imported>Alex NB OT: замена имён и значений устаревшего неподдерживаемого InternetArchiveBot формата параметров доступности ссылок (2)

2025-07-16T10:12:33Z

замена имён и значений устаревшего неподдерживаемого InternetArchiveBot формата параметров доступности ссылок (2)

Новая страница

[[Файл:2 Helium.png|thumb|right|Жидкий гелий]]
'''Жи́дкий ге́лий''' — жидкое [[агрегатное состояние]] [[Гелий|гелия]]. Представляет собой бесцветную прозрачную жидкость, кипящую при температуре {{num|4.2|[[Кельвин|К]]}} (для [[Изотопы|изотопа]] [[Гелий-4|{{sup|4}}He]] при [[Стандартная атмосфера|нормальном атмосферном давлении]])<ref>{{книга
|заглавие = Химическая энциклопедия. В 5-ти тт.
|ответственный = Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.)
|место = М.
|издательство = Советская энциклопедия
|год = 1988
|том = 1
|страницы = 513—514
|страниц = 623
|isbn =
|тираж = 100000
}}</ref><ref>[http://window.edu.ru/window_catalog/pdf2txt?p_id=22744&p_page=3 Реперные точки ВПТШ-76]</ref>. [[Плотность]] жидкого гелия при температуре {{num|4.2|К}} составляет {{num|0.13|г/см³}}. Обладает малым [[Показатель преломления|показателем преломления]], из-за чего его трудно увидеть.

При определённых условиях жидкий гелий представляет собой [[квантовая жидкость|квантовую жидкость]], то есть жидкость, в макроскопическом объёме которой проявляются квантовые свойства составляющих её атомов. Из-за квантовых эффектов ([[нулевые колебания]]), при нормальном давлении гелий не затвердевает даже при [[Абсолютный нуль температуры|абсолютном нуле]]. [[Твёрдый гелий]] в α-фазе удаётся получить лишь при давлении выше {{num|25|[[Атмосфера (единица измерения)|атм]]}}.

== История исследований ==
История получения и исследований жидкого гелия тесно связана с историей развития [[Криогеника|криогеники]].
* В [[1898 год]]у [[Дьюар, Джеймс|Дьюаром]] получено около 20 см³ [[жидкий водород|жидкого водорода]].
* В 1906 году [[Камерлинг-Оннес, Хейке|Камерлинг-Оннес]] наладил линию полупромышленного получения жидкого водорода, дающую до {{num|4|литров}} в час.
* В 1908 году он же сумел добиться конденсации жидкого гелия в объёме {{num|0.06|литра}} ([[Нобелевская премия по физике]] за 1913 год). Для опыта потребовалось {{num|20|литров}} жидкого водорода, полученного при помощи линии, созданной двумя годами ранее. Низкие температуры, необходимые для конденсации гелия, были достигнуты при [[адиабатический процесс|адиабатическом]] [[дросселирование|дросселировании]] водорода (см. [[эффект Джоуля — Томсона]]).
* В 1930 году<ref>{{Cite web |url=http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/SVERHTEKUCHEST.html |title=Наука и техника: Физика / Сверхтекучесть |access-date=2009-11-26 |archive-date=2009-12-17 |archive-url=https://web.archive.org/web/20091217114636/http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/SVERHTEKUCHEST.html |url-status=live }}</ref> [[Кеезом, Виллем Хендрик|Виллем Хендрик Кеезом]] обнаружил наличие [[фазовый переход|фазового перехода]] в жидком гелии при температуре {{num|2.17|К}} и давлении насыщенных паров {{num|0.005|[[Мегапаскаль|МПа]]}}. Он назвал фазу, устойчивую выше температуры {{num|2.17|K}}, гелием-I, а фазу, устойчивую ниже этой температуры — гелием-II. Также он наблюдал связанные с этим аномалии в [[Теплопроводность|теплопроводности]] (и даже называл гелий-II «сверхтеплопроводным»), [[Теплоёмкость|теплоёмкости]], [[Текучесть|текучести]] гелия.
* В 1938 году [[Капица, Пётр Леонидович|П. Л. Капица]] открыл [[сверхтекучесть]] гелия-II (Нобелевская премия по физике за 1978 год). Квантовомеханическое объяснение явления было дано [[Ландау, Лев Давидович|Л. Д. Ландау]] в 1941 году ([[Нобелевская премия по физике]] за 1962 год).
* В 1948 году удалось сжижить и [[гелий-3]].
* В 1972 году в жидком гелии-3 также был обнаружен фазовый переход. Позже было экспериментально показано, что ниже {{num|2.6|мК}} и при давлении {{num|34|атм}} гелий-3 действительно становится сверхтекучим. ([[Нобелевская премия по физике]] за 2003 год.)

