Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Гелий элементінің сұйық күйі. Сұйық гелий – стандартты атмосфералық қысымда өте төмен температурада гелийдің физикалық күйі. Сұйық гелийде суперфлюидтік қасиеттер байқалуы мүмкін. Стандартты қысымда химиялық элемент гелий тек өте төмен температурада ғана сұйық күйде болады. Оның қайнау температурасы және критикалық температурасы гелийдің қай изотопының бар екеніне байланысты: кең таралған гелий-4 изотопы немесе сирек кездесетін гелий-3 изотопы. Бұл гелийдің жалғыз тұрақты изотоптары. Осы физикалық шамалардың мәндері төмендегі кестеде келтірілген. Гелий-4 сұйығының қайнау нүктесіндегі және бір атмосфера қысымындағы (101,3 килопаскаль) тығыздығы шамамен , шамамен сұйық судың тығыздығынан сегіз есе кем.
Liquid state of the element helium
Liquid helium is a physical state of helium at very low temperatures at standard atmospheric pressures. Liquid helium may show superfluidity. At standard pressure, the chemical element helium exists in a liquid form only at the extremely low temperature of Its boiling point and critical point depend on which isotope of helium is present: the common isotope helium 4 or the rare isotope helium 3. These are the only two stable isotopes of helium. See the table below for the values of these physical quantities. The density of liquid helium 4 at its boiling point and a pressure of one atmosphere (101.3 kilopascals) is about , or about one eighth the density of liquid water.
Сұйыту
Гелийді алғаш рет 1908 жылғы 10 шілдеде Нидерландының Лейден университетінде голланд физигі Хейке Камерлинг Оннес сұйытқан. Ол кезде гелий-3 белгісіз болды, себебі массалық спектрометр әлі ойлап табылмаған еді. Соңғы онжылдықтарда сұйық гелий криогендік тоңазытқыш ретінде (криокүлдерде қолданылады) пайдаланылады, ал сұйық гелий коммерциялық түрде магниттік-резонанстық бейнелеу (МРТ), ядролық магниттік-резонанстық (НМР) бейнелеу, магнитоэнцефалография (МЭГ) және физикадағы эксперименттерде, мысалы, төмен температуралы Мессбауэр спектроскопиясында қолданылатын суперөткізгіш магниттерге өндіріледі. Үлкен адрондық коллайдерде 120 тонна сұйық гелиймен салқындатылған суперөткізгіш магниттер бар.
Helium was first liquefied on July 10, 1908, by the Dutch physicist Heike Kamerlingh Onnes at the University of Leiden in the Netherlands. At that time, helium 3 was unknown because the mass spectrometer had not yet been invented. In more recent decades, liquid helium has been used as a cryogenic refrigerant (which is used in cryocoolers), and liquid helium is produced commercially for use in superconducting magnets such as those used in magnetic resonance imaging (MRI), nuclear magnetic resonance (NMR), magnetoencephalography (MEG), and experiments in physics, such as low temperature Mössbauer spectroscopy. The Large Hadron Collider contains superconducting magnets that are cooled with 120 tonnes of liquid helium.
Сұйытылған гелий-3
Гелий-3 атомы фермион болып табылады және өте төмен температурада екі атомдық Купер жұптарын құрайды, олар бозондық және суперсұйықтыққа конденсацияланады. Бұл Купер жұптары атомдар арасындағы қашықтықтан әлдеқайда үлкен.
A helium 3 atom is a fermion and at very low temperatures, they form two atom Cooper pairs which are bosonic and condense into a superfluid. These Cooper pairs are substantially larger than the interatomic separation.
