Гелий-4

Гелий-4 — это стабильный изотоп гелия, атомное ядро которого состоит из двух протонов и двух нейтронов. Является наиболее распространённым изотопом гелия в природе, составляя более 99,99986 % всего гелия на Земле и во Вселенной. Гелий-4 относится к классу инертных газов, обладает уникальными квантовыми свойствами при сверхнизких температурах, в частности, переходит в состояние сверхтекучести, что делает его важнейшим объектом изучения в физике конденсированного состояния.

История открытия и изучения

Гелий был впервые обнаружен в 1868 году французским астрономом Пьером Жансеном и независимо от него британским астрономом Норманом Локьером при спектроскопическом анализе солнечной короны. Элемент получил название от греческого «гелиос» (Солнце). Изотопный состав гелия долгое время оставался неразличимым, пока в 1907 году американский физик Эрнест Резерфорд и британский химик Фредерик Содди не установили, что альфа-частицы, испускаемые радиоактивными элементами, представляют собой ядра гелия-4.

В 1911 году нидерландский физик Хейке Камерлинг-Оннес впервые получил жидкий гелий-4, а в 1937 году советский физик Пётр Капица открыл явление сверхтекучести жидкого гелия-4, за что в 1978 году был удостоен Нобелевской премии. Дальнейшие исследования, проведённые Львом Ландау, Алексеем Абрикосовым и другими учёными, привели к созданию теории сверхтекучести.

Физические свойства

Атомная структура

Ядро гелия-4 (альфа-частица) состоит из двух протонов и двух нейтронов, что делает его одним из самых устойчивых ядер в природе. Энергия связи на нуклон у гелия-4 составляет около 7,07 МэВ, что выше, чем у большинства других лёгких ядер. Электронная оболочка содержит два электрона, образующих полностью заполненную 1s-орбиталь, что объясняет химическую инертность газа.

Термодинамические свойства

Гелий-4 — одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха. Его температура кипения при нормальном атмосферном давлении составляет 4,22 К (−268,93 °C), что делает его вторым по низкой температуре кипения веществом после гелия-3. Температура плавления при давлении 25 атм составляет около 1,0 К. Критическая температура — 5,19 К, критическое давление — 2,27 атм.

Сверхтекучесть

При понижении температуры ниже точки λ (2,17 К) жидкий гелий-4 переходит в сверхтекучее состояние (He-II). В этом состоянии его вязкость становится практически нулевой, а теплопроводность — аномально высокой. Сверхтекучий гелий-4 обладает рядом уникальных свойств:

• Эффект фонтана (термомеханический эффект): при нагревании сверхтекучего гелия в капилляре возникает разность давлений, вызывающая выброс жидкости.
• Способность протекать через микроскопические отверстия (сверхтекучее течение).
• Образование квантовых вихрей — квантованных циркуляций сверхтекучей жидкости.

Сверхтекучесть гелия-4 объясняется бозе-эйнштейновской конденсацией атомов, которые являются бозонами (целый спин ядра, равный 0). При температуре ниже точки λ значительная часть атомов переходит в единое квантовое состояние, что и приводит к макроскопическим квантовым эффектам.

Фазовая диаграмма

Жидкий гелий-4 существует в двух фазах: нормальной (He-I) при температурах от 4,22 К до 2,17 К и сверхтекучей (He-II) ниже 2,17 К. Твёрдая фаза гелия-4 образуется только при давлениях выше 25 атм и температурах ниже 1,0 К. При атмосферном давлении гелий-4 остаётся жидким вплоть до абсолютного нуля, не кристаллизуясь.

Распространённость и происхождение

Во Вселенной

Гелий-4 является вторым по распространённости элементом во Вселенной после водорода. По оценкам, на его долю приходится около 24 % массы барионной материи. Основная часть гелия-4 образовалась в первые три минуты после Большого взрыва в ходе первичного нуклеосинтеза. В звёздах гелий-4 синтезируется из водорода в протон-протонном цикле и CNO-цикле, а также образуется при альфа-распаде тяжёлых радиоактивных элементов.

