液態氦
| 液態氦 |
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中文名稱；液氦 外文名稱；liquid helium 本質；氦的液化體 |
液態氦是氦的液化體。無色透明，無臭無味。它可獲得mK級的超低溫，是一種最主要的低溫源。具有性質:如在常壓下永遠不會凝成固體，沒有三相點，只有當壓力超過2.5MPa後才出現固相;存在入相變現象，在入點(2.172K)處比熱、密度等都有突變;存在超流性、爬行膜現象和超導熱性，粘滯係數接近於零。[1]
氦單質在極低溫度下由氣態氦轉變為液態氦。由於氦原子間的相互作用(范德華力)和原子質量都很小，很難液化，更難凝固。富同位素He的氣液相變曲線的臨界溫度和臨界壓強分別為5.20K和2.26大氣壓，一個標準大氣壓下的溫度為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，不會凝固，只有在大於25大氣壓時才出現固態。
在2.18K時會有明顯的性質改變，如獲得超流性，被稱作He II，來與普通的液氦(He I)區別開。
目錄
物理性質
內容簡介
氦在通常情況下為無色、無味的氣體;熔點-272.2℃(25個大氣壓)，沸點-268.785℃;密度0.1785g/L，臨界溫度-267.8℃，臨界壓力2.26大氣壓;水中溶解度8.61cm/kg水。氦是唯一不能在標準大氣壓下固化的物質。液態氦在溫度下降至2.18K時(HeⅡ)，性質發生突變，成為一種超流體，能沿容器壁向上流動，熱傳導性為銅的800倍;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0.125g/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He包括性質不同的兩個相，分別稱為HeⅠ和HeⅡ，在兩個相之間的轉變溫度處，液氦的密度、電容率和比熱容均呈現反常的增大。兩個液相HeⅠ和HeⅡ間的轉變溫度稱為λ點，飽和蒸氣壓下的λ點為2.172K，壓強增加時，λ點移向較低的溫度，兩個液相的相變曲線為一直線，稱為λ線。
超流體
液氦具有一系列引人注目的特點，主要表現在以下幾方面。
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，其數值約為3×10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點以下的溫度時立刻降至非常小的值(<10帕秒)，這種幾乎沒有粘滯性的特性稱為超流動性。用粗細不同的毛細管做實驗時，發現流管愈細，超流動性就愈明顯，在直徑小於10cm的流管中，流速與壓強差和流管長度幾乎無關，而僅取決於溫度，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儘可能低的位置移動。將空的燒杯部分地浸於HeⅡ中時，燒杯外的液氦將沿燒杯外壁爬上杯口，並進入杯內，直至杯內和杯外液面持平。反之，將盛有液氦的燒杯提出液氦面時，杯內液氦將沿器壁不斷轉移到杯外並滴下。液氦的這種轉移的速率與液面高度差、路程長短和障壁高度無關。
對HeⅡ性質的理論研究首先由F.倫敦作出。He原子是自旋為整數的玻色子，倫敦把HeⅡ看成是由玻色子組成的玻色氣體，遵守玻色統計規律，玻色統計允許不同粒子處於同一量子態中。倫敦證明了存在一個臨界溫度Tc，當溫度低於Tc時，一些粒子會同時處於零點振動能狀態(即基態)，稱為凝聚，溫度愈低，凝聚到零點振動能狀態的粒子數就愈多，在絕對零度時，全部粒子都凝聚到零點振動能狀態，以上現象稱為玻色-愛因斯坦凝聚。L.蒂薩認為HeⅡ的超流動性起因於玻色-愛因斯坦凝聚。由於已凝聚到基態的HeⅡ原子具有最低的零點振動能，故有極大的平均自由程，能夠幾乎無阻礙地通過極細的毛細管。蒂薩首先提出二流體型，後來L.D.朗道修正和補充了此模型。二流體模型認為HeⅡ由兩部分獨立的、可互相滲透的流體組成，一種是處於基態的凝聚部分，熵等於零，無粘滯性，是超流體;另一種是處於激發態(未凝聚)的正常流體，熵不等於零，有粘滯性。兩種流體的密度之和等於HeⅡ的總密度，溫度降至λ點時，正常流體開始部分地轉變為超流體，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，所有原子都處於凝聚狀態，全部流體均為超流體。利用這個二流體模型可解釋關於液氦的許多力學和熱學性質。
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