A hélium a nemesgázok csoportjába tartozik. A folyékony hélium a világ leghidegebb folyadéka. Ebben az aggregált állapotban számos egyedi tulajdonsággal rendelkezik, mint például a szuperfolyékonyság és a szupravezetés. Tulajdonságairól később többet megtudunk.
Héliumgáz
A hélium egy egyszerű anyag, amely gáz halmazállapotban széles körben elterjedt az Univerzumban. Mengyelejev periódusos rendszerében ő a második, és közvetlenül a hidrogén után van. Inert vagy nemesgázokra utal.
Az elem neve "Ő". Az ógörögből a neve „Nap”-ot jelent. Először azt feltételezték, hogy fém. Kiderült azonban, hogy ez egy monoatomi gáz. A hélium a második legkönnyebb vegyszer, íztelen, színtelen és szagtalan. A legalacsonyabb forrásponttal rendelkezik.
Normál körülmények között ideális gáz. A gázhalmazállapoton kívül szilárd és folyékony halmazállapotú is lehet. Tehetetlensége más anyagokkal való inaktív kölcsönhatásban nyilvánul meg. Vízben gyakorlatilag nem oldódik. Ipari célokra a földgázból nyerik ki, leválasztva a szennyeződésektőlerős hűtés használatával.
A gáz veszélyes lehet az emberre. Koncentrációjának növekedése a levegőben oxigénhiányhoz vezet a vérben, amit az orvostudományban oxigénéhezésnek neveznek. Nagy mennyiségben lenyelve hányást, eszméletvesztést és néha halált okoz.
Hélium cseppfolyósítása
Bármely gáz bizonyos körülmények között folyékony halmazállapotúvá válhat. A cseppfolyósítást általában az iparban és a tudományos kutatásban használják. Egyes anyagok esetében elegendő egyszerűen növelni a nyomást. Mások, például a hélium, csak lehűléskor válnak folyékonnyá.
Ha a gáz hőmérséklete a kritikus pont felett van, akkor a nyomástól függetlenül nem fog lecsapódni. A hélium kritikus pontja 5,19 Kelvin, a 3He izotóp esetében pedig 3,35 K.
A folyékony hélium szinte tökéletes folyadék. A felületi feszültség, viszkozitás hiánya jellemzi. A nyomás és a hőmérséklet megváltoztatása után a térfogata változatlan marad. A folyékony hélium feszültsége rendkívül alacsony. Az anyag színtelen és erősen folyékony.
A folyékony hélium tulajdonságai
A hélium folyékony állapotban rosszul megkülönböztethető, mert gyengén töri meg a fénysugarakat. Bizonyos körülmények között a kvantumfolyadék tulajdonságaival rendelkezik. Emiatt normál nyomáson még -273,15 Celsius (abszolút nulla) hőmérsékleten sem kristályosodik ki. Az összes többi ismert anyag ilyen körülmények között megszilárdul.
Az a hőmérséklet, amelyen a folyékony hélium forrni kezd, -268,9 Celsius-fok. Izotópjainak fizikai tulajdonságai jelentősen eltérnek egymástól. Például a hélium-4 forráspontja 4,215 K.
Ez egy Bose folyadék, amelyet 2 172 Kelvin és az alatti hőmérsékleten a fázisátalakulások jellemeznek. A He II fázist szuperfolyékonyság és szupertermikus vezetőképesség jellemzi. A fázis alatti hőmérsékleten a He I és a He II egyszerre lép fel, aminek köszönhetően két hangsebesség jelenik meg a folyadékban.
A hélium-3 egy Fermi folyadék. Forráspontja 3,19 Kelvin. Egy izotóp csak nagyon alacsony hőmérsékleten (néhány millikelvin) képes szuperfolyékonyságot elérni, ha a részecskéi között kellő vonzás van.
Hélium szuperfolyékonyság
A tudomány a szuperfolyékonyság fogalmának tanulmányozását S. P. Kapitsa és L. D. Landau akadémikusoknak köszönheti.
Az akadémikus arra a következtetésre jutott, hogy miután a hélium hőmérséklete 2172 K alá esik, az anyag a normál állapot fázisából egy teljesen új fázisba, az úgynevezett hélium-II-be kerül. Ebben a fázisban az anyag a legkisebb súrlódás nélkül áthalad a kapillárisokon és keskeny lyukakon. Ezt az állapotot "szuperfolyékonyságnak" nevezik.
1941-ben Landau L. D. folytatta a folyékony hélium tulajdonságainak tanulmányozását, és kidolgozta a szuperfolyékonyság elméletét. Magyarázd elkvantum módszerekkel vette fel, a gerjesztések energiaspektrumának fogalmát alkalmazva.
Hélium alkalmazások
A hélium elemet 1868-ban fedezték fel a Nap spektrumában. A Földön William Ramsay fedezte fel 1895-ben, majd sokáig tanulmányozták, és nem használták a gazdasági szférában. Az ipari tevékenység során az első világháború idején kezdték használni léghajók üzemanyagaként.
A gázt aktívan használják csomagolásra az élelmiszeriparban, a fémek olvasztása során. A geológusok a földkéreg hibáinak észlelésére használják. A folyékony héliumot főként hűtőközegként használják, amely ultraalacsony hőmérsékletet képes fenntartani. Ez a tulajdonság a tudományos kutatáshoz szükséges.
A hűtőfolyadékot kriogén elektromos gépekben, pásztázó alagútmikroszkópokban, orvosi NMR-tomográf készülékekben, töltött részecskegyorsítókban használják.
Következtetés
A hélium inert vagy nemesgáz, amely más anyagokkal való kölcsönhatásban alacsony aktivitást mutat. A kémiai elemek periódusos rendszerében a hidrogén mögött a második helyen áll. A természetben az anyag gáz halmazállapotú. Bizonyos feltételek mellett más összesítési állapotba kerülhet.
A folyékony hélium fő jellemzője a szuperfolyékonysága és képtelensége normál nyomáson kristályosodni, még akkor sem, ha a hőmérséklet eléri az abszolút nullát. Egy anyag izotópjainak tulajdonságai nem azonosak. A kritikusukhőmérsékletek, forráspontjaik és részecskéik forgása.
