Sıvı helyum - Liquid helium

sıvı helyum
2 Helyum.png
Şeffaf bir kapta sıvı helyum , aşırı akışkanlık özelliklerini sergilediği Lambda noktasının altında soğutulur .
Özellikler
o
Molar kütle 4.002 602  g·mol -1
Aksi belirtilmediği sürece, veriler standart durumdaki malzemeler için verilmiştir (25 °C [77 °F], 100 kPa'da).
Bilgi kutusu referansları

Sıvı helyum , standart atmosfer basınçlarında çok düşük sıcaklıklarda helyumun fiziksel halidir . Sıvı helyum aşırı akışkanlık gösterebilir .

Standart basınçta, kimyasal element helyum bir bulunmaktadır sıvı sadece -269 ° C, son derece düşük bir sıcaklıkta formu (-452,20 ° F, 4.15 K). Bu kaynama noktası ve kritik nokta olan bağlıdır izotop helyum mevcut: Ortak izotop helyum-4 veya nadir izotop helyum-3 . Bunlar helyumun sadece iki kararlı izotopudur. Bu fiziksel niceliklerin değerleri için aşağıdaki tabloya bakın. Sıvı helyum-4'ün kaynama noktasındaki yoğunluğu ve bir atmosferlik (101.3 kilopaskal ) basınç , yaklaşık 125 g/L (0.125 g/ml) veya sıvı suyun yoğunluğunun yaklaşık sekizde biri kadardır .

Sıvılaşma

Helyum ilk Hollandalı fizikçi tarafından, 10 Temmuz 1908 tarihinde sıvılaştırılmış edildi Heike Kamerlingh Onnes at Leiden Üniversitesi'nde de Hollanda . O zamanlar helyum-3 bilinmiyordu çünkü kütle spektrometresi henüz icat edilmemişti. Daha yakın yıllarda, sıvı helyum kriyojenik bir soğutucu olarak kullanılmıştır ( kriyo soğutucularda kullanılır ) ve sıvı helyum, manyetik rezonans görüntüleme (MRI), nükleer manyetik rezonans (NMR ) gibi süper iletken mıknatıslarda kullanılmak üzere ticari olarak üretilir. ), Manyetoensefalografi (MEG) ve düşük sıcaklık Mössbauer spektroskopisi gibi fizik deneyleri .

sıvılaştırılmış helyum-3

Ayrıca bakınız: Fermiyonik kondensat § Helyum-3 süperakışkanı

Bir helyum-3 atomu bir fermiyondur ve çok düşük sıcaklıklarda bozonik olan ve bir süperakışkan halinde yoğunlaşan iki atomlu Cooper çiftleri oluştururlar . Bu Cooper çiftleri, atomlar arası ayrılmadan önemli ölçüde daha büyüktür.

özellikleri

Sıvı helyum üretmek için gereken sıcaklık, helyum atomları arasındaki çekimlerin zayıflığından dolayı düşüktür. Helyumdaki bu atomlar arası kuvvetler başlangıçta zayıftır çünkü helyum bir soy gazdır , ancak atomlar arası çekimler kuantum mekaniğinin etkileriyle daha da azalır . Bunlar, yaklaşık dört atomik kütle biriminden oluşan düşük atom kütlesi nedeniyle helyumda önemlidir . Sıfır noktası enerjisi atomları az komşuları sarmalanması, sıvı helyum azdır. Bu nedenle sıvı helyumda, temel durum enerjisi , ortalama atomlar arası mesafede doğal olarak meydana gelen bir artışla azalabilir. Ancak daha uzak mesafelerde, helyumdaki atomlar arası kuvvetlerin etkileri daha da zayıftır.

Çünkü helyum çok zayıf atomlar arası güçler, eleman atmosferik tüm basınç onun dan bir sıvı kalır sıvılaştırma noktasına kadar mutlak sıfır . Sıvı helyum yalnızca çok düşük sıcaklıklar ve büyük basınçlar altında katılaşır . Sıvılaşma noktalarının altındaki sıcaklıklarda, hem helyum-4 hem de helyum-3 süper akışkanlara geçiş yapar . (Aşağıdaki tabloya bakın.)

Sıvı helyum-4 ve nadir helyum-3 tamamen karışabilir değildir . Doymuş buhar basınçlarında 0.9 kelvin'in altında , iki izotopun bir karışımı, çoğunlukla helyum-4'ten oluşan daha yoğun bir süperakışkan üzerinde yüzen normal bir sıvıya (çoğunlukla helyum-3) bir faz ayrımına uğrar . Bu faz ayrımı, sıvı helyumun toplam kütlesinin ayrılarak termodinamik entalpisini azaltabilmesi nedeniyle gerçekleşir .

Aşırı düşük sıcaklıklarda, helyum-4 açısından zengin süperakışkan faz, çözeltide %6'ya kadar helyum-3 içerebilir. Bu, birkaç millikelvin sıcaklıklara ulaşabilen seyreltme buzdolabının küçük ölçekli kullanımını mümkün kılar .

Süperakışkan helyum-4 , sıradan sıvı helyumdan önemli ölçüde farklı özelliklere sahiptir.

Demixing bölgesini gösteren faz diyagramında sıvı helyum 3 ve 4 izotopları.

Tarih

1908'de Hollandalı fizikçi Kamerlingh-Onnes az miktarda helyumu sıvılaştırmayı başardı. 1923'te neredeyse talep üzerine sıvı helyum üreten ilk kişi olan Kanadalı fizikçi John Cunningham McLennan'a tavsiyede bulundu .

Sıvı helyumun özellikleri üzerine önemli erken çalışmalar Sovyet fizikçi Lev Landau tarafından yapıldı ve daha sonra Amerikalı fizikçi Richard Feynman tarafından genişletildi .

Veri

Sıvı helyumun özellikleri helyum-4 helyum-3
Kritik sıcaklık 5,2 K (-267,95 °C) 3,3 K (−269,85 °C)
Bir atmosferde kaynama noktası 4,2 K (−268,95 °C) 3,2 K (−269,95 °C)
Minimum erime basıncı 25 bar (360 psi) 0,3 K'da (−272.850 °C) 29 bar (420 psi)
Doymuş buhar basıncında süperakışkan geçiş sıcaklığı 2,17 K (−270,98 °C) 1 mK manyetik alan yokluğunda

Galeri

  • Sıvı helyum (vakumlu şişede) 4,2 K'da (-268,95 °C) ve 1 barda (15 psi) yavaşça kaynar.

  • Lambda noktası geçişi: Sıvı 2,17 K (−270,98 °C) kadar soğutulduğunda, kaynama bir an için aniden şiddetlenir.

  • 2.17 K'nin (−270.98 °C) altındaki sıcaklıkta süperakışkan faz. Bu durumda, termal iletkenlik son derece yüksektir. Bu, sıvının gövdesindeki ısının o kadar hızlı bir şekilde yüzeyine aktarılmasına neden olur ki, buharlaşma sadece sıvının serbest yüzeyinde gerçekleşir. Böylece sıvının gövdesinde gaz kabarcığı oluşmaz.

Sıvı helyum süperakışkan fazdadır. İnce, görünmez bir film, kasenin iç duvarından yukarı ve dıştan aşağı doğru sürünür . Bir damla oluşur. Aşağıdaki sıvı helyuma düşecek . Bu, sıvının aşırı sıvı kalması şartıyla, bardak boşalana kadar tekrar edecektir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Genel

Dış bağlantılar