簡介
編輯液氫是氦氣在極低溫度和標準大氣壓下的一種物理狀態。 液氦可能表現出超流動性。
在標準壓力下,化學元素氦僅在 ?269 °C(?452.20 °F;4.15 K)的極低溫度下以液態形式存在。 它的沸點和臨界點取決于存在的氦同位素:普通同位素氦 4 或稀有同位素氦 3。 這是氦的僅有的兩種穩定同位素。 這些物理量的值見下表。 液態氦 4 在其沸點和一個大氣壓(101.3 千帕)的壓力下的密度約為 125 克/升(0.125 克/毫升),或約為液態水密度的八分之一。
液化
編輯1908 年 7 月 10 日,荷蘭萊頓大學的荷蘭物理學家 Heike Kamerlingh Onnes 首次將氦氣液化。 那時,由于質譜儀尚未發明,氦 3 還不為人知。 近幾十年來,液氦已被用作低溫制冷劑(用于低溫冷卻器),商業生產的液氦用于超導磁體,例如用于磁共振成像 (MRI)、核磁共振 (NMR) 的超導磁體 )、腦磁圖 (MEG) 和物理學實驗,例如低溫穆斯堡爾光譜學。 大型強子對撞機包含用 120 噸液氦冷卻的超導磁體。
液化氦-3
氦 3 原子是費米子,在非常低的溫度下,它們形成雙原子庫珀對,它們是玻色子并凝聚成超流體。 這些庫珀對遠大于原子間距。
特點
編輯由于氦原子之間的吸引力較弱,因此產生液態氦所需的溫度很低。 氦中的這些原子間作用力一開始就很弱,因為氦是一種惰性氣體,但原子間的吸引力因量子力學的影響而減少得更多。 這些在氦中很重要,因為它的原子質量很低,只有大約四個原子質量單位。 如果液氦的原子較少受到其鄰居的限制,則液氦的零點能量較小。 因此,在液氦中,其基態能量會隨著其平均原子間距離的自然增加而降低。 然而,在更遠的距離處,氦中原子間作用力的影響甚至更弱。
由于氦中的原子間作用力非常弱,該元素在大氣壓下從液化點到xxx零一直保持液態。 在低于液化點的溫度下,氦 4 和氦 3 都會轉變為超流體。 (見下表。) 液氫只能在非常低的溫度和高壓下凝固。
液氫-4 和稀有的氦-3 并不完全混溶。 在飽和蒸氣壓低于 0.9 開爾文時,兩種同位素的混合物發生相分離,變成普通流體(主要是氦 3),漂浮在密度更大的超流體(主要由氦 4 組成)上。 發生這種相分離是因為液態氦的總質量可以通過分離降低其熱力學焓。
在極低的溫度下,富含氦 4 的超流相在溶液中最多可含有 6% 的氦 3。 這使得稀釋制冷機的小規模使用成為可能,它能夠達到幾毫開爾文的溫度。
超流氦 4 具有與普通液氦截然不同的特性。
歷史
編輯1908年,荷蘭物理學家Kamerlingh-Onnes成功地液化了少量的氦氣。 1923 年,他向加拿大物理學家約翰·坎寧安·麥克倫南 (John Cunningham McLennan) 提供建議,后者率先幾乎按需大量生產液氦。
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