Русская Википедия:Жидкий гелий
Жи́дкий ге́лий — жидкое агрегатное состояние гелия. Представляет собой бесцветную прозрачную жидкость, кипящую при температуре Шаблон:Num (для изотопа [[Гелий-4|Шаблон:SupHe]] при нормальном атмосферном давлении)[1][2]. Плотность жидкого гелия при температуре Шаблон:Num составляет Шаблон:Num. 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 Шаблон:Num.
История исследований
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 Шаблон:Num в час.
- В 1908 году он же сумел добиться конденсации жидкого гелия в объёме Шаблон:Num (Нобелевская премия по физике за 1913 год). Для опыта потребовалось Шаблон:Num 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 Шаблон:Num и давлении насыщенных паров Шаблон:Num. Он назвал фазу, устойчивую выше температуры Шаблон:Num, 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 Шаблон:Num и при давлении Шаблон:Num гелий-3 действительно становится сверхтекучим. (Нобелевская премия по физике за 2003 год.)
Физические свойства
Физические свойства гелия сильно отличаются у изотопов Шаблон:SupHe и Шаблон:SupHe:
| Свойство | Шаблон:SupHe | Шаблон:SupHe | |
|---|---|---|---|
| Температура плавления, К | 2,0 (при Шаблон:Num) | 1,0 (при Шаблон:Num) | |
| Температура кипения, К | 4,215 | 3,19 | |
| Минимальное давление плавления, атм | 25 | 29 (Шаблон:Num) | |
| Плотность газообразного, кг/м³ | 0,178 | 0,134 | |
| Плотность жидкого, кг/м³ | 145 (при Шаблон:Num) | 82,35 | |
| Крит. точка | tШаблон:Sub, К | 5,25 | 3,35 |
| pШаблон:Sub, МПа | 0,23 | 0,12 | |
| dШаблон:Sub, кг/м³ | 69,3 | 41,3 | |
Свойства гелия-4
Жидкий гелий — бозе-жидкость, то есть жидкость, частицы которой являются бозонами.
Выше температуры Шаблон:Num гелий-4 ведёт себя как обычная криожидкость, то есть кипит, выделяя пузырьки газа. При достижении температуры Шаблон:Num (при давлении паров Шаблон:Num — так называемая λ-точка) жидкий Шаблон:SupНе 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
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 Шаблон:Num) 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.
| « |
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 её динамическими методами обнаружить не можем. | » |
| — Анонимус | ||
Второй звук
Шаблон:Main 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 Шаблон:SupHe это колебания в системе ротонов и фононов.
Существование второго звука было предсказано теоретически Ландау; расчётное значение равнялось Шаблон:Num. Фактически измеренное значение составляет Шаблон:Num[4].
Свойства гелия-3
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 Шаблон:SupHe, 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 Шаблон:Num большей, чем масса атома Шаблон:SupHe. Силы притяжения между квазичастицами в Шаблон:SupHe очень малы, лишь при температурах порядка нескольких милликельвинов в Шаблон:SupHe создаются условия для образования куперовских пар квазичастиц и возникновения сверхтекучести. Открытию сверхтекучести у Шаблон:SupHe способствовало освоение эффективных методов получения низких температур — эффекта Померанчука и магнитного охлаждения. С их помощью удалось выяснить характерные особенности диаграммы состояния Шаблон:SupHe 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 (AШаблон:Sub и AШаблон:Sub), каждая из которых также является анизотропной. Переход из сверхтекучей фазы А в сверхтекучую фазу В является фазовым переходом I рода с теплотой перехода около 1,5Шаблон:E дж/моль. Магнитная восприимчивость Шаблон:SupHe при переходе А→В скачком уменьшается и продолжает затем уменьшаться с понижением температуры. Фаза В является, по-видимому, изотропной.
Хранение и транспортировка
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 Шаблон:Num 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 Шаблон:Num). 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 Шаблон:Num, 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
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 Шаблон:Num жидкого гелия для охлаждения 1624 сверхпроводящих магнитов до температуры Шаблон:Num[5]
- детекторы инфракрасного и высокочастотного излучения, сквид-магнетометры;
- сканирующие туннельные микроскопы;
- ускорители заряженных частиц
- использование в криостатах растворенияШаблон:Прояснить;
- криогенные электрические машиныШаблон:Прояснить.
Примечания
Ссылки
Научно-популярные ресурсы
- Свойства жидкого гелия — доклад академика П. Л. Капицы, «Природа», N12, 1997.
Книги, обзорные статьи
- Сверхтекучий Шаблон:SupHe: 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).
- ↑ Шаблон:Книга
- ↑ Реперные точки ВПТШ-76
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Ошибка цитирования Неверный тег
<ref>; для сносокvivovocoне указан текст - ↑ LHC Guide booklet «CERN — LHC: Facts and Figures». CERN. Guide booklet
- Русская Википедия
- Страницы с неработающими файловыми ссылками
- Используется шаблон Цитата
- Страницы с цитатами
- Физика низких температур
- Сжиженные газы
- Гелий
- Криоагенты
- Страницы, где используется шаблон "Навигационная таблица/Телепорт"
- Страницы с телепортом
- Википедия
- Статья из Википедии
- Статья из Русской Википедии
- Страницы с ошибками в примечаниях
