Ciekły hel

Ciekły hel – hel pierwiastkowy w stanie ciekłym.

Ciekły hel w szklanej łyżeczce

Hel występuje w stanie ciekłym tylko w ekstremalnie niskich temperaturach. Temperatura wrzenia i punkt krytyczny zależą od składu izotopowego (patrz tabela poniżej). Gęstość ciekłego helu przy ciśnieniu 1 atm wynosi w przybliżeniu 0,125 g/cm³.

Izotop helu ⁴He po raz pierwszy skroplił Kamerlingh Onnes 10 lipca 1908 roku. Ciekły ⁴He jest stosowany w kriogenice; jest używany do chłodzenia nadprzewodzących magnesów stosowanych w spektroskopii MRI i NMR, a także w akceleratorach cząstek naładowanych.

Temperatura skraplania helu jest bardzo niska ze względu na małą masę atomową tego pierwiastka oraz słabe oddziaływania międzycząsteczkowe, wynikające z pełnego obsadzenia powłoki walencyjnej elektronami, podobnie jak w przypadku innych gazów szlachetnych. Mała masa atomowa powoduje, że energia kwantowych drgań zerowych wokół położenia równowagi ma relatywnie znaczną wartość. Energia ta wzrasta wraz z upakowaniem przestrzennym atomów helu, zatem faza stała jest nietrwała w stosunku do cieczy. Pod ciśnieniem atmosferycznym hel pozostałby ciekły nawet w temperaturze zera bezwzględnego. W wystarczająco niskiej temperaturze, zarówno ³He jak i ⁴He przechodzą w stan nadciekły (zobacz tabelę poniżej). Wyraźne efekty kwantowe powodują również bardzo niewielką różnicę między temperaturą wrzenia a temperaturą krytyczną.

Ciekły ³He i ⁴He w temperaturze powyżej 0,9 K (−272 °C) pod ciśnieniem pary nasyconej mieszają się częściowo. Poniżej tej temperatury mieszanina ulega rozdzieleniu na dwa izotopy, w której ³He jest w stanie ciekłym, a ⁴He w stanie nadciekłym (dzieje się tak, ponieważ może zajść spadek entalpii powodujący rozdział). W niskiej temperaturze, faza nadciekła bogata w ⁴He może zawierać do 6% ³He, umożliwia to otrzymywanie temperatur rzędu kilku mK powyżej zera bezwzględnego^[1].

Właściwości fizyczne ciekłego helu^[2]

Właściwość	4He	3He
Temperatura krytyczna	5,20 K	3,31 K
Temperatura wrzenia przy ciśnieniu 1 atm	4,22 K	3,19 K
Minimalne ciśnienie potrzebne do zestalenia	25,32 bar	29,32 bar
Temperatura przemiany w nadciecz przy ciśnieniu pary nasyconej (przemiana lambda)	2,18 K	0,0026 K[3]

Galeria

• 
  Ciekły, wolno wrzący hel pod ciśnieniem 1 atm, w temperaturze 4,2 K
• 
  Ciekły hel w punkcie lambda
• 
  Nadciekły hel w temperaturze niższej niż 2,17 K

Zobacz też

• ciekły azot
• ciekły tlen