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.

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.

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.

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.

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.