液氦 有什么用

液氦 有什么用

液氦 在极低温度下气态氦转变为液态氦。由于氦原子间的相互作用（范德华力）和原子质量都很小，很难液化，更难凝固。富同位素4He的气液相变曲线的临界温度和临界压强分别为5.20K和2.26大气压，一个大气压下的温度为4.215K.在常压下，温度从临界温度下降至绝对零度时，氦始终保持为液态，不会凝固，只有在大于25大气压时才出现固态。普通液氦是一种很易流动的无色液体，其表面张力极小，折射率和气体差不多，因而不易看到它。液态4He包括性质不同的两个相，分别称为HeⅠ和HeⅡ，在两个相之间的转变温度处，液氦的密度、电容率和比热容均呈现反常的增大。两个液相HeⅠ和HeⅡ间的转变温度称为λ点，饱和蒸气压下的λ点为2.172K，压强增加时，λ点移向较低的温度，两个液相的相变曲线为一直线，称为λ线。液氦具有一系列引人注目的特点，主要表现在以下几方面。 超流动性普通液体的粘滞度随温度的下降而增高，与此不同，HeⅠ的粘滞度在温度下降到2.6K左右时，几乎与温度无关，其数值约为3×10-6帕秒，比普通液体的粘滞度小得多。在2.6K以下，HeⅠ的粘滞度随温度的降低而迅速下降。HeⅡ的粘滞度在λ点以下的温度时立刻降至非常小的值(＜10-12帕秒)，这种几乎没有粘滞性的特性称为超流动性。用粗细不同的毛细管做实验时，发现流管愈细，超流动性就愈明显，在直径小于10-5厘米的流管中，流速与压强差和流管长度几乎无关，而仅取决于温度，流动时不损耗动能。 对HeⅡ性质的理论研究首先由F.伦敦作出。4He原子是自旋为整数的玻色子，伦敦把HeⅡ看成是由玻色子组成的玻色气体，遵守玻色统计规律，玻色统计允许不同粒子处于同一量子态中。伦敦证明了存在一个临界温度Tc，当温度低于Tc时，一些粒子会同时处于零点振动能状态(即基态)，称为凝聚，温度愈低，凝聚到零点振动能状态的粒子数就愈多，在绝对零度时，全部粒子都凝聚到零点振动能状态，以上现象称为玻色-爱因斯坦凝聚。L.蒂萨认为HeⅡ的超流动性起因于玻色-爱因斯坦凝聚。由于已凝聚到基态的HeⅡ原子具有最低的零点振动能，故有极大的平均自由程，能够几乎无阻碍地通过极细的毛细管。蒂萨首先提出二流体型，后来L.D.朗道修正和补充了此模型。二流体模型认为HeⅡ由两部分独立的、可互相渗透的流体组成，一种是处于基态的凝聚部分，熵等于零，无粘滞性，是超流体；另一种是处于激发态(未凝聚)的正常流体，熵不等于零，有粘滞性。两种流体的密度之和等于HeⅡ的总密度，温度降至λ点时，正常流体开始部分地转变为超流体，温度愈低，超流体的密度愈大，而正常流体的密度则愈小，在绝对零度时，所有原子都处于凝聚状态，全部流体均为超流体。利用这个二流体模型可解释关于液氦的许多力学和热学性质。 热传导HeⅠ具有普通流体的导热率，因而当减小压强时，液氦出现激烈的沸腾现象。HeⅡ的导热率要比HeⅠ高出106倍，比铜高出104倍。当温度越过λ点，HeⅠ转变为HeⅡ时，液氦从很坏的热导体突然变为到目前为止最好的热导体。由于HeⅡ的导热率异乎寻常地高，其内部不可能出现温差，因而内部不可能汽化，即不能沸腾。当利用抽气方法减低蒸气压时，开始阶段出现激烈的沸腾，温度降低至λ点以下时，HeⅠ转变为HeⅡ，沸腾突然停止，液面平静如镜，汽化只发生在液面。