Сипаттамалары
Сұйық гелийді алу үшін қажетті температура гелий атомдары арасындағы тартылыс күшінің әлсіздігіне байланысты төмен. Гелийдегі атомдық аралық күштер бастапқыда әлсіз, себебі гелий – асыл газ, бірақ кванттық механиканың әсерінен атомдық аралық тартылыс одан да әлсірейді. Бұл гелийдің шамамен төрт атомдық масса бірлігіне тең төмен атомдық массасының арқасында маңызды. Сұйық гелийдің нөлдік энергиясы атомдары көршілерімен аз шектелгенде төмендейді. Сондықтан сұйық гелийде оның негізгі күйдегі энергиясы орташа атомдық арақашықтықтың табиғи жолмен ұлғаюымен төмендеуі мүмкін. Дегенмен, үлкен арақашықтықта гелийдегі атомдық аралық күштердің әсері одан да әлсіз болады. Гелийдегі өте әлсіз атомдық аралық күштердің салдарынан, элемент атмосфералық қысымда сұйылу температурасынан абсолюттік нөлге дейін сұйық күйде қалады. Сұйылу температурасынан төмен температурада гелий-4 және гелий-3 екеуі де суперсұйық күйге өтеді. (Төмендегі кестеге қараңыз.) Сұйық гелийді тек өте төмен температура мен жоғары қысымда ғана қаттыландыруға болады. Сұйық гелий-4 және сирек кездесетін гелий-3 толық араласпайды. Бұл фазалық бөліну сұйық гелийдің жалпы массасы бөліну арқылы термодинамикалық энтальпиясын азайту мүмкіндігіне байланысты. Өте төмен температурада гелийге бай суперсұйық фазада 6% гелий-3 ерітіндісі болуы мүмкін. Бұл бірнеше милликельвин температураға жете алатын сұйыту тоңазытқышын кішкентай масштабта пайдалануға мүмкіндік береді. Суперсұйық гелий-4-тің қасиеттері кәдімгі сұйық гелийден едәуір өзгеше.
The temperature required to produce liquid helium is low because of the weakness of the attractions between the helium atoms. These interatomic forces in helium are weak to begin with because helium is a noble gas, but the interatomic attractions are reduced even more by the effects of quantum mechanics. These are significant in helium because of its low atomic mass of about four atomic mass units. The zero point energy of liquid helium is less if its atoms are less confined by their neighbors. Hence in liquid helium, its ground state energy can decrease by a naturally occurring increase in its average interatomic distance. However at greater distances, the effects of the interatomic forces in helium are even weaker. Because of the very weak interatomic forces in helium, the element remains a liquid at atmospheric pressure all the way from its liquefaction point down to absolute zero. At temperatures below their liquefaction points, both helium 4 and helium 3 undergo transitions to superfluids. (See the table below.) Liquid helium can be solidified only under very low temperatures and high pressures. Liquid helium 4 and the rare helium 3 are not completely miscible. This phase separation happens because the overall mass of liquid helium can reduce its thermodynamic enthalpy by separating. At extremely low temperatures, the superfluid phase, rich in helium 4, can contain up to 6% helium 3 in solution. This makes the small scale use of the dilution refrigerator possible, which is capable of reaching temperatures of a few millikelvins. Superfluid helium 4 has substantially different properties from ordinary liquid helium.
Тарих
1908 жылы Камерлинг Оннес гелийдің шағын мөлшерін сұйытуға қол жеткізді. 1923 жылы ол канадалық физик Джон Каннингэм МакЛеннанға кеңес берді, ол алғаш рет сұйық гелийді қажеттілікке қарай өндіре алды. 1932 жылы Эйнштейн сұйық гелий атом бомбасын жасауға көмектесе алатынын хабарлады. Сұйық гелийдің ерекшеліктерін зерттеудегі маңызды алғашқы жұмысты совет физигі Лев Ландау жасады, одан кейін американ физигі Ричард Фейнман оны дамытты. 1961 жылы Вигнос және Фэрбанк қатты гелий-4-тің басқа бір фазасының бар екенін анықтады, ол гамма фазасы деп аталды. Ол 1,45 және 1,78 К аралығындағы қысымның тар диапазонында ғана кездеседі.
In 1908, Kamerlingh Onnes succeeded in liquifying a small quantity of helium. In 1923, he provided advice to the Canadian physicist John Cunningham McLennan, who was the first to produce quantities of liquid helium almost on demand. In 1932 Einstein reported that the liquid helium could help in creating an atomic bomb. Important early work on the characteristics of liquid helium was done by the Soviet physicist Lev Landau, later extended by the American physicist Richard Feynman. In 1961, Vignos and Fairbank reported the existence of a different phase of solid helium 4, designated the gamma phase. It exists for a narrow range of pressure between 1.45 and 1.78 K.