液态氦查看源代码讨论查看历史
| 液态氦 |
 |
|
中文名称；液氦 外文名称；liquid helium 本质；氦的液化体 |
液态氦是氦的液化体。无色透明，无臭无味。它可获得mK级的超低温，是一种最主要的低温源。具有性质:如在常压下永远不会凝成固体，没有三相点，只有当压力超过2.5MPa后才出现固相;存在入相变现象，在入点(2.172K)处比热、密度等都有突变;存在超流性、爬行膜现象和超导热性，粘滞系数接近于零。[1]
氦单质在极低温度下由气态氦转变为液态氦。由于氦原子间的相互作用(范德华力)和原子质量都很小，很难液化，更难凝固。富同位素He的气液相变曲线的临界温度和临界压强分别为5.20K和2.26大气压，一个标准大气压下的温度为4.215K在常压下，温度从临界温度下降至绝对零度时，氦始终保持为液态，不会凝固，只有在大于25大气压时才出现固态。
在2.18K时会有明显的性质改变，如获得超流性，被称作He II，来与普通的液氦(He I)区别开。
物理性质
内容简介
氦在通常情况下为无色、无味的气体;熔点-272.2℃(25个大气压)，沸点-268.785℃;密度0.1785g/L，临界温度-267.8℃，临界压力2.26大气压;水中溶解度8.61cm/kg水。氦是唯一不能在标准大气压下固化的物质。液态氦在温度下降至2.18K时(HeⅡ)，性质发生突变，成为一种超流体，能沿容器壁向上流动，热传导性为铜的800倍;其比热容、表面张力、压缩性都是反常的。
液氦在一个大气压下密度为0.125g/mL。氦有两种天然同位素:氦-3、氦-4，自然界中存在的氦基本上全是氦-4。普通液氦是一种很易流动的无色液体，其表面张力极小，折射率和气体差不多，因而不易看到它。液态He包括性质不同的两个相，分别称为HeⅠ和HeⅡ，在两个相之间的转变温度处，液氦的密度、电容率和比热容均呈现反常的增大。两个液相HeⅠ和HeⅡ间的转变温度称为λ点，饱和蒸气压下的λ点为2.172K，压强增加时，λ点移向较低的温度，两个液相的相变曲线为一直线，称为λ线。
超流体
液氦具有一系列引人注目的特点，主要表现在以下几方面。
超流动性普通液体的粘滞度随温度的下降而增高，与此不同，HeⅠ的粘滞度在温度下降到2.6K左右时，几乎与温度无关，其数值约为3×10帕秒，比普通液体的粘滞度小得多。在2.6K以下，HeⅠ的粘滞度随温度的降低而迅速下降。HeⅡ的粘滞度在λ点以下的温度时立刻降至非常小的值(<10帕秒)，这种几乎没有粘滞性的特性称为超流动性。用粗细不同的毛细管做实验时，发现流管愈细，超流动性就愈明显，在直径小于10cm的流管中，流速与压强差和流管长度几乎无关，而仅取决于温度，流动时不损耗动能。
氦膜任何与HeⅡ接触的器壁上覆盖一层液膜，液膜中只包含无粘滞性的超流体成分，称为氦膜。氦膜的存在使液氦能沿器壁向尽可能低的位置移动。将空的烧杯部分地浸于HeⅡ中时，烧杯外的液氦将沿烧杯外壁爬上杯口，并进入杯内，直至杯内和杯外液面持平。反之，将盛有液氦的烧杯提出液氦面时，杯内液氦将沿器壁不断转移到杯外并滴下。液氦的这种转移的速率与液面高度差、路程长短和障壁高度无关。
对HeⅡ性质的理论研究首先由F.伦敦作出。He原子是自旋为整数的玻色子，伦敦把HeⅡ看成是由玻色子组成的玻色气体，遵守玻色统计规律，玻色统计允许不同粒子处于同一量子态中。伦敦证明了存在一个临界温度Tc，当温度低于Tc时，一些粒子会同时处于零点振动能状态(即基态)，称为凝聚，温度愈低，凝聚到零点振动能状态的粒子数就愈多，在绝对零度时，全部粒子都凝聚到零点振动能状态，以上现象称为玻色-爱因斯坦凝聚。L.蒂萨认为HeⅡ的超流动性起因于玻色-爱因斯坦凝聚。由于已凝聚到基态的HeⅡ原子具有最低的零点振动能，故有极大的平均自由程，能够几乎无阻碍地通过极细的毛细管。蒂萨首先提出二流体型，后来L.D.朗道修正和补充了此模型。二流体模型认为HeⅡ由两部分独立的、可互相渗透的流体组成，一种是处于基态的凝聚部分，熵等于零，无粘滞性，是超流体;另一种是处于激发态(未凝聚)的正常流体，熵不等于零，有粘滞性。两种流体的密度之和等于HeⅡ的总密度，温度降至λ点时，正常流体开始部分地转变为超流体，温度愈低，超流体的密度愈大，而正常流体的密度则愈小，在绝对零度时，所有原子都处于凝聚状态，全部流体均为超流体。利用这个二流体模型可解释关于液氦的许多力学和热学性质。
相关视频