正常流体的导热率与温度梯度无关，纯粹是反映物质性质的量，但HeⅡ的导热率却与温度梯度甚至容器的几何形状有关。 氦膜任何与HeⅡ接触的器壁上覆盖一层液膜，液膜中只包含无粘滞性的超流体成分，称为氦膜。氦膜的存在使液氦能沿器壁向尽可能低的位置移动。将空的烧杯部分地浸于HeⅡ中时，烧杯外的液氦将沿烧杯外壁爬上杯口，并进入杯内，直至杯内和杯外液面持平。反之，将盛有液氦的烧杯提出液氦面时，杯内液氦将沿器壁不断转移到杯外并滴下。液氦的这种转移的速率与液面高度差、路程长短和障壁高度无关。 热效应包括机-热和热-机两种效应。盛有液氦的两个容器用极细的毛细管C连通，注入液氦，温度低于λ点，右侧液面高于左侧，形成压强差Δp.液氦中低熵超流成分能从右侧通过毛细管转移到左侧，而高熵的正常成分不能通过毛细管。这导致右侧液氦的熵增加，左侧的熵减少，这意味着右侧温度升高而左侧温度降低。这种由机械力引起的热量迁移称为机-热效应。机-热效应的逆过程称为热-机效应。右侧液氦受热后(吸热Q)，低熵的超流成分减少，左侧液氦中的超流成分通过毛细管流向右侧，而正常成分不能通过毛细管，这导致右侧液面升高形成压强差。热-机效应的“喷泉”装置。带毛细管喷嘴的无底玻璃管的填充金刚砂粉末P，用棉花C塞住底部，浸入液氦中。用光照射玻璃管，使管内的液氦温度升高，超流成分激发成正常成分。管外的超流成分通过棉花塞向管内转移，形成内外压强差，液氦从喷嘴喷出。 第二声波普通流体中的声波是由密度交替变化形成的，称密度波。1941年朗道发展了量子液体的流体动力学，预言在HeⅡ中除普通密度波(称第一声波)外，还存在另一种声波，它是由液氦中超流成分(低熵，温度较低)与正常流体成分(高熵，温度较高)的相对运动形成的，称为温度波或熵波(第二声波)。实验证实了温度波的存在。 3He是4He的同位素，在天然氦中所占比例小于10-7，通过人工核反应可得足够数量的3He.3He的临界温度和临界压强分别为3.34K和1.17大气压。与4He一样，在常压下液态3He不会固化，在绝对零度附近需加34个大气压才能固化。1972年，D.D.奥舍罗夫等人在2mK低温下发现了两个3He的液态新相，分别称为3He-A和3He-B，它们均为超流态。液态3He和4He在0.87K以上温度时完全互溶，在该温度以下则分离成两相，按3He所占比例的多少分别称为浓相(含3He较多)和稀相(含3He较少)，浓相浮于稀相之上(因3He比4He轻)。3He原子从浓相通过界面进入稀相时要吸热，这就是稀释致冷机的工作原理(见超低温技术)。3He原子的电子总自旋为零，核自旋为1/2，故与电子一样属费米子，遵守费米-狄拉克统计，液态3He称为费米液体，正常态的液态3He的性质可用朗道的费米液体理论描述。 在本世纪初的几十年里，世界各国都在寻找氦气资源，在当时主要是为了充飞艇。但是到了今天，氦不仅用在飞行上，尖端科学研究，现代化工业技术，都离不开氦，而且用的常常是液态的氦，而不是气态的氦。液态氦把人们引到一个新的领域——低温世界。 在液态空气的温度下，氦和氖仍然是气体；在液态氢的温度下，氖变成了固体，可是氦仍然是气体。 要冷到什么程度，氦才会变成液体呢？ 英国物理学家杜瓦在1898年首先得到了液态氢。就在同一年，荷兰的物理学家卡美林·奥涅斯也得到了液态氢。