССР и позднее в России выпускались сосуды типа СТГ-10, СТГ-25, СТГ-40 и СТГ-100 ёмкостью 10, 25, 40 и 100 литров, соответственно. Эти сосуды широко используются в российских лабораториях и в настоящее время. Сосуды с жидким гелием должны транспортироваться и храниться в вертикальном положении.
Применение жидкого гелия[править | править код]
Современный ЯМР-томограф. Для охлаждения сверхпроводящих магнитов в нём используется жидкий гелий.
Жидкий гелий применяется в качестве хладагента для получения и поддержания низких и сверхнизких температур (в основном в научных исследованиях):
- охлаждение сверхпроводящих магнитов в различных научных, технических и медицинских устройствах, к примеру:
- ускорители заряженных частиц
- В Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе используется 96 тонн жидкого гелия для охлаждения 1624 сверхпроводящих магнитов до температуры 1,9 K[5]
- детекторы инфракрасного и высокочастотного излучения, сквид-магнетометры;
- сканирующие туннельные микроскопы;
- ускорители заряженных частиц
- использование в криостатах растворения[прояснить];
- криогенные электрические машины[прояснить].
Примечания[править | править код]
Ссылки[править | править код]
Научно-популярные ресурсы[править | править код]
- Свойства жидкого гелия — доклад академика П. Л. Капицы, «Природа», N12, 1997.
Книги, обзорные статьи[править | править код]
- Сверхтекучий 3He: ранняя история глазами теоретика — нобелевская лекция Э. Дж. Леггетта, УФН, т. 174, № 11, 2003 г.
- Воловик Г., «Universe in a helium droplet», Oxford University Press, 2004, 529 стр., книга доступна на сайте автора (PDF, 3,5 Мб).
Твёрдый гелий — состояние гелия при температуре, близкой к абсолютному нулю и давлении, значительно превышающем атмосферное. Гелий — единственный элемент, который не затвердевает, оставаясь в жидком состоянии, при атмосферном давлении и сколь угодно малой температуре. Переход в твёрдое состояние возможен только при давлении более 25 атм.
История исследований[править | править код]
После того, как в 1908 году Хейке Камерлинг-Оннес сумел добиться конденсации гелия, он попытался получить твёрдый гелий. Откачкой паров ему удалось достичь λ-точки (1,4 К). За последующие десять лет исследований удалось опуститься до 0,8 К, но гелий оставался жидким.
И только в 1926 году ученик Камерлинг-Оннеса Виллем Хендрик Ке́езом смог получить 1 см³ твёрдого гелия, используя не только низкую температуру, но и повышенное давление.
Мои опыты, которые позволили получить гелий в твёрдом виде, совершенно отчётливо показали, что для превращения гелия в твёрдое состояние требуется не только такая температура, при которой внутриатомные силы преодолевают тепловое движение настолько, чтобы атомы могли группироваться в кристаллическую решётку, но требуется, кроме того, и воздействие внешнего давления, которое должно быть достаточно высоким для того, чтобы привести в действие внутриатомные силы. Без применения такого давления гелий остаётся жидким даже при самих низких из достигнутых температур, хотя при некоторой температуре он может внезапно переходить в новое жидкое агрегатное состояние.
— Из лекции, прочитанной перед V Международным конгрессом по холодильному делу в Риме 13 апреля 1928 г., Nature, 123, 847, 1928
Физические свойства[править | править код]
Кристалл гелия с пузырьками жидкости. Бирюзовый — цвет фона
Физические свойства гелия:
| Свойство | 4He | 3He |
|---|---|---|
| Молярный объём, см³/моль (ОЦК) | 21,1 (1,6 К) | 24 (0,65 К) |
| Минимальное давление образования (кристаллизации), атм | 25 | 29 (0,3 K) |
| Плотность твёрдого гелия, г/см³ | 0,187 (0 К, 25 атм) | |
| Плотность жидкого гелия, г/см³ (0 К) | 0,145 | 0,08235 |
Твёрдый гелий — кристаллическое прозрачное вещество, причём границу между твёрдым и жидким гелием трудно обнаружить, так как их показатели преломления близки.
Плотность твёрдого гелия очень мала, она составляет 0,187 г/см³ (менее 20 % от плотности льда при −273 °C). Для образования твёрдого 3He необходимо ещё более высокое давление (29 атм) и ещё более низкая температура (0,3 К). Плотность его ещё ниже.
Свойства гелия-4[править | править код]
Для твёрдого гелия-4 характерен такой квантовый эффект, как кристаллизационные волны. Этот эффект состоит в слабо затухающих колебаниях границы раздела фаз «квантовый кристалл — сверхтекучая жидкость». Колебания возникают при незначительном механическом воздействии на систему «кристалл — жидкость». Достаточно при температуре <0,5 К слегка качнуть прибор, как граница между кристаллом и жидкостью начинает колебаться так, как будто это граница между двумя жидкостями.
Энтропия и энтальпия плавления 4He при температурах <1 К обращаются в 0.