== Физические свойства ==
Физические свойства гелия сильно отличаются у изотопов {{sup|4}}He и {{sup|3}}He:
<center>
{| class="standard"
!colspan=2 align="left" |Свойство
!{{sup|4}}He
!{{sup|3}}He
|-
!colspan=2 align="left" |Температура плавления, К
|2,0 (при {{num|3.76|МПа}})
|1,0 (при {{num|3.87|МПа}})
|-
!colspan=2 align="left" |Температура кипения, К
|4,215
|3,19
|-
!colspan=2 align="left" |Минимальное давление плавления, атм
|25
|29 ({{num|0.3|K}})
|-
!colspan=2 align="left" |Плотность газообразного, кг/м³
|0,178
|0,134
|-
!colspan=2 align="left" |Плотность жидкого, кг/м³
|145 (при {{num|0|К}})
|82,35
|-
!rowspan=3 align="left" valign="top" |[[Критическая точка (термодинамика)|{{nobr|Крит. точка}}]] ||align="left" |''t''{{sub|крит}}, К
|5,25
|3,35
|-
!align="left" |''p''{{sub|крит}}, МПа
|0,23
|0,12
|-
!align="left" |''d''{{sub|крит}}, кг/м³
|69,3
|41,3
|}</center>

== Свойства гелия-4 ==
Жидкий гелий — [[бозе-жидкость]], то есть жидкость, частицы которой являются [[бозон]]ами.

Выше температуры {{num|2.17|К}} гелий-4 ведёт себя как обычная [[криожидкость]], то есть кипит, выделяя пузырьки газа. При достижении температуры {{num|2.17|К}} (при давлении паров {{num|0.005|МПа}} — так называемая [[Лямбда-точка|λ-точка]]) жидкий {{sup|4}}Не претерпевает [[фазовый переход]] [[Фазовые переходы второго рода|второго рода]], сопровождающийся резким изменением ряда свойств: [[теплоёмкость|теплоёмкости]], [[вязкость|вязкости]], [[плотность|плотности]] и других. В жидком гелии при температуре ниже температуры перехода одновременно сосуществуют две фазы, {{nobr|Не I}} и {{nobr|Не II}}, с сильно различающимися свойствами. Состояние жидкости в фазе гелия-II в некоторой степени аналогично состоянию [[Конденсат Бозе — Эйнштейна|бозе-конденсата]] (однако, в отличие от конденсата атомов разреженного газа, взаимодействие между атомами гелия в жидкости достаточно сильно, поэтому теория бозе-конденсата неприменима впрямую к гелию-II).

=== Сверхтекучесть и сверхтеплопроводность ===
[[Файл:Phase diagram of Helium-4-ru.svg|thumb|right|[[Фазовая диаграмма]] гелия-4]]
Фазовый переход в гелии хорошо заметен, он проявляется в том, что [[кипение]] прекращается, жидкость становится совершено прозрачной. [[Испарение]] гелия, конечно, продолжается, но оно идёт исключительно с поверхности. Различие в поведении объясняется необычайно высокой теплопроводностью сверхтекучей фазы (во много миллионов раз выше, чем у {{nobr|Не I}}). При этом вязкость нормальной фазы остаётся практически неизменной, что следует из измерений вязкости методом колеблющегося диска. С увеличением давления температура перехода смещается в область более низких температур. Линия разграничения этих фаз называется λ-линией.