液态氢的沸点是零下253摄氏度，在这样低的温度下，其他各种气体不仅变成液体，而且都变成了固体。只有氦是最后一个不肯变成液体的气体。卡美林·奥涅斯决心把氦气也变成液体。 1908年7月，卡美林·奥涅斯成功了，氦气变成了液体。他第一次得到了320立方厘米的液态氦。 要得到液态氢，必须先把氢气压缩并且冷却到液态空气的温度，然后让它膨胀，使温度进一步下降，氢气就变成了液体。 要得到液态氦，必须先把氦气压缩并且冷却到液态氢的温度，然后让它膨胀，使温度进一步下降，氦气才能变成液体。 液态氦是透明的容易流动的液体，就像打开了瓶塞的汽水一样，不断飞溅着小气泡。 液态氦是一种与众不同的液体，它在零下269摄氏度就沸腾了。在这样低的温度下，氢也变成了固体，千万不要使液态氦和空气接触，因为空气会立刻在液态氦的表面上冻结成一层坚硬的盖子。 多少年来，全世界只有荷兰卡美林·奥涅斯的实验室能制造液态氦。直到1934年，在英国卢瑟福那里学习的前苏联科学家卡比查发明了新型的液氦机，每小时可以制造4升液态氦。以后，液态氦才在各国的实验室中得到广泛的研究和应用。 在今天，液态氦在现代技术上得到了重要的应用。例如要接收宇宙飞船发来的传真照片或接收卫星转播的电视信号，就必须用液态氦。接收天线末端的参量放大器要保持在液氦的低温下，否则就不能收到图像。 然而，液态氦的奇妙之处还不在于低温。 卡美林·奥涅斯是第一个得到液氦的科学家。他并不满足，还想使温度进一步降低，以得到固态氦。他没有成功（固态氦是1926年基索姆用降低温度和增大压力的方法首先得到的），却得到了一个没有预料到的结果。 对于一般液体来说，随着温度降低，密度会逐渐增加。卡美林·奥涅斯使液态氦的温度下降，果然，液氦的密度增大了。但是，当温度下降到零下271摄氏度的时候，怪事出现了，液态氦突然停止起泡，变成像水晶一样的透明，一动也不动，好像一潭死水，而密度突然又减小了。 这是另一种液态氦。卡美林·奥涅斯把前一种冒泡的液态氦叫做氦Ⅰ，而把后一种静止的液态氦做氦Ⅱ。 把一个小玻璃杯按在氦Ⅱ中。玻璃杯本是空的，但是过了一会，杯底出现了液态氦，慢慢地涨到跟杯子外面的液态氦一样平为止。 把这个盛着液态氦的小玻璃杯提出来，挂在半空。看，玻璃杯底下出现了液氦，一滴，两滴，三滴……不一会，杯中的液态氦就“漏”光了。是玻璃杯漏了吗？不，玻璃杯一点也不漏。这是怎么回事呢？ 原来氦Ⅱ是能够倒流的，它会沿着玻璃杯的壁爬进去又爬出来。这是在我们日常生活中没有碰到过的现象，只有在低温世界才会发生。这种现象叫做“超流动性”，具有“超流动性”的氦Ⅱ叫做超流体。 后来，许多科学家研究了这种怪现象，又有了许多新的发现。其中最有趣的是1938年阿兰等人发现的氦刀喷泉。 在一根玻璃管里，装着很细的金刚砂，上端接出来一根细的喷嘴。将这玻璃管浸到氦Ⅱ中，用光照玻璃管粗的下部，细喷嘴就会喷出氦Ⅱ的喷泉，光越强喷得越高，可以高达数厘米。 氦Ⅱ喷泉也是超流体的特殊性质。在这个实验中，光能直接变成了机械能。 大家还记得拉姆赛把各种物质放到液态空气中的各种奇妙的实验吧！各种物质放在液态氦里，情况就更奇妙了。 看！在液氦的温度下，一个铅环，环上有一个铅球。铅球好像失去了重量，会飘浮在环上，与环保持一定距离。 再看！在液氦的温度下，一个金属盘子，把细链子系着磁铁，慢慢放到盘子里去。