Жидкий гелий — уникальное квантовое вещество

Основная трудность заключалась в том, что для сжижения газов традиционно применялся эффект Джоуля — Томсона, основанный на резком расширении сжатого газа, приводящем к его охлаждению. При этом температура, при которой вещество конденсируется в жидкость, напрямую зависит от его молекулярной массы: чем легче, тем более глубокое охлаждение требуется.

Изначально ученые предполагали, что наибольшие трудности возникнут с сжижением водорода из-за его исключительно малого веса. Эти предположения частично подтвердились, поскольку газ H₂ удалось перевести в жидкое состояние только при достижении экстремально низкого температурного режима, соответствующего минус 253 градусам по Цельсию.

Однако даже при таких условиях гелий оставался газом. Поэтому длительное время считалось, что его существование в сжиженном виде — лишь теоретическая концепция, не реализуемая на практике.

Когда был получен жидкий гелий, и что он собой представляет?

Первый успешный эксперимент датируется 1908 годом. Переход гелия в жидкое агрегатное состояние выполнил голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес с помощью технологии дросселирования. В процессе работы ученый охлаждал газообразный гелий в среде кипящего водорода, находящегося в вакуумных условиях. Интенсивный процесс испарения жидкого H₂ создавал дополнительный охлаждающий эффект. Именно это в конечном итоге позволило достичь рекордно низких температурных показателей, приближенных к абсолютному нулю по шкале Кельвина. За такое фундаментальное открытие в 1913 году голландский исследователь был удостоен Нобелевской премии по физике.

При нормальном атмосферном давлении температура жидкого гелия не превышает минус 269 градусов по Цельсию, а плотность составляет примерно 0,13 грамма на кубический сантиметр. Визуально вещество представляет собой абсолютно прозрачную жидкость без выраженного цвета. Материал характеризуется исключительно низким светопреломлением, что создает трудности для визуального наблюдения. Процесс кипения жидкой формы начинается при достижении минус 268,95 градуса по Цельсию.

Дополнительным фактором, осложнявшим экспериментальные работы, служила также крайне низкая концентрация благородного газа в земной атмосфере. Но со временем эту трудность удалось решить.

Где используется He?

Сжиженный гелий нашел применение в качестве высокоэффективного хладагента, позволяющего достигать ультранизких температурных режимов. Наиболее широкое применение он находит в следующих областях:

• Проведение научно-исследовательских работ и экспериментов. В фундаментальной физике, химии и материаловедении гелий незаменим для изучения квантовых явлений, свойств материи при сверхнизких температурах (конденсат Бозе — Эйнштейна) и проведения экспериментов в области криогенной электроники.
• Охлаждение магнитных систем, используемых в высокотехнологичном оборудовании. Только при температурах, создаваемых жидким гелием, многие материалы переходят в состояние сверхпроводимости. Это позволяет создавать мощные, компактные и энергоэффективные магниты.
• Эксплуатация в криогенных электрических машинах, таких как МРТ, ускорители частиц и оборудование для ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Без гелия их работа была бы невозможна.

Среди наиболее известных примеров применения сжиженного гелия можно отметить Большой адронный коллайдер (БАК), где десятки тонн этого вещества используются для охлаждения многочисленных сверхпроводящих магнитов до рабочей температуры.

Какими особыми качествами обладает He в виде жидкости?

Сжиженный гелий относится к категории квантовых веществ, что означает определяющее влияние физики данного типа на его свойства. Именно этой особенностью объясняется невозможность отвердения гелия даже при достижении абсолютного нуля (соответствует минус 273,15 градуса по шкале Цельсия).

Кроме того, при определенной температурной отметке вещество претерпевает фазовый переход. В одном из состояний, обозначаемом как Гелий-2, оно обладает аномальным свойством сверхтекучести. Последнее проявляется в способности проходить через мельчайшие щели и капилляры без трения.

Если вы заинтересованы в приобретении гелия, отправьте нам запрос, используя указанные на сайте контакты.