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液氦 氦單質(zhì)在極低溫度下由氣態(tài)氦轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)氦。由于氦原子間的相互作用(范德華力)和原子質(zhì)量都很小,很難液化,更難凝固。富同位素4He的氣液相變曲線的臨界溫度和臨界壓強(qiáng)分別為5.20K和2.26大氣壓,一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的溫度為4.215K.在常壓下,溫度從臨界溫度下降至絕對零度時,氦始終保持為液態(tài),不會凝固,只有在大于25大氣壓時才出現(xiàn)固態(tài)。
在2.18K時會有明顯的性質(zhì)改變,如獲得超導(dǎo)性、超流性,被稱作He II,來與普通的液氦(He I)區(qū)別開。
物理性質(zhì)
概述
氦在通常情況下為無色、無味的氣體;熔點(diǎn)-27
液氦2.2℃(25個大氣壓),沸點(diǎn)-268.785℃;密度0.1785千克/升,臨界溫度-267.8℃,臨界壓力2.26大氣壓;水中溶解度8.61厘米³/千克水。氦是唯一不能在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下固化的物質(zhì)。液態(tài)氦在溫度下降至2.18K時(HeⅡ),性質(zhì)發(fā)生突變,成為一種超流體,能沿容器壁向上流動,熱傳導(dǎo)性為銅的800倍,并變成超導(dǎo)體;其比熱容、表面張力、壓縮性都是反常的。
液氦在一個大氣壓下密度為0.125 g/mL。氦有兩種天然同位素:氦3、氦4,自然界中存在的氦基本上全是氦4。
普通液氦是一種很易流動的無色液體,其表面張力極小,折射率和氣體差不多,因而不易看到它。液態(tài)4He包括性質(zhì)不同的兩個相,分別稱為HeⅠ和HeⅡ,在兩個相之間的轉(zhuǎn)變溫度處,液氦的密度、電容率和比熱容均呈現(xiàn)反常的增大。兩個液相HeⅠ和HeⅡ間的轉(zhuǎn)變溫度稱為λ點(diǎn),飽和蒸氣壓下的λ點(diǎn)為2.172K,壓強(qiáng)增加時,λ點(diǎn)移向較低的溫度,兩個液相的相變曲線為一直線,稱為λ線。
超流體具有一系列引人注目的特點(diǎn),主要表現(xiàn)在以下幾方面。
超流動性普通液體的粘滯度隨溫度的下降而增高,與此不同,HeⅠ的粘滯度在溫度下降到2.6K左右時,幾乎與溫度無關(guān),其數(shù)值約為3×10-6帕秒,比普通液體的粘滯度小得多。在2.6K以下,HeⅠ的粘滯度隨溫度的降低而迅速下降。HeⅡ的粘滯度在λ點(diǎn)以下的溫度時立刻降至非常小的值(<10-12帕秒),這種幾乎沒有粘滯性的特性稱為超流動性。用粗細(xì)不同的毛細(xì)管做實(shí)驗(yàn)時,發(fā)現(xiàn)流管愈細(xì),超流動性就愈明顯,在直徑小于10-5厘米的流管中,流速與壓強(qiáng)差和流管長度幾乎無關(guān),而僅取決于溫度,流動時不損耗動能。
氦膜任何與HeⅡ接觸的器壁上覆蓋一層液膜,液膜中只包含無粘滯性的超流體成分,稱為氦膜。氦膜的存在使液氦能沿器壁向盡可能低的位置移動。將空的燒杯部分地浸于HeⅡ中時,燒杯外的液氦將沿?zé)獗谂郎媳?,并進(jìn)入杯內(nèi),直至杯內(nèi)和杯外液面持平。反之,將盛有液氦的燒杯提出液氦面時,杯內(nèi)液氦將沿器壁不斷轉(zhuǎn)移到杯外并滴下。液氦的這種轉(zhuǎn)移的速率與液面高度差、路程長短和障壁高度無關(guān)。
對HeⅡ性質(zhì)的理論研究首先由F.倫敦作出。4He原子是自旋為整數(shù)的玻色子,倫敦把HeⅡ看成是由玻色子組成的玻色氣體,遵守玻色統(tǒng)計規(guī)律,玻色統(tǒng)計允許不同粒子處于同一量子態(tài)中。倫敦證明了存在一個臨界溫度Tc,當(dāng)溫度低于Tc時,一些粒子會同時處于零點(diǎn)振動能狀態(tài)(即基態(tài)),稱為凝聚,溫度愈低,凝聚到零點(diǎn)振動能狀態(tài)的粒子數(shù)就愈多,在絕對零度時,全部粒子都凝聚到零點(diǎn)振動能狀態(tài),以上現(xiàn)象稱為玻色-愛因斯坦凝聚。L.蒂薩認(rèn)為HeⅡ的超流動性起因于玻色-愛因斯坦凝聚。由于已凝聚到基態(tài)的HeⅡ原子具有最低的零點(diǎn)振動能,故有極大的平均自由程,能夠幾乎無阻礙地通過極細(xì)的毛細(xì)管。蒂薩首先提出二流體型,后來L.D.朗道修正和補(bǔ)充了此模型。二流體模型認(rèn)為HeⅡ由兩部分獨(dú)立的、可互相滲透的流體組成,一種是處于基態(tài)的凝聚部分,熵等于零,無粘滯性,是超流體;另一種是處于激發(fā)態(tài)(未凝聚)的正常流體,熵不等于零,有粘滯性。兩種流體的密度之和等于HeⅡ的總密度,溫度降至λ點(diǎn)時,正常流體開始部分地轉(zhuǎn)變?yōu)槌黧w,溫度愈低,超流體的密度愈大,而正常流體的密度則愈小,在絕對零度時,所有原子都處于凝聚狀態(tài),全部流體均為超流體。利用這個二流體模型可解釋關(guān)于液氦的許多力學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)。