Для 4He основная сингония — гексагональная (ГПУ). На фазовой диаграмме видна небольшая область, где 4He переходит в кубическую сингонию (ОЦК). При относительно больших давлениях (1000 атм) и температуре ~15 К появляется новая кубическая фаза ГЦК.
На рисунке обозначения фаз:
- hcp — гексагональная плотная упаковка (ГПУ);
- fcc — гранецентрированная кубическая (ГЦК);
- bcc — объёмноцентрированная кубическая (ОЦК).
Свойства гелия-3[править | править код]
При давлениях <100 атм 3He кристаллизуется в кубической сингонии (ОЦК). Выше ~100 атм твёрдый 3He переходит в фазу с гексагональной симметрией (ГПУ). Так же как и 4He, 3He при давлениях >1000 атм и ~15 К переходит в кубическую фазу (ГЦК).
Ниже 0,3 К термодинамические свойства жидкого и твёрдого гелия-3 необычны в том отношении, что при адиабатическом сжатии жидкий гелий охлаждается, причем с увеличением сжатия охлаждение продолжается, пока жидкая фаза не превратится в твёрдую. Это объясняется значительным вкладом ядерного магнетизма гелия-3 в его энтальпию. Эффект получил название компрессионное охлаждение гелия-3. Такой характер поведения гелия-3 был теоретически предсказан
И. Я. Померанчуком в 1950 году и экспериментально подтвержден
У. М. Фейрбенком и Г. К. Уолтерсом (1957),
Ю. Д. Ануфриевым (1965). С тех пор охлаждение методом адиабатического сжатия применяется во многих лабораториях. Такой метод позволяет, начиная с низких температур, поддерживаемых криостатом растворения, получать температуры ниже 0,003 К, достаточно низкие для проведения экспериментов со сверхтекучим гелием.
Кривая плавления 3He при Т < 0,3 К имеет отрицательную производную. Вследствие этого для гелия-3 наблюдается необычный физический эффект. Если жидкий гелий-3, который находится при температуре <0,01 К и давлении 30—33 атм, нагревать, то при ~0,3—0,6 К жидкость замёрзнет.
Для твёрдого гелия-3 также характерен квантовый эффект кристаллизационных волн, но проявляется он при температурах <10−3 K.
Сверхтекучесть в твёрдом гелии[править | править код]
Подозрение о том, что сверхтекучестью могут обладать и твёрдые тела, высказывалось довольно давно[1], однако долгое время никаких экспериментальных указаний на такое явление не было.
Экспериментальные работы[править | править код]
В 2004 году было объявлено об открытии сверхтекучести в твёрдом гелии. Это заявление было сделано на основании эффекта неожиданного уменьшения момента инерции крутильного маятника с твёрдым гелием. Последующие исследования показали, однако, что ситуация далеко не столь проста, и потому говорить об экспериментальном обнаружении этого явления пока преждевременно[2][3][4][5].
Теоретические работы[править | править код]
В настоящее время общепринятой теории, объясняющей и описывающей сверхтекучесть в твёрдом гелии, пока нет. Тем не менее, попытки построить такую теорию делаются[6].
Критика оригинальных работ[править | править код]
В ряде последовавших за оригинальной работой статей указывалось, что аномальное уменьшение момента инерции образца могло иметь и иное происхождение[7][8]. В 2005 году были опубликованы результаты независимых экспериментов, в которых проявлений сверхтекучего компонента в твёрдом гелии замечено не было[9]. В 2012 году в работе, одним из авторов которой является автор первоначальной публикации Мозес Чан, было показано, что интерпретация обнаруженного эффекта как перехода твёрдого гелия в сверхтекучее состояние была ошибочной[10][11].
Примечания[править | править код]
- ↑ A. J. Leggett, Can a Solid Be «Superfluid»?, Phys. Rev. Lett., 25, 1543—1546 (1970).
- ↑ E. Kim and M. H. W. Chan, Nature 427, 225 (2004).
- ↑ E. Kim and M. H. W. Chan, Science 305, 1941 (2004).
- ↑ «Экспериментальное подтверждение сверхтекучести твёрдого гелия».
- ↑ «Сверхтекучесть твёрдого гелия» (недоступная ссылка).
- ↑ M. Tiwari, A. Datta, «Supersolid Phase in Helium-4».
- ↑ «Сверхтекучесть твердого гелия: сенсация отменяется?»
- ↑ «Новые эксперименты с твердым гелием не подтверждают сенсацию».
- ↑ «Новые эксперименты с твёрдым гелием не подтверждают сенсацию».
- ↑ Duk Y. Kim, Moses H. W. Chan. Absence of supersolidity in solid helium in porous Vycor glass. — 30.07.2012. — arXiv:1207.7050.
- ↑ Сафин Д. Сообщения о сверхтекучести твёрдого гелия оказались ошибочными (недоступная ссылка). Компьюлента (18 октября 2012). Дата обращения 19 октября 2012. Архивировано 19 октября 2012 года.