הליום נוזלי
בלחץ סטנדרטי, היסוד הכימי הליום קיים בצורתו הנוזלית רק בטמפרטורה נמוכה מאד של כ־269- מעלות צלזיוס (כ־4 מעלות קלווין). נקודת הרתיחה והנקודה הקריטית שלו תלויים באיזה איזוטופ של הליום: האיזוטופ הנפוץ הליום-4 או האיזוטופ הנדיר יותר הליום-3. אלה הם שני איזוטופים יציבים היחידים של הליום. לפירוט ערכים פיזיקליים אלה ראה בטבלה להלן. הצפיפות של הליום-4 נוזלי בנקודת הרתיחה שלו ובלחץ של אטמוספירה אחת (101.3 קילופסקל) היא בערך 0.125 גרם לסמ״ק, או כשמינית מצפיפות של מים נוזליים.[1]
ניזול
הליום נוזל לראשונה ב־10 ביולי 1908, על ידי הפיזיקאי ההולנדי האיקה קמרלינג אונס מאוניברסיטת ליידן בהולנד.[2] באותו הזמן, הליום-3 לא היה ידוע כיוון שספקטרומטר המסה עדיין לא הומצא. בעשורים האחרונים, הליום נוזלי משמש כנוזל קירור קריוגני, ומיוצר באופן מסחרי לשימוש במגנטים מוליכי-על כמו אלה המשמשים בדימות תהודה מגנטית (MRI), תהודה מגנטית גרעינית (NMR), מגנטואנצפלוגרפיה (MEG) וניסויים בפיזיקה, כגון ספקטרוסקופיית מסבאואר בטמפרטורה נמוכה.
מאפיינים
הטמפרטורה הנדרשת לייצור הליום נוזלי נמוכה בגלל חולשת האטרקציות בין אטומי ההליום. כוחות־בין־אטומיים אלה, בהליום, חלשים מלכתחילה כיוון שהליום הוא גז אציל, אבל האטרקציות בין האטומיים פוחתות עוד יותר על ידי השפעות קוונטיות. השפעות אלה משמעותיות בהליום בגלל המסה האטומית הנמוכה – כארבע יחידות מסה אטומית. אנרגיית נקודת האפס של ההליום הנוזלי נמוכה יותר אם האטומים שלו פחות מוגבלים על ידי שכניהם. לפיכך, בהליום הנוזלי, אנרגיית מצב היסוד שלו יכולה לקטון על ידי גידול טבעי במרחק הבין־אטומי הממוצע שלו. עם זאת, במרחקים גדולים יותר, ההשפעות של הכוחות הבין־אטומיים בהליום אפילו חלשות יותר.[3]
בגלל הכוחות הבין אטומיים החלשים במיוחד בהליום, יסוד זה נשאר נוזלי בלחץ אטמוספירי החל מנקודת העיבוי שלו ועד האפס המוחלט ולא מתמצק. הליום נוזלי מתגבש רק בטמפרטורות נמוכות במיוחד בשילוב לחצים גדולים. בטמפרטורות מתחת לנקודות העיבוי שלהם, הן הליום-4 והן הליום-3 עוברים מעבר פאזה לנוזל־על. (ראה טבלה למטה).[3]
הליום-4 נוזלי והליום-3, הנדיר, אינם לגמרי־ניתנים־לערבוב (כלומר, לא מתמוססים בכול יחס).[4] מתחת 0.9 קלווין בלחץ האדים הרוויים שלהם, תערובת של שני איזוטופים עוברת הפרדת פאזות לנוזל רגיל (בעיקר הליום-3), אשר צף על נוזל־על צפוף המורכב בעיקר מהליום-4.[דרוש מקור] הפרדת פאזות זו קורת כיוון שעל ידי כך האנתלפיה הכוללת של הליום נוזלי יורדת.
בטמפרטורות נמוכות מאוד, פאזת הנוזל־על עשירה בהליום-4 ויכול להכיל עד 6% של הליום-3 בתמיסה. זה מאפשר את השימוש בקרור דילול (אנ'), אשר מסוגל להגיע לטמפרטורות של כמה מיקרו־קלווין.[4][5]
להליום-4 על-נוזלי יש תכונות שונות באופן משמעותי מן ההליום הנוזלי הרגיל.
נתונים
| תכונות ההליום הנוזלי | הליום-4 | הליום-3 |
|---|---|---|
| טמפרטורה קריטית[3] | 5.2 K | 3.3 K |
| נקודת רתיחה באטמוספירה אחת[3] | 4.2 K | 3.2 K |
| לחץ התכה מינימלי[6] | 25 אטמ׳ | 29 אטמ׳, ב־0.3K |
| טמפרטורת המעבר לנוזל־על בלחץ אדים רווי | 2.17 K[7] | 1mK בהיעדר שדה מגנטי[8] |
תמונות
-
נוזלי הליום (בבקבוק ואקום) ב־4.2K וְ־1 אטמ׳, רותחים לאט. -
נקודת המעבר למדה: כשהנוזל המקורר הוא ב־2.17K, הוא רותח בבת אחת ובאופן מוגבר ונמרץ. -
פאזת נוזל־העל בטמפרטורה מתחת 2.17K – במצב זה, המוליכות התרמית גבוהה ביותר. עקב כך, החום בגוף הנוזל מועבר לפני השטח מידית ואידוי מתרחש רק מפני השטח של הנוזל. לכן אין בועות גז בגוף הנוזל.
ראו גם
לקריאה נוספת
- J. Wilks (1967). The Properties of Liquid and Solid Helium. Oxford: Clarendon Press. ISBN 0-19-851245-7.
- Freezing Physics: Heike Kamerlingh Onnes and the Quest for Cold, Van Delft Dirk (2007). Edita - The Publishing House Of The Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences. מסת"ב 978-90-6984-519-7.
קישורים חיצוניים
- He-3 and He-4 phase diagrams, etc.
- Helium-3 phase diagram, etc.
- Onnes's liquifaction of helium
- Kamerlingh Onnes's 1908 article, online and analyzed on BibNum [for English analysis, click 'à télécharger']
הערות שוליים
- ^ "The Observed Properties of Liquid Helium at the Saturated Vapor Pressure". University of Oregon. 2004.
- ^ Wilks, p. 7
- ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 Wilks, p. 1.
- ^ 4.0 4.1 D. O. Edwards; D. F. Brewer; P. Seligman; M. Skertic; M. Yaqub (1965). "Solubility of He3 in Liquid He4 at 0°K". Phys. Rev. Lett. 15 (20): 773. Bibcode:1965PhRvL..15..773E. doi:10.1103/PhysRevLett.15.773.
- ^ Wilks, p. 244.
- ^ Wilks, pp. 474–478.
- ^ Wilks, p. 289.
- ^ Dieter Vollhart; Peter Wölfle (1990). The Superliquid Phases of He 3. Taylor and Francis. p. 3.