Для {{nobr|He II}} характерна [[сверхтекучесть]] — способность протекать без трения через узкие (диаметром менее {{num|100|нм}}) [[капилляр]]ы и щели. Относительное содержание {{nobr|He II}} растет с понижением температуры и достигает 100 % при абсолютном нуле температуры — с этим были связаны попытки получения сверхнизких температур путём пропускания жидкого гелия через очень тонкий капилляр, через который пройдет только сверхтекучая компонента. Однако за счёт того, что при близких к абсолютному нулю температурах теплоёмкость также стремится к нулю, добиться существенных результатов не удалось — за счёт неизбежного нагрева от стенок капилляра и излучения.

За счёт сверхтекучести и достигается аномально высокая теплопроводность жидкого гелия — [[теплопередача]] идёт не за счёт [[Теплопроводность|теплопроводности]], а за счёт [[Конвекция|конвекции]] сверхтекучей компоненты в противоток нормальной, которая переносит тепло (сверхтекучая компонента не может переносить тепло). Это свойство открыто в 1938 году [[Капица, Пётр Леонидович|П. Л. Капицей]].

{{цитата|Гелия в промежуточном состоянии между этими двумя в природе не существует: либо он при абсолютном нуле, либо он в другом состоянии, нормальном. Гелий в сверхтекучем состоянии не может давить на заслонку, и вообще сверхтекучая жидкость не может производить никакого давления, так как это жидкость, вязкость которой равняется нулю, — мы её динамическими методами обнаружить не можем.|автор=[[Капица, Пётр Леонидович|П. Л. Капица]]<ref name="vivovoco">{{Cite web |url=http://vivovoco.astronet.ru/VV/PAPERS/NATURE/HELIUM.HTM |title=Академик П. Л. Капица, «Свойства жидкого гелия» |access-date=2014-05-18 |archive-date=2016-02-21 |archive-url=https://web.archive.org/web/20160221034222/http://vivovoco.astronet.ru/VV/PAPERS/NATURE/HELIUM.HTM |url-status=live }}</ref>}}

=== Второй звук ===
{{main|Второй звук в жидком гелии}}
За счёт одновременного наличия двух фаз в жидком гелии, имеется две [[Скорость звука|скорости звука]] и специфическое явление — так называемый «[[Второй звук в жидком гелии|второй звук]]». Второй звук — слабозатухающие колебания [[температура|температуры]] и [[энтропия|энтропии]] в сверхтекучем гелии. Скорость распространения второго звука определяется из уравнений [[Гидродинамика|гидродинамики]] сверхтекучей жидкости в [[Двухжидкостная модель гелия-II|двухкомпонентной модели]]. Если пренебречь [[Коэффициент теплового расширения|коэффициентом теплового расширения]] (который у гелия аномально мал), то в волне второго звука осциллируют только [[температура]] и [[энтропия]], а [[плотность]] и [[давление]] остаются постоянными. Распространение второго звука не сопровождается переносом вещества.

Второй звук можно также интерпретировать как колебания концентрации [[квазичастица|квазичастиц]] в сверхтекучем гелии. В чистом {{sup|4}}He это колебания в системе [[ротон]]ов и [[фонон]]ов.

Существование второго звука было предсказано теоретически [[Ландау, Лев Давидович|Ландау]]; расчётное значение равнялось {{num|25|м/с}}. Фактически измеренное значение составляет {{num|19.6|м/с}}<ref name="vivovoco"/>.

