При стандартном давлении химический элемент гелия существует в жидкой форме только при чрезвычайно низкой температуре -269 ° C (около 4 К или -452,2 ° F). Его точка кипения и критическая точка зависят от того, какой изотоп гелия присутствует: общий изотопный гелий-4 или редкий изотопный гелий-3. Это единственные два стабильных изотопа гелия. См. Таблицу ниже для значений этих физических величин. Плотность жидкого гелия-4 при его температуре кипения и давлении одной атмосферы (101,3 кПа) составляет около 0,125 г / см3 или около 1/8 плотности жидкой воды.

Cжижение

Гелий был впервые сжижен 10 июля 1908 года голландским физиком Хайке Камерлингхом Оннесом в Лейденском университете в Нидерландах [2]. В то время гелий-3 был неизвестен, потому что масс-спектрометр еще не был изобретен. В последние десятилетия жидкий гелий использовался в качестве криогенного хладагента, а жидкий гелий выпускается коммерчески для использования в сверхпроводящих магнитах, таких как магнитно-резонансная томография (МРТ), ядерный магнитный резонанс (ЯМР), магнитоэнцефалография (МЭГ) и эксперименты в физике, такие как низкотемпературная мессбауэровская спектроскопия (подробнее http://www.infrapro.ru/)

 

Характеристики

Температура, необходимая для получения жидкого гелия, низка из-за слабости аттракционов между атомами гелия. Эти межатомные силы в гелии слабые, так как гелий - благородный газ, но межатомные аттракционы еще больше уменьшаются благодаря воздействию квантовой механики. Они значительны в гелии из-за его низкой атомной массы около четырех атомных единиц массы. Энергия нулевой точки жидкого гелия меньше, если ее атомы меньше ограничены соседями. Следовательно, в жидком гелии его энергия основного состояния может уменьшаться естественным увеличением его среднего межатомного расстояния. Однако на больших расстояниях эффекты межатомных сил в гелии еще слабее.

 

Из-за очень слабых межатомных сил в гелии этот элемент будет оставаться жидкостью при атмосферном давлении на всем пути от точки сжижения до абсолютного нуля. Жидкий гелий затвердевает только при очень низких температурах и больших давлениях. При температурах ниже их точек сжижения как гелий-4, так и гелий-3 переходят в сверхтекучие жидкости. (См. Таблицу ниже.)

 

Жидкий гелий-4 и редкий гелий-3 не полностью смешиваются. Ниже 0.9 кельвина при их давлении насыщенного пара смесь двух изотопов подвергается фазовому разделению в нормальную жидкость (в основном гелий-3), которая плавает на более плотной сверхтекучей жидкости, состоящей в основном из гелия-4. [Это необходимо для разделения фаз] потому что общая масса жидкого гелия может уменьшить его термодинамическую энтальпию путем разделения.

 

При экстремально низких температурах сверхтекучая фаза, богатая гелием-4, может содержать до 6% гелия-3 в растворе. Это делает возможным мелкомасштабное использование холодильника для разбавления, который способен достигать температур нескольких милликельвинов.

 

Сверхтекучий гелий-4 имеет существенно отличающиеся свойства от обычного жидкого гелия.