Flydende helium

Flydende helium nedkølet til temperaturer under Lambdapunktet, hvor det bliver til en supervæske

Ved normalt tryk eksisterer grundstoffet helium i en flydende form ved den meget lave temperatur −269 °C (omkring 4 K eller −452.2 °F). Heliums kogepunkt og kritiske punkt kommer an på hvilken isotop af helium der er tale om: den mest normale isotop helium-4 eller den mere sjældne isotop helium-3. Disse er de eneste to stabile isotoper af helium. tætheden af flydende helium-4 ved dets kogepunkt og med et tryk på 1 atmosfære (101.3 kilopascal) er omkring 0.125 gram (enhed) pr. cm3, eller Ca. 1/8 tætheden af flydende vand.[1]

Fortætning

Helium blev for første gang fortættet d. 10 Juli 1908, af den hollandske fysiker Heike Kamerlingh Onnes ved Leiden universitetet i Holland.[2] Dengang var helium-3 ukendt fordi at massespektrometri endnu ikke var blevet opfundet. I nyere årtier er flydende helium blevet brugt meget som en kryoteknisk nedkøler, og flydende helium er også blevet produceret kommercielt til brug i superledende magneter f.eks. dem brugt i MR-scanning , NMR-spektroskopi og eksperimenter i fysik, f.eks. mössbauerspektroskopi ved lave temperaturer.

Karakteristika

Temperaturen man skal bruge for at producere flydende helium er så tæt på 0 kelvin fordi tiltrækningskraften mellem helium atomerne er meget lav. Disse intermolekylære kræfter i helium er svage i forvejen fordi helium er en ædelgas, men de intermolekylære kræfter bliver reduceret endnu mere pga. kvante fysik. Disse er meget væsentlige i helium pga. af dets lave atommasse på omkring 4 atommasseenheder. Nulpunktsenergien af flydende helium er mindre hvis dets atomer er mindre indskrænkede af deres naboer. Derfor kan flydende heliums nulpunktsenergi falde pga. af en naturligt forekommende stigning i sit gennemsnit af interatomisk distance. Ved større distancer, bliver effekterne af de interatomiske kræfter i helium endnu svagere.[3]

Pga. af de meget svage Intermolekylær krafter i helium, vil det forblive en væske ved atmosfærisk tryk hele vejen fra sit fortætnings punkt og helt ned til det absolutte nulpunkt. Flydende helium størkner kun ved meget lave temperaturer og stort tryk. Ved temperaturer under deres fortætnings punkter, vil både helium-4 and helium-3 gennemgå transitioner til supervæsker. (Se skemaet nedenunder.)[3]

Flydende helium-4 og den sjældne helium-3 er ikke helt blandbare.[4] Under 0.9 kelvin ved deres mættede damptryk, vil en blanding at de to isotoper gennemgå en faseadskillelse til en normal væske (bestående hovedsageligt af helium-3) som flyder på en tættere supervæske bestående hovedsageligt af helium-4.[kilde mangler] Denne faseadskillelse sker fordi den samlede masse af flydende helium kan reducere sin termodynamiske entalpi ved adskillelse.

Ved ekstremt lave temperaturer kan den superflydende fase, bestående hovedsageligt af helium-4, indeholde op imod 6% helium-3. Dette gør det muligt at lave fortyndings køleskabe i små mængder, disse kan lave temperaturer på få millikelvin.[4][5]

superflydende helium-4 har substantielt forskellige egenskaber end normalt flydende helium.

Data

egenskaber af flydende heliumHelium-4Helium-3
kritisk temperatur[3]5.2 K3.3 K
kogepunkt ved en atmosfæres tryk[3]4.2 K3.2 K
Laveste smelte tryk[6]25 atm29 atm ved 0.3 K
Superflydende transitions temperatur ved mættet damptryk2.17 K[7]1 mK ved fraværet af et magnetfelt[8]

Galleri

  • Flydende helium (i en vakuum flaske) ved 4.2 K og 1 atm som langsomt koger.
    Flydende helium (i en vakuum flaske) ved 4.2 K og 1 atm som langsomt koger.
  • Lambdapunkt transition: mens væsken bliver nedkølet ned gennem 2.17 K, bliver kogningen pludseligt kraftig i et øjeblik.
    Lambdapunkt transition: mens væsken bliver nedkølet ned gennem 2.17 K, bliver kogningen pludseligt kraftig i et øjeblik.
  • Superflydende fase ved en temperatur under 2.17 K. I denne tilstand, bliver varmeledningsevnen ekstremt høj. Dette får varme i midten af væsken til at blive flyttet til væskens overflade så hurtigt at fordampning kun forekommer ved væskens overflade. derfor er der ikke nogen gas bobler i midten af væsken.
    Superflydende fase ved en temperatur under 2.17 K. I denne tilstand, bliver varmeledningsevnen ekstremt høj. Dette får varme i midten af væsken til at blive flyttet til væskens overflade så hurtigt at fordampning kun forekommer ved væskens overflade. derfor er der ikke nogen gas bobler i midten af væsken.

Se også

Referencer

  1. ^ "The Observed Properties of Liquid Helium at the Saturated Vapor Pressure". University of Oregon. 2004. Arkiveret fra originalen 26. maj 2015. Hentet 17. februar 2018.
  2. ^ Wilks, p. 7
  3. ^ a b c d Wilks, p. 1.
  4. ^ a b D. O. Edwards; D. F. Brewer; P. Seligman; M. Skertic & M. Yaqub (1965). "Solubility of He3 in Liquid He4 at 0°K". Phys. Rev. Lett. 15 (20): 773. Bibcode:1965PhRvL..15..773E. doi:10.1103/PhysRevLett.15.773.
  5. ^ Wilks, p. 244.
  6. ^ Wilks, pp. 474–478.
  7. ^ Wilks, p. 289.
  8. ^ Dieter Vollhart & Peter Wölfle (1990). The Superfluid Phases of Helium 3. Taylor and Francis. s. 3.

Litteratur

  • J. Wilks (1967). The Properties of Liquid and Solid Helium. Oxford: Clarendon Press. ISBN 0-19-851245-7.
  • Freezing Physics: Heike Kamerlingh Onnes and the Quest for Cold, Van Delft Dirk (2007). Edita - The Publishing House Of The Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences. ISBN 978-90-6984-519-7.

Eksterne links

Autoritetsdata

Medier brugt på denne side

Liquid helium superfluid phase.jpg
The temperature of the liquid helium in this vacuum bottle is 2.2K(Lambda point) or less. There is no visible boiling (due to zero viscosity of superfluids). The liquid is in its Superfluid Phase.
2 Helium.png
Liquefied Helium
Liquid Helium.jpg
Liquid helium in a vacuum bottle. The liquid is at the normal boiling point (4.2K,1 atm.), boiling slowly.
Liquid helium lambda point transition.jpg
When liquid helium is cooled down from 4.2K to the lambda point at 2.2K the liquid for a brief moment boils up violently.Suddenly, boiling ceases. This is the transition from the normal phase to the superfluid phase.