Flytande helium
 Flytande helium i en genomskinlig skål , kyld under lambdapunkten , där den uppvisar egenskaper av överflytande
|
|
| egenskaper . | |
|---|---|
| han | |
| Molar massa | 4,002 602 g·mol -1 |
|
Om inte annat anges ges data för material i standardtillstånd (vid 25 °C [77 °F], 100 kPa).
|
|
Flytande helium är ett fysiskt tillstånd av helium vid mycket låga temperaturer vid standardatmosfärstryck . Flytande helium kan uppvisa superfluiditet .
Vid standardtryck existerar det kemiska elementet helium i flytande form endast vid den extremt låga temperaturen på -269 °C (-452,20 °F; 4,15 K). Dess kokpunkt och kritiska punkt beror på vilken isotop av helium som finns: den vanliga isotopen helium-4 eller den sällsynta isotopen helium-3 . Dessa är de enda två stabila isotoper av helium. Se tabellen nedan för värdena för dessa fysiska storheter. Densiteten för flytande helium-4 vid dess kokpunkt och ett tryck på en atmosfär (101,3 kilopascal ) är cirka 125 g/L (0,125 g/ml), eller cirka en åttondel av densiteten för flytande vatten .
Förvätskning
Helium kondenserades första gången den 10 juli 1908 av den holländska fysikern Heike Kamerlingh Onnes vid universitetet i Leiden i Nederländerna . På den tiden var helium-3 okänd eftersom masspektrometern ännu inte hade uppfunnits. Under de senaste decennierna har flytande helium använts som ett kryogent köldmedium (som används i kryokylare ), och flytande helium produceras kommersiellt för användning i supraledande magneter såsom de som används vid magnetisk resonanstomografi (MRI), kärnmagnetisk resonans (NMR) . ), Magnetoencefalografi (MEG) och experiment i fysik , såsom Mössbauer-spektroskopi vid låg temperatur . Large Hadron Collider innehåller supraledande magneter som kyls med 120 ton flytande helium.
Flytande helium-3
En helium-3- atom är en fermion och vid mycket låga temperaturer bildar de tvåatomiga Cooper-par som är bosoniska och kondenserar till en supervätska . Dessa Cooper-par är avsevärt större än den interatomära separationen.
Egenskaper
Temperaturen som krävs för att producera flytande helium är låg på grund av svagheten i attraktionerna mellan heliumatomerna. Dessa interatomära krafter i helium är svaga till att börja med eftersom helium är en ädelgas , men de interatomiska attraktionerna reduceras ännu mer av effekterna av kvantmekaniken . Dessa är betydande i helium på grund av dess låga atommassa på cirka fyra atommassaenheter . Nollpunktsenergin för flytande helium är mindre om dess atomer är mindre begränsade av sina grannar . I flytande helium kan därför dess grundtillståndsenergi minska med en naturligt förekommande ökning av dess genomsnittliga interatomära avstånd. Men på större avstånd är effekterna av de interatomära krafterna i helium ännu svagare.
På grund av de mycket svaga interatomära krafterna i helium förblir elementet en vätska vid atmosfärstryck hela vägen från dess smältpunkt ner till absoluta nollpunkten . Vid temperaturer under deras flytningspunkter genomgår både helium-4 och helium-3 övergångar till supervätskor . (Se tabellen nedan.) Flytande helium kan endast stelna under mycket låga temperaturer och höga tryck .
Flytande helium-4 och det sällsynta helium-3 är inte helt blandbara . Under 0,9 kelvin vid deras mättade ångtryck genomgår en blandning av de två isotoperna en fasseparation till en normal vätska (mest helium-3) som flyter på en tätare superfluid som mestadels består av helium-4. Denna fasseparation sker eftersom den totala massan av flytande helium kan minska dess termodynamiska entalpi genom att separera.
Vid extremt låga temperaturer kan den superflytande fasen, rik på helium-4, innehålla upp till 6 % helium-3 i lösning. Detta möjliggör småskalig användning av utspädningskylskåpet, som kan nå temperaturer på några millikelvin .
Superfluid helium-4 har väsentligt andra egenskaper än vanligt flytande helium.
Historia
1908 lyckades den holländska fysikern Kamerlingh-Onnes göra en liten mängd helium till vätska. 1923 gav han råd till den kanadensiske fysikern John Cunningham McLennan , som var den första som producerade mängder flytande helium nästan på begäran.
Viktigt tidigt arbete på egenskaperna hos flytande helium gjordes av den sovjetiske fysikern Lev Landau , senare utökad av den amerikanske fysikern Richard Feynman .
Data
| Egenskaper hos flytande helium | Helium-4 | Helium-3 |
|---|---|---|
| Kritisk temperatur | 5,2 K (−267,95 °C) | 3,3 K (−269,85 °C) |
| Kokpunkt vid en atmosfär | 4,2 K (−268,95 °C) | 3,2 K (−269,95 °C) |
| Minsta smälttryck _ | 25 bar (360 psi) | 29 bar (420 psi) vid 0,3 K (−272,850 °C) |
| Superfluid övergångstemperatur vid mättat ångtryck | 2,17 K (−270,98 °C) | 1 mK i frånvaro av magnetfält |
Galleri
Flytande helium (i en vakuumflaska) vid 4,2 K (−268,95 °C) och 1 bar (15 psi) som kokar långsamt.
Lambdapunktsövergång: när vätskan kyls ner genom 2,17 K (−270,98 °C) blir kokningen plötsligt våldsam för ett ögonblick.
Superfluid fas vid temperatur under 2,17 K (−270,98 °C). I detta tillstånd värmeledningsförmågan extremt hög. Detta gör att värme i vätskekroppen överförs till dess yta så snabbt att förångning sker endast på vätskans fria yta. Det finns alltså inga gasbubblor i vätskans kropp.
Det flytande heliumet är i superfluid fas. En tunn osynlig hinna kryper uppför skålens innervägg och ner på utsidan. En droppe bildas. Det kommer att falla av i det flytande heliumet nedanför. Detta upprepas tills koppen är tom - förutsatt att vätskan förblir överflytande.
Se även
- Allmän
- Wilks, J. (1967). Egenskaperna hos flytande och fast helium . Oxford: Clarendon Press. ISBN 0-19-851245-7 .
- Frysfysik: Heike Kamerlingh Onnes and the Quest for Cold, Van Delft Dirk (2007). Edita - The Publishing House of the Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences. ISBN 978-90-6984-519-7 .
externa länkar
- He-3 och He-4 fasdiagram, etc.
- Helium-3-fasdiagram, etc.
- Onnes flytande av helium
- Kamerlingh Onnes artikel från 1908, online och analyserad på BibNum [för engelsk analys, klicka 'à télécharger']
- CERNs kryogena system.
| Myndighetskontroll : Nationella bibliotek |
|---|