== Свойства гелия-3 ==
[[Файл:Phasendiagramm He3log-ru.svg|thumb|300px|Фазовая диаграмма гелия-3]]
[[Файл:Helium phase diagram-ru.svg|thumb|300px|Фазовая диаграмма раствора гелия-3 в гелии-4]]
Жидкий гелий-3 — это [[ферми-жидкость]], то есть жидкость, частицы которой являются [[фермион]]ами. В таких системах сверхтекучесть может осуществляться при определённых условиях, когда между фермионами имеются силы притяжения, которые приводят к образованию связанных состояний пар фермионов — так называемых [[Куперовская пара|куперовских пар]] (эффект [[Купер, Леон|Купера]]).

Куперовская пара обладает целым спином, то есть ведёт себя как [[бозон]]; поэтому вещество, состоящее из объединённых в куперовские пары фермионов, может переходить в состояние, подобное [[Конденсат Бозе — Эйнштейна|бозе-конденсату]]. Сверхтекучесть такого рода осуществляется для электронов в некоторых металлах и носит название [[сверхпроводимость|сверхпроводимости]].

Аналогичная ситуация имеет место в жидком {{sup|3}}He, атомы которого имеют [[спин]] ½ и образуют типичную квантовую ферми-жидкость. Свойства жидкого гелия-3 можно описать как свойства газа квазичастиц-[[фермион]]ов с [[Эффективная масса|эффективной массой]] примерно в {{num|3|раза}} большей, чем масса атома {{sup|3}}He. Силы притяжения между квазичастицами в {{sup|3}}He очень малы, лишь при температурах порядка нескольких милликельвинов в {{sup|3}}He создаются условия для образования куперовских пар квазичастиц и возникновения сверхтекучести. Открытию сверхтекучести у {{sup|3}}He способствовало освоение эффективных методов получения низких температур — [[Эффект Померанчука|эффекта Померанчука]] и [[Адиабатическое размагничивание|магнитного охлаждения]]. С их помощью удалось выяснить характерные особенности диаграммы состояния {{sup|3}}He при сверхнизких температурах.

Переход нормальной ферми-жидкости в {{nobr|фазу А}} представляет собой [[фазовый переход]] {{nobr|II рода}} ([[теплота фазового перехода]] равна нулю). В {{nobr|фазе A}} образовавшиеся куперовские пары обладают {{nobr|спином 1}} и отличным от нуля [[Момент импульса|моментом импульса]]. В ней могут возникать области с общими для всех пар направлениями спинов и моментов импульса. Поэтому {{nobr|фаза А}} является [[Анизотропия|анизотропной]] жидкостью. В магнитном поле {{nobr|фаза А}} расщепляется на две фазы (A{{sub|1}} и A{{sub|2}}), каждая из которых также является анизотропной. Переход из сверхтекучей {{nobr|фазы А}} в сверхтекучую {{nobr|фазу В}} является фазовым переходом {{nobr|I рода}} с теплотой перехода около {{nobr|1,5{{e|−6}} дж/моль}}. [[Магнитная восприимчивость]] {{sup|3}}He при переходе А→В скачком уменьшается и продолжает затем уменьшаться с понижением температуры. {{nobr|Фаза В}} является, по-видимому, изотропной.

== Хранение и транспортировка ==
Как и другие криожидкости, гелий хранят в [[Сосуд Дьюара|сосудах Дьюара]]. Гелий в них всегда хранится под небольшим давлением — за счёт естественного испарения жидкости. Это позволяет в случае небольшой негерметичности не допустить загрязнения гелия. Избыточное давление стравливается через [[регулирующий клапан|клапан]]. На практике, так как гелий достаточно дорог, то, чтобы не выпускать газ в атмосферу, на головной части дьюара размещается соединительная часть для подсоединения дьюара к гелиевой сети, по которой газообразный гелий собирается для повторного использования. Как правило, на этом же узле крепится [[манометр]] для контроля давления и [[предохранительный клапан|аварийный клапан]].

