Жидкий гелий

Жидкий гелий — это агрегатное состояние гелия, при котором он находится в жидкой фазе при температурах, близких к абсолютному нулю. Является единственным веществом, которое не переходит в твёрдое состояние при нормальном давлении даже при температурах, стремящихся к нулю Кельвина, оставаясь жидкостью вплоть до абсолютного нуля. Обладает рядом уникальных физических свойств, включая сверхтекучесть и аномально высокую теплопроводность в определённых фазах.

Физические свойства

Гелий — второй по распространённости элемент во Вселенной, однако на Земле он встречается преимущественно в виде газа в природном газе. Переход в жидкое состояние происходит при крайне низких температурах. Критическая температура гелия составляет 5,2 К (около −268 °C), а температура кипения при нормальном атмосферном давлении — 4,22 К (−268,93 °C). Плотность жидкого гелия при температуре кипения составляет около 0,125 г/см³, что значительно ниже плотности воды.

Изотопы и их различия

Жидкий гелий существует в двух основных изотопных формах:

• ⁴He — наиболее распространённый изотоп (гелий-4), ядро которого состоит из двух протонов и двух нейтронов. Его атомы являются бозонами (имеют целый спин), что приводит к явлению бозе-конденсации и сверхтекучести при температуре около 2,17 К.
• ³He — редкий изотоп (гелий-3), ядро которого содержит два протона и один нейтрон. Его атомы являются фермионами (имеют полуцелый спин). Сверхтекучесть ³He наступает при значительно более низких температурах — около 0,0025 К (2,5 мК), что объясняется образованием куперовских пар, аналогично механизму сверхпроводимости в металлах.

История открытия и изучения

Первое получение жидкого гелия датируется 1908 годом, когда нидерландский физик Хейке Камерлинг-Оннес в Лейденской лаборатории сумел сжижить гелий, достигнув температуры около 4,2 К. За это достижение он был удостоен Нобелевской премии по физике в 1913 году.

В 1937 году советский физик Пётр Леонидович Капица открыл явление сверхтекучести жидкого гелия-4 — его способность течь без вязкости через узкие капилляры и зазоры. Это открытие положило начало квантовой гидродинамике. Позднее, в 1941 году, теоретическое объяснение сверхтекучести дал Лев Давидович Ландау, за что также был удостоен Нобелевской премии (1962 год). Сверхтекучесть ³He была открыта в 1972 году американскими физиками Дугласом Ошеровым, Робертом Ричардсоном и Дэвидом Ли (Нобелевская премия 1996 года).

Фазы и сверхтекучесть

Гелий-4

При понижении температуры жидкий ⁴He претерпевает фазовый переход второго рода при температуре λ-точки (около 2,17 К). Выше этой температуры гелий находится в фазе He-I, которая ведёт себя как обычная вязкая жидкость. Ниже λ-точки гелий переходит в фазу He-II, которая обладает сверхтекучестью.

Ключевые свойства He-II:

• Сверхтекучесть: отсутствие вязкости при течении через узкие капилляры. Жидкость может самопроизвольно вытекать из сосуда по его стенкам (эффект «ползучей плёнки»).
• Аномальная теплопроводность: теплопроводность He-II в тысячи раз выше, чем у меди, что позволяет теплу распространяться в виде волн (второй звук).
• Фонтанирование: при нагреве He-II в сосуде с капилляром возникает фонтанный эффект — струя жидкости выбрасывается вверх.
• Механический эффект: при вращении сосуда с He-II возникают квантованные вихри.

Гелий-3

Жидкий ³He становится сверхтекучим при температурах порядка нескольких милликельвинов. В этой фазе он образует несколько различных сверхтекучих фаз (A, B, A1), характеризующихся сложной анизотропной структурой спаривания. Сверхтекучий ³He является модельной системой для изучения квантовых жидкостей и аналогов некоторых явлений в физике элементарных частиц и космологии.

Получение и хранение

Жидкий гелий получают в промышленных масштабах путём сжижения газообразного гелия, который добывается из природного газа. Процесс включает многоступенчатое сжатие, охлаждение и расширение газа (цикл Клода или цикл Линде). Современные установки позволяют получать жидкий гелий с производительностью от десятков до сотен литров в час.

Хранение жидкого гелия осуществляется в специальных криостатах — сосудах Дьюара, которые имеют вакуумную изоляцию и многослойную тепловую защиту. Даже в лучших криостатах происходит медленное испарение гелия (обычно 1–5% объёма в сутки). Для длительного хранения и транспортировки используются большие стационарные или транспортные криогенные ёмкости (танки).

Применение

Жидкий гелий играет ключевую роль в современной науке и технике:

• Криогенная техника: используется для охлаждения сверхпроводящих магнитов, применяемых в магнитно-резонансной томографии (МРТ), ускорителях частиц (например, Большой адронный коллайдер), ядерном магнитном резонансе (ЯМР) и установках термоядерного синтеза (токамаки).
• Фундаментальные исследования: является незаменимым хладагентом для экспериментов при сверхнизких температурах, включая изучение сверхпроводимости, квантовых эффектов, свойств конденсированного состояния и физики элементарных частиц.
• Космическая техника: используется для охлаждения инфракрасных и рентгеновских телескопов (например, телескоп «Спитцер», обсерватория «Планк»), а также для обеспечения работы детекторов в космических аппаратах.
• Промышленность: применяется в качестве хладагента для сверхпроводящих кабелей, криогенных насосов и в некоторых технологических процессах, требующих экстремально низких температур.

Интересные факты

• Жидкий гелий является единственной жидкостью, которая не замерзает при охлаждении до абсолютного нуля при нормальном давлении. Для перехода в твёрдое состояние требуется давление около 25 атмосфер.
• В фазе He-II жидкий гелий может образовывать «квантовые вихри» — нитевидные структуры, в которых сверхтекучая компонента вращается, а нормальная остаётся неподвижной.
• Из-за крайне низкой температуры жидкий гелий может вызвать мгновенное замерзание влаги и тканей при контакте, что требует строгих мер безопасности при работе с ним.
• В 2021 году в России был запущен крупнейший в Европе завод по производству жидкого гелия (ООО «Газпром гелий»), что значительно увеличило доступность этого ресурса для научных и медицинских нужд.

Источники

1. Капица П. Л. Сверхтекучесть жидкого гелия. — Успехи физических наук, 1944.
2. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. Часть 1. — М.: Наука, 1976.
3. Тилли Д. Р., Тилли Дж. Сверхтекучесть и сверхпроводимость. — М.: Мир, 1977.
4. Паттерсон Г. Физика низких температур. — М.: Мир, 1979.
5. Leggett A. J. Quantum Liquids: Bose condensation and Cooper pairing in condensed-matter systems. — Oxford University Press, 2006.
6. Wilks J. The Properties of Liquid and Solid Helium. — Oxford: Clarendon Press, 1967.