Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Жидкое состояние элемента гелия
Жидкий гелий — физическое состояние гелия при очень низких температурах и стандартном атмосферном давлении. Жидкий гелий может проявлять сверхтекучесть. При стандартном давлении химический элемент гелий существует в жидкой форме только при исключительно низкой температуре. Его температура кипения и критическая температура зависят от того, какой изотоп гелия присутствует: распространённый изотоп гелий-4 или редкий изотоп гелий-3. Это единственные два стабильных изотопа гелия. Значения этих физических величин приведены в таблице ниже. Плотность жидкого гелия-4 в точке кипения и при давлении в одну атмосферу (101,3 килопаскаля) составляет приблизительно , что составляет примерно одну восьмую плотности жидкой воды.
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.
Сжижение
Гелий был впервые сжижен 10 июля 1908 года голландским физиком Хайке Камерлинг Оннес в Лейденском университете в Нидерландах. В то время гелий-3 был неизвестен, поскольку масс-спектрометр еще не был изобретен. В последние десятилетия жидкий гелий используется как криогенный хладагент (применяемый в криокулерах), и он производится в промышленных масштабах для использования в сверхпроводящих магнитах, таких как те, что применяются в магнитно-резонансной томографии (МРТ), ядерном магнитном резонансе (ЯМР), магнитоэнцефалографии (МЭГ) и физических экспериментах, например, в низкотемпературной спектроскопии Мессбауэра. Большой адронный коллайдер содержит сверхпроводящие магниты, охлаждаемые 120 тоннами жидкого гелия.
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.
Сжиженный гелий-3
Атом гелия-3 является фермионом, и при очень низких температурах он образует пары Купера из двух атомов, которые являются бозонами и конденсируются в сверхтекучую фазу. Эти пары Купера значительно превышают расстояние между атомами.
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.
Характеристики
Температура, необходимая для получения жидкого гелия, низкая из-за слабости сил притяжения между атомами гелия. Эти межатомные силы в гелии изначально слабы, поскольку гелий является благородным газом, но эффекты квантовой механики еще больше ослабляют межатомное притяжение. Эти эффекты значительны для гелия из-за его низкой атомной массы, составляющей около четырех атомных единиц массы. Энергия нулевой точки жидкого гелия уменьшается, если атомы меньше ограничены своими соседями. Таким образом, в жидком гелии энергия его основного состояния может снижаться за счет естественного увеличения среднего межатомного расстояния. Однако на больших расстояниях влияние межатомных сил в гелии становится еще слабее. Из-за очень слабых межатомных сил гелий остается в жидком состоянии при атмосферном давлении от точки сжижения до абсолютного нуля. При температурах ниже точек сжижения как гелий-4, так и гелий-3 переходят в сверхтекучее состояние. (См. таблицу ниже.) Жидкий гелий может быть затвержден только при очень низких температурах и высоком давлении. Жидкий гелий-4 и редкий гелий-3 не полностью смешиваются. Это разделение фаз происходит потому, что общая масса жидкого гелия может уменьшить его термодинамическую энтальпию путем разделения. При чрезвычайно низких температурах сверхтекучая фаза, богатая гелием-4, может содержать до 6% гелия-3 в растворе. Это делает возможным использование в малых масштабах холодильника разбавления, способного достигать температур в несколько милликельвинов. Сверхтекучий гелий-4 обладает существенно отличными свойствами от обычного жидкого гелия.
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.
История
В 1908 году Камерлинг-Оннес добился сжижения небольшого количества гелия. В 1923 году он проконсультировал канадского физика Джона Каннингема МакЛеннана, который первым научился получать жидкий гелий в значительных количествах по мере необходимости. В 1932 году Эйнштейн предположил, что жидкий гелий может быть использован при создании атомной бомбы. Значительный вклад в изучение свойств жидкого гелия внес советский физик Лев Ландау, чьи работы были впоследствии расширены американским физиком Ричардом Фейнманом. В 1961 году Вигнос и Фэрбанк сообщили об обнаружении новой фазы твердого гелия-4, получившей название гамма-фаза. Она существует в узком диапазоне давления от 1,45 до 1,78 К.
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.