На Земле

В земной атмосфере содержание гелия-4 составляет около 5,24 ppm (0,000524 % по объёму). Основные источники гелия-4 на Земле — альфа-распад урана и тория в земной коре, а также выделение из мантии. Промышленная добыча гелия-4 ведётся из природного газа, где его концентрация может достигать 7 % (например, в месторождениях США, Катара, Алжира и России). Крупнейшие запасы гелия-4 в России сосредоточены в Оренбургском и Иркутском газоконденсатных месторождениях.

Применение

Криогенная техника

Гелий-4 широко используется в качестве хладагента для достижения сверхнизких температур. Его низкая температура кипения позволяет охлаждать сверхпроводящие магниты в МРТ-томографах, ускорителях частиц (например, в Большом адронном коллайдере) и экспериментальных термоядерных реакторах (токамаках, стеллараторах). В России гелий-4 применяется в криогенных системах Института ядерных исследований РАН и Курчатовского института.

Научные исследования

Сверхтекучий гелий-4 служит уникальной средой для изучения квантовых явлений, таких как квантовые вихри, квантовая турбулентность и бозе-эйнштейновская конденсация. Эксперименты с гелием-4 проводятся в лабораториях низких температур по всему миру, включая Институт физических проблем имени П. Л. Капицы в Москве.

Промышленность

Гелий-4 используется в газовой хроматографии в качестве газа-носителя, в сварочных процессах (для защиты зоны сварки от окисления), в производстве полупроводников и оптоволокна, а также в качестве наполнителя для аэростатов и дирижаблей (в смеси с гелием-3 или азотом).

Медицина

В медицинской диагностике жидкий гелий-4 применяется для охлаждения сверхпроводящих магнитов в магнитно-резонансных томографах. В некоторых странах используется гелиево-кислородная смесь (гелиокс) для лечения респираторных заболеваний, однако в России это применение ограничено.

Сравнение с гелием-3

Гелий-4 и гелий-3 — два стабильных изотопа гелия, различающиеся числом нейтронов (2 у гелия-4, 1 у гелия-3). Основные отличия:

Гелий-4, будучи бозоном, переходит в сверхтекучее состояние при значительно более высокой температуре, чем гелий-3, что делает его более доступным для экспериментов и практического применения.

Критика и ограничения

Основные ограничения использования гелия-4 связаны с его дефицитом и высокой стоимостью добычи. Запасы гелия-4 на Земле истощаются, так как он является невозобновляемым ресурсом, образующимся в результате радиоактивного распада. В 2010-х годах наблюдался глобальный гелиевый кризис, вызванный сокращением добычи в США и ростом спроса. В России в 2021 году был запущен Амурский газоперерабатывающий завод, который должен стать крупнейшим производителем гелия-4 в мире, однако его выход на полную мощность задерживается.

Кроме того, гелий-4 обладает низкой теплотой испарения, что требует больших объёмов для охлаждения крупных сверхпроводящих систем. В некоторых применениях (например, в термоядерных реакторах) его заменяют на гелий-3, который обладает более высокими термодинамическими свойствами, но значительно дороже.

Источники

1. Капица П. Л. Сверхтекучесть жидкого гелия // Успехи физических наук. — 1938. — Т. 19, № 1.
2. Ландау Л. Д. Теория сверхтекучести гелия II // Журнал экспериментальной и теоретической физики. — 1941. — Т. 11.
3. Доннелли Р. Дж. Квантовая турбулентность в сверхтекучем гелии // Успехи физических наук. — 1993. — Т. 163, № 10.
4. Кеезом В. Гелий. — М.: Издательство иностранной литературы, 1949.
5. Тилли Д. Р., Тилли Дж. Сверхтекучесть и сверхпроводимость. — М.: Мир, 1977.
6. Государственный доклад «О состоянии и использовании минерально-сырьевых ресурсов Российской Федерации» (2022). — М.: Министерство природных ресурсов и экологии РФ.
7. Wilks J. The Properties of Liquid and Solid Helium. — Oxford: Clarendon Press, 1967.