Ciekły hel
Ciekły hel – hel pierwiastkowy w stanie ciekłym.
Hel występuje w stanie ciekłym tylko w ekstremalnie niskich temperaturach. Temperatura wrzenia i punkt krytyczny zależą od składu izotopowego (patrz tabela poniżej). Gęstość ciekłego helu przy ciśnieniu 1 atm wynosi w przybliżeniu 0,125 g/cm3.
Izotop helu 4He po raz pierwszy skroplił Kamerlingh Onnes 10 lipca 1908 roku. Ciekły 4He jest stosowany w kriogenice; jest używany do chłodzenia nadprzewodzących magnesów stosowanych w spektroskopii MRI i NMR, a także w akceleratorach cząstek naładowanych.
Temperatura skraplania helu jest bardzo niska ze względu na małą masę atomową tego pierwiastka oraz słabe oddziaływania międzycząsteczkowe, wynikające z pełnego obsadzenia powłoki walencyjnej elektronami, podobnie jak w przypadku innych gazów szlachetnych. Mała masa atomowa powoduje, że energia kwantowych drgań zerowych wokół położenia równowagi ma relatywnie znaczną wartość. Energia ta wzrasta wraz z upakowaniem przestrzennym atomów helu, zatem faza stała jest nietrwała w stosunku do cieczy. Pod ciśnieniem atmosferycznym hel pozostałby ciekły nawet w temperaturze zera bezwzględnego. W wystarczająco niskiej temperaturze, zarówno 3He jak i 4He przechodzą w stan nadciekły (zobacz tabelę poniżej). Wyraźne efekty kwantowe powodują również bardzo niewielką różnicę między temperaturą wrzenia a temperaturą krytyczną.
Ciekły 3He i 4He w temperaturze powyżej 0,9 K (−272 °C) pod ciśnieniem pary nasyconej mieszają się częściowo. Poniżej tej temperatury mieszanina ulega rozdzieleniu na dwa izotopy, w której 3He jest w stanie ciekłym, a 4He w stanie nadciekłym (dzieje się tak, ponieważ może zajść spadek entalpii powodujący rozdział). W niskiej temperaturze, faza nadciekła bogata w 4He może zawierać do 6% 3He, umożliwia to otrzymywanie temperatur rzędu kilku mK powyżej zera bezwzględnego[1].
| Właściwość | 4He | 3He |
|---|---|---|
| Temperatura krytyczna | 5,20 K | 3,31 K |
| Temperatura wrzenia przy ciśnieniu 1 atm | 4,22 K | 3,19 K |
| Minimalne ciśnienie potrzebne do zestalenia | 25,32 bar | 29,32 bar |
| Temperatura przemiany w nadciecz przy ciśnieniu pary nasyconej (przemiana lambda) | 2,18 K | 0,0026 K[3] |
Galeria
Ciekły, wolno wrzący hel pod ciśnieniem 1 atm, w temperaturze 4,2 K
Ciekły hel w punkcie lambda
Nadciekły hel w temperaturze niższej niż 2,17 K
Zobacz też
Przypisy
- ↑ D.O. Edwards i inni, Solubility of He3 in Liquid He4 at 0°K, „Phys. Rev. Lett.”, 15 (20), 1965, s. 773–775, DOI: 10.1103/PhysRevLett.15.773 (ang.).
- ↑ Peter Häussinger i inni, Noble Gases, [w:] Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Weinheim: Wiley‐VCH, 2005, s. 4, DOI: 10.1002/14356007.a17_485 (ang.).
- ↑ Dieter Vollhart, Peter Wölfle, The Superfluid Phases of Helium 3, wyd. 2, Courier Corporation, 2013, s. 7, ISBN 978-0-486-48631-4 [dostęp 2021-01-03] (ang.).
| |||||||||||||||||
Media użyte na tej stronie
The temperature of the liquid helium in this vacuum bottle is 2.2K(Lambda point) or less. There is no visible boiling (due to zero viscosity of superfluids). The liquid is in its Superfluid Phase.
Liquefied Helium
Liquid helium in a vacuum bottle. The liquid is at the normal boiling point (4.2K,1 atm.), boiling slowly.
When liquid helium is cooled down from 4.2K to the lambda point at 2.2K the liquid for a brief moment boils up violently.Suddenly, boiling ceases. This is the transition from the normal phase to the superfluid phase.
Model of atom.