Гелиевые дьюары переворачивать нельзя, для переливания содержимого применяют специальные [[Сифон (техника)|сифоны]].

Гелий имеет очень низкую [[Удельная теплота парообразования и конденсации|теплоту испарения]] (в {{num|20|раз}} меньше, чем у водорода), но зато высокую [[теплопроводность]]. Поэтому к качеству теплоизоляции гелиевых дьюаров предъявляются высокие требования. При повреждении вакуумной изоляции жидкость так бурно вскипает, что дьюар может взорваться. Как правило, для снижения потерь гелия на испарение используется «азотная рубашка» — непосредственно в вакуумной полости сосуда Дьюара расположена ещё одна оболочка, которая охлаждается кипящим [[Жидкий азот|жидким азотом]] (температура {{num|77|К}}). За счёт этого удается существенно сократить теплообмен между гелием и атмосферой.

Жидкий гелий перевозят в специальных транспортных сосудах, выпускаемыми промышленно. В СССР и позднее в России выпускались сосуды типа СТГ-10, СТГ-25, СТГ-40 и СТГ-100 ёмкостью 10, 25, 40 и {{num|100 литров}}, соответственно. Эти сосуды широко используются в российских лабораториях и в настоящее время. Сосуды с жидким гелием должны транспортироваться и храниться в вертикальном положении.

== Применение жидкого гелия ==
[[Файл:Modern 3T MRI.JPG|thumb|right|Современный [[Ядерный магнитный резонанс|ЯМР]]-[[томограф]]. Для охлаждения сверхпроводящих [[магнит]]ов в нём используется жидкий гелий.]]
Жидкий гелий применяется в качестве [[Холодильный агент|хладагента]] для получения и поддержания низких и сверхнизких температур (в основном в научных исследованиях):
* охлаждение [[Сверхпроводимость|сверхпроводящих]] магнитов в различных научных, технических и медицинских устройствах, к примеру:
** [[Ускоритель заряженных частиц|ускорители заряженных частиц]]
*** В [[Большой адронный коллайдер|Большом адронном коллайдере]] в ЦЕРНе используется {{num|96|тонн}} жидкого гелия для охлаждения 1624 сверхпроводящих магнитов до температуры {{num|1.9|K}}<ref>LHC Guide booklet «CERN — LHC: Facts and Figures». CERN. Guide booklet</ref>
** детекторы инфракрасного и высокочастотного излучения, [[СКВИД|сквид-магнетометры]];
** [[Сканирующий туннельный микроскоп|сканирующие туннельные микроскопы]];
* использование в криостатах растворения{{прояснить}};
* криогенные электрические машины{{прояснить}}.

== Примечания ==
{{примечания}}

== Ссылки ==

=== Научно-популярные ресурсы ===
* [http://vivovoco.astronet.ru/VV/PAPERS/NATURE/HELIUM.HTM Свойства жидкого гелия] — доклад академика П. Л. Капицы, «Природа», N12, 1997.

=== Книги, обзорные статьи ===
* [http://ufn.ru/ufn04/ufn04_11/Russian/nob0411d.pdf Сверхтекучий {{sup|3}}He: ранняя история глазами теоретика] — нобелевская лекция {{nobr|Э. Дж. Леггетта}}, УФН, т. 174, № 11, 2003 г.
* ''{{nobr|Воловик Г.}}'', [http://boojum.hut.fi/personnel/THEORY/volovik.html «Universe in a helium droplet»], Oxford University Press, 2004, 529 стр., книга доступна на сайте автора (PDF, 3,5 Мб).

[[Категория:Физика низких температур]]
[[Категория:Сжиженные газы|Гелий]]
[[Категория:Гелий]]
[[Категория:Криоагенты]]

Жидкий гелий - История изменений

imported>Alex NB OT: замена имён и значений устаревшего неподдерживаемого InternetArchiveBot формата параметров доступности ссылок (2)