Жидкий гелий

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

• В 1898 году Дьюаром получено около 20 см³ жидкого водорода.
• В 1906 году Хейке Камерлинг-Оннесом налажена линия полупромышленного получения жидкого водорода, дающая до 4 л/ч.
• В 1908 году Хейке Камерлинг-Оннес сумел добиться конденсации жидкого гелия в объеме 60 см³ (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 обнаруживает наличие фазового перехода в жидком гелии при температуре 2,17 К и давлении насыщенных паров 0,005 МПа. 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.

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

Свойства гелия-4

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

Фазовая диаграмма гелия-4

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] П. Л. Капица

Второй звук

Основная статья: Второй звук в жидком гелии

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

Фазовая диаграмма 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.

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 — 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

Жидкий гелий используется для охлаждения сверхпроводящих магнитов в современных ЯМР томографах

• криожидкость для получения и поддержания низких и сверхнизких температур (в основном в научных исследованиях);
  • охлаждение сверхпроводящих магнитов;
  • использование в криостатах растворения;
  • использование в туннельных сканирующих микроскопах;
  • ускорители элементарных частиц, так в Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе используется 96 тонн жидкого гелия для поддержания температуры 1,9 K^[5]
  • криогенные электрические машины;
• охлаждение детекторов инфракрасного и высокочастотного излучения, сквид-магнетометров;
• медицинская техника.

Примечания

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

Научно-популярные ресурсы

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

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).