Ciekły hel

hel pierwiastkowy w stanie ciekłym

Ciekły helhel pierwiastkowy w stanie ciekłym.

Ciekły hel w szklanej łyżeczce

Hel występuje w stanie ciekłym tylko w ekstremalnie niskich temperaturach. Temperatura wrzenia i punkt krytyczny zależą od składu izotopowego (patrz tabela poniżej). Gęstość ciekłego helu przy ciśnieniu 1 atm wynosi w przybliżeniu 0,125 g/cm3.

Izotop helu 4He po raz pierwszy skroplił Kamerlingh Onnes 10 lipca 1908 roku. Ciekły 4He jest stosowany w kriogenice; jest używany do chłodzenia nadprzewodzących magnesów stosowanych w spektroskopii MRI i NMR, a także w akceleratorach cząstek naładowanych.

Temperatura skraplania helu jest bardzo niska ze względu na małą masę atomową tego pierwiastka oraz słabe oddziaływania międzycząsteczkowe, wynikające z pełnego obsadzenia powłoki walencyjnej elektronami, podobnie jak w przypadku innych gazów szlachetnych. Mała masa atomowa powoduje, że energia kwantowych drgań zerowych wokół położenia równowagi ma relatywnie znaczną wartość. Energia ta wzrasta wraz z upakowaniem przestrzennym atomów helu, zatem faza stała jest nietrwała w stosunku do cieczy. Pod ciśnieniem atmosferycznym hel pozostałby ciekły nawet w temperaturze zera bezwzględnego. W wystarczająco niskiej temperaturze, zarówno 3He jak i 4He przechodzą w stan nadciekły (zobacz tabelę poniżej). Wyraźne efekty kwantowe powodują również bardzo niewielką różnicę między temperaturą wrzenia a temperaturą krytyczną.

Ciekły 3He i 4He w temperaturze powyżej 0,9 K (−272 °C) pod ciśnieniem pary nasyconej mieszają się częściowo. Poniżej tej temperatury mieszanina ulega rozdzieleniu na dwa izotopy, w której 3He jest w stanie ciekłym, a 4He w stanie nadciekłym (dzieje się tak, ponieważ może zajść spadek entalpii powodujący rozdział). W niskiej temperaturze, faza nadciekła bogata w 4He może zawierać do 6% 3He, umożliwia to otrzymywanie temperatur rzędu kilku mK powyżej zera bezwzględnego[1].

Właściwości fizyczne ciekłego helu[2]
Właściwość 4He 3He
Temperatura krytyczna 5,20 K 3,31 K
Temperatura wrzenia przy ciśnieniu 1 atm 4,22 K 3,19 K
Minimalne ciśnienie potrzebne do zestalenia 25,32 bar 29,32 bar
Temperatura przemiany w nadciecz przy ciśnieniu pary nasyconej
(przemiana lambda)
2,18 K 0,0026 K[3]

GaleriaEdytuj

Zobacz teżEdytuj

PrzypisyEdytuj

  1. D.O. Edwards i inni, Solubility of He3 in Liquid He4 at 0°K, „Phys. Rev. Lett.”, 15 (20), 1965, s. 773–775, DOI10.1103/PhysRevLett.15.773 (ang.).
  2. Peter Häussinger i inni, Noble Gases, [w:] Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Weinheim: Wiley‐VCH, 2005, s. 4, DOI10.1002/14356007.a17_485 (ang.).
  3. Dieter Vollhart, Peter Wölfle, The Superfluid Phases of Helium 3, wyd. 2, Courier Corporation, 2013, s. 7, ISBN 978-0-486-48631-4 [dostęp 2021-01-03] (ang.).