当磁铁快要碰到盘子的时候，链子松了，磁铁浮在盘子上，怎样也不肯落下去。 真像是到了魔术世界！这一切，只能在液态氦的温度下发生。温度一升高，魔术就不灵了，铅球落在铅环上，磁铁也落在金属盘子里了。 这是低温下的超导现象。 原来，有些金属，在液态氦的温度下，电阻会消失；在金属环和金属盘中，电流会不停地流动而产生磁场。这时候，磁场的斥力托住了铅球和磁铁，使它们浮在半空中。 在低温下，出现了许多奇妙的物理现象。许多重要的物理实验，都要在低温下进行。 目前，世界各国的物理学家还在研究液态氦，希望通过液态氦达到更低的温度，研究各种物质在低温下会发生什么奇妙的变化，会有什么我们目前还不知道的性质。这就产生了物理学的一个新的分支——低温物理学。 氦，这个奇妙的物质，一直在引起科学家们的注意。科学家们继续研究氦，通过科学实验，不断地为氦写下一页又一页新的历史。 物理学家不仅仅得到了液态氦，还得到了固态氦，他们正在向绝对零度进军（物理学把零下273.16摄氏度叫做绝对零度。这个温度标叫做绝对温标，用K表示。OK就是-273.16℃，而273.16K就是0℃）。从理论上讲，绝对零度是达不到的，但是可以不断接近它。液态氢的沸点是绝对温标20.2度，液态氦的沸点是绝对温标4.2度。在绝对温标2.19度的时候，氦Ⅰ变为氦Ⅱ。1935年，利用“绝热去磁”法，使液态氦冷到绝对温标0.0034度；1957年，达到绝对温标0.00002度；目前已达到跟绝对零度只相差0.000001度了。 天文学家也继续研究着太阳元素。太阳上的氢“燃烧”变成了氦，以后的命运又如何呢？他们发现宇宙间有一些比太阳更炽热的恒星，中心温度达到几亿度。在这些恒星的核心，氢原子核已经都变成了氦原子核，氦原子核又相互碰撞，正在生成着碳原子核和氧原子核，同时放出大量的能。这类恒星橡心脏一样，一会儿膨胀，一会儿收缩，很有规律。为什么会这样？这也是因为氦在起作用。 天文学家还研究了银河系内氢的含量和氦的含量的比值。根据这个比值，有人估算了银河系的年龄有一二百亿年。 氦的历史并没有完，人类认识氦的历史也没有完，而我们这本讲氦的故事的小册子，却不得不结束了。 要问在发现氦和研究氦的历史上谁的功劳最大呢？是天文学家詹森和罗克耶吗？是化学家拉姆赛和物理学家克鲁克斯吗？是发明分光镜的本生与基尔霍夫吗？当然还要考虑把空气、氢气以及氦气液化的汉普松、卡美林·奥涅斯等人的功劳。 很难说。在人类认识氦的历史上，他们都有着自己的贡献。氦仅仅是一种元素，但是发现它和认识它，是许多门科学——物理学、天文学、化学、地质学等的共同胜利，决不是某一个人的力量能够完成的。 科学是没有平坦的道路可走的，只有不畏艰险不怕困难的人才能攀登科学的高峰。通过氦的发现的历史，我们看到许多科学家们正是这样勇于实践的人。他们有严谨的科学态度，对于实验中的一点细微现象——一个小气泡，第三位小数的细微差异，也不放过。他们不但爱问为什么，而且千方百计地去寻找答案。他们埋头苦干，几个月、一年、几年坚持不懈，终于由纷乱的谜团中找出头绪，得到了解答。他们永远不满足已有的成绩，而是深人一步、再深入一步地钻研。人们对氦的认识就是这样逐步深人的。到现在为止，谁也不敢这样说：“氦，我们已经完全认识清楚了。”可能在未来的十年，我们就能完全的为人类所用!!