熱傳導(dǎo)性
HeⅠ具有普通流體的導(dǎo)熱率,因而當(dāng)減小壓強(qiáng)時,液氦出現(xiàn)激烈的沸騰現(xiàn)象。HeⅡ的導(dǎo)熱率要比HeⅠ高出106倍,比銅高出104倍。當(dāng)溫度越過λ點(diǎn),HeⅠ轉(zhuǎn)變?yōu)镠eⅡ時,液氦從很壞的熱導(dǎo)體突然變?yōu)榈侥壳盀橹棺詈玫臒釋?dǎo)體。由于HeⅡ的導(dǎo)熱率異乎尋常地高,其內(nèi)部不可能出現(xiàn)溫差,因而內(nèi)部不可能汽化,即不能沸騰。當(dāng)利用抽氣方法減低蒸氣壓時,開始階段出現(xiàn)激烈的沸騰,溫度降低至λ點(diǎn)以下時,HeⅠ轉(zhuǎn)變?yōu)镠eⅡ,沸騰突然停止,液面平靜如鏡,汽化只發(fā)生在液面。正常流體的導(dǎo)熱率與溫度梯度無關(guān),純粹是反映物質(zhì)性質(zhì)的量,但HeⅡ的導(dǎo)熱率卻與溫度梯度甚至容器的幾何形狀有關(guān)。
熱效應(yīng)
熱效應(yīng)包括機(jī)-熱和熱-機(jī)兩種效應(yīng)。盛有液氦的兩個容器用極細(xì)的毛細(xì)管C連通,注入液氦,溫度低于λ點(diǎn),右側(cè)液面高于左側(cè),形成壓強(qiáng)差Δp.液氦中低熵超流成分能從右側(cè)通過毛細(xì)管轉(zhuǎn)移到左側(cè),而高熵的正常成分不能通過毛細(xì)管。這導(dǎo)致右側(cè)液氦的熵增加,左側(cè)的熵減少,這意味著右側(cè)溫度升高而左側(cè)溫度降低。這種由機(jī)械力引起的熱量遷移稱為機(jī)-熱效應(yīng)。機(jī)-熱效應(yīng)的逆過程稱為熱-機(jī)效應(yīng)。右側(cè)液氦受熱后(吸熱Q),低熵的超流成分減少,左側(cè)液氦中的超流成分通過毛細(xì)管流向右側(cè),而正常成分不能通過毛細(xì)管,這導(dǎo)致右側(cè)液面升高形成壓強(qiáng)差。熱-機(jī)效應(yīng)的“噴泉”裝置。帶毛細(xì)管噴嘴的無底玻璃管的填充金剛砂粉末P,用棉花C塞住底部,浸入液氦中。用光照射玻璃管,使管內(nèi)的液氦溫度升高,超流成分激發(fā)成正常成分。管外的超流成分通過棉花塞向管內(nèi)轉(zhuǎn)移,形成內(nèi)外壓強(qiáng)差,液氦從噴嘴噴出。
第二聲波
普通流體中的聲波是由密度交替變化形成的,稱密度波。1941年朗道發(fā)展了量子液體的流體動力學(xué),預(yù)言在HeⅡ中除普通密度波(稱第一聲波)外,還存在另一種聲波,它是由液氦中超流成分(低熵,溫度較低)與正常流體成分(高熵,溫度較高)的相對運(yùn)動形成的,稱為溫度波或熵波(第二聲波)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了溫度波的存在。
同位素
3He是4He的同位素,在天然氦中所占比例小于10-7,通過人工核反應(yīng)可得足夠數(shù)量的3He.3He的臨界溫度和臨界壓強(qiáng)分別為3.34K和1.17大氣壓。與4He一樣,在常壓下液態(tài)3He不會固化,在絕對零度附近需加34個大氣壓才能固化。1972年,D.D.奧舍羅夫等人在2mK低溫下發(fā)現(xiàn)了兩個3He的液態(tài)新相,分別稱為3He-A和3He-B,它們均為超流態(tài)。液態(tài)3He和4He在0.87K以上溫度時完全互溶,在該溫度以下則分離成兩相,按3He所占比例的多少分別稱為濃相(含3He較多)和稀相(含3He較少),濃相浮于稀相之上(因3He比4He輕)。3He原子從濃相通過界面進(jìn)入稀相時要吸熱,這就是稀釋致冷機(jī)的工作原理(見超低溫技術(shù))。3He原子的電子總自旋為零,核自旋為1/2,故與電子一樣屬費(fèi)米子,遵守費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計,液態(tài)3He稱為費(fèi)米液體,正常態(tài)的液態(tài)3He的性質(zhì)可用朗道的費(fèi)米液體理論描述。
化學(xué)性質(zhì)
氦的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,幾乎不與其他任何元素化合。
理論上的確有一些氦的化合物在極低溫極高壓狀態(tài)下可以存在。
在光譜中可以觀測到HeH+(已知最強(qiáng)的酸),而HeH的激發(fā)態(tài)可以作為準(zhǔn)分子存在。
詳見稀有氣體化合物詞條。
用途
氦是最不活潑的元素,而且極難液化。氦的應(yīng)用主要是作為保護(hù)氣體、氣冷式核反應(yīng)堆的工作流體和超低溫冷凍劑等等。氦氣在衛(wèi)星飛船發(fā)射、導(dǎo)彈武器工業(yè)、低溫超導(dǎo)研究、半導(dǎo)體生產(chǎn)等方面具有重要用途。