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液態氦

來自 呢圖網 的圖片

中文名稱;液氦

外文名稱;liquid helium

本質;氦的液化體

液態氦是氦的液化體。無色透明,無臭無味。它可獲得mK級的超低溫,是一種最主要的低溫源。具有性質:如在常壓下永遠不會凝成固體,沒有三相點,只有當壓力超過2.5MPa後才出現固相;存在入相變現象,在入點(2.172K)處比熱、密度等都有突變;存在超流性、爬行膜現象和超導熱性,粘滯係數接近於零。[1]

氦單質在極低溫度下由氣態氦轉變為液態氦。由於氦原子間的相互作用(范德華力)和原子質量都很小,很難液化,更難凝固。富同位素He的氣液相變曲線的臨界溫度和臨界壓強分別為5.20K和2.26大氣壓,一個標準大氣壓下的溫度為4.215K在常壓下,溫度從臨界溫度下降至絕對零度時,氦始終保持為液態,不會凝固,只有在大於25大氣壓時才出現固態。

在2.18K時會有明顯的性質改變,如獲得超流性,被稱作He II,來與普通的液氦(He I)區別開。

目錄

物理性質

內容簡介

氦在通常情況下為無色、無味的氣體;熔點-272.2℃(25個大氣壓),沸點-268.785℃;密度0.1785g/L,臨界溫度-267.8℃,臨界壓力2.26大氣壓;水中溶解度8.61cm/kg水。氦是唯一不能在標準大氣壓下固化的物質。液態氦在溫度下降至2.18K時(HeⅡ),性質發生突變,成為一種超流體,能沿容器壁向上流動,熱傳導性為銅的800倍;其比熱容、表面張力、壓縮性都是反常的。

液氦在一個大氣壓下密度為0.125g/mL。氦有兩種天然同位素:氦-3、氦-4,自然界中存在的氦基本上全是氦-4。普通液氦是一種很易流動的無色液體,其表面張力極小,折射率和氣體差不多,因而不易看到它。液態He包括性質不同的兩個相,分別稱為HeⅠ和HeⅡ,在兩個相之間的轉變溫度處,液氦的密度、電容率和比熱容均呈現反常的增大。兩個液相HeⅠ和HeⅡ間的轉變溫度稱為λ點,飽和蒸氣壓下的λ點為2.172K,壓強增加時,λ點移向較低的溫度,兩個液相的相變曲線為一直線,稱為λ線。

超流體

液氦具有一系列引人注目的特點,主要表現在以下幾方面。

超流動性普通液體的粘滯度隨溫度的下降而增高,與此不同,HeⅠ的粘滯度在溫度下降到2.6K左右時,幾乎與溫度無關,其數值約為3×10帕秒,比普通液體的粘滯度小得多。在2.6K以下,HeⅠ的粘滯度隨溫度的降低而迅速下降。HeⅡ的粘滯度在λ點以下的溫度時立刻降至非常小的值(<10帕秒),這種幾乎沒有粘滯性的特性稱為超流動性。用粗細不同的毛細管做實驗時,發現流管愈細,超流動性就愈明顯,在直徑小於10cm的流管中,流速與壓強差和流管長度幾乎無關,而僅取決於溫度,流動時不損耗動能。

氦膜任何與HeⅡ接觸的器壁上覆蓋一層液膜,液膜中只包含無粘滯性的超流體成分,稱為氦膜。氦膜的存在使液氦能沿器壁向儘可能低的位置移動。將空的燒杯部分地浸於HeⅡ中時,燒杯外的液氦將沿燒杯外壁爬上杯口,並進入杯內,直至杯內和杯外液面持平。反之,將盛有液氦的燒杯提出液氦面時,杯內液氦將沿器壁不斷轉移到杯外並滴下。液氦的這種轉移的速率與液面高度差、路程長短和障壁高度無關。

對HeⅡ性質的理論研究首先由F.倫敦作出。He原子是自旋為整數的玻色子,倫敦把HeⅡ看成是由玻色子組成的玻色氣體,遵守玻色統計規律,玻色統計允許不同粒子處於同一量子態中。倫敦證明了存在一個臨界溫度Tc,當溫度低於Tc時,一些粒子會同時處於零點振動能狀態(即基態),稱為凝聚,溫度愈低,凝聚到零點振動能狀態的粒子數就愈多,在絕對零度時,全部粒子都凝聚到零點振動能狀態,以上現象稱為玻色-愛因斯坦凝聚。L.蒂薩認為HeⅡ的超流動性起因於玻色-愛因斯坦凝聚。由於已凝聚到基態的HeⅡ原子具有最低的零點振動能,故有極大的平均自由程,能夠幾乎無阻礙地通過極細的毛細管。蒂薩首先提出二流體型,後來L.D.朗道修正和補充了此模型。二流體模型認為HeⅡ由兩部分獨立的、可互相滲透的流體組成,一種是處於基態的凝聚部分,熵等於零,無粘滯性,是超流體;另一種是處於激發態(未凝聚)的正常流體,熵不等於零,有粘滯性。兩種流體的密度之和等於HeⅡ的總密度,溫度降至λ點時,正常流體開始部分地轉變為超流體,溫度愈低,超流體的密度愈大,而正常流體的密度則愈小,在絕對零度時,所有原子都處於凝聚狀態,全部流體均為超流體。利用這個二流體模型可解釋關於液氦的許多力學和熱學性質

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宇宙中豐度第二高的元素氦,液氦奇妙的超流體特性

參考資料

  1. 液氦 有什麼用 , 360問答,2014年01月07日