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液氦
氦的液化體
液氦是氦的液化體。無色透明，無臭無味。臨界溫度（5.20K）和沸點(diǎn)(4.125K）最低。它可獲得mK級(jí)的超低溫，是一種最主要的低溫源。具有性質(zhì)：如在常壓下永遠(yuǎn)不會(huì)凝成固體，沒有三相點(diǎn)，只有當(dāng)壓力超過2.5MPa后才出現(xiàn)固相；存在入相變現(xiàn)象，在入點(diǎn)（2.1 72K）處比熱、密度等都有突變；存在超流性、爬行膜現(xiàn)象和超導(dǎo)熱性，粘滯系數(shù)接近于零。
氦單質(zhì)在極低溫度下由氣態(tài)氦轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)氦。由于氦原子間的相互作用（范德華力）和原子質(zhì)量都很小，很難液化，更難凝固。富同位素He的氣液相變曲線的臨界溫度和臨界壓強(qiáng)分別為5.20K和2.26大氣壓，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的溫度為4.215K在常壓下，溫度從臨界溫度下降至絕對(duì)零度時(shí)，氦始終保持為液態(tài)，不會(huì)凝固，只有在大于25大氣壓時(shí)才出現(xiàn)固態(tài)。
在2.18K時(shí)會(huì)有明顯的性質(zhì)改變，如獲得超流性，被稱作He II，來與普通的液氦（He I）區(qū)別開。
基本信息
| 中文名 | 液氦 |
| 外文名 | liquid helium |
| 外觀 | 無色、無味的液體狀 |
| 3He熔點(diǎn) | 0.3K 29atm |
| 4He密度 | 0.125g*cm-1 于1atm下，沸點(diǎn) |
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物理性質(zhì)
概述
液氦
液氦在一個(gè)大氣壓下密度為0.125 g/mL。氦有兩種天然同位素：氦3、氦4，自然界中存在的氦基本上全是氦4。
超流體
液氦具有一系列引人注目的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾方面。
超流動(dòng)性普通液體的粘滯度隨溫度的下降而增高，與此不同，HeⅠ的粘滯度在溫度下降到2.6K左右時(shí)，幾乎與溫度無關(guān)，其數(shù)值約為3×10-6帕秒，比普通液體的粘滯度小得多。在2.6K以下，HeⅠ的粘滯度隨溫度的降低而迅速下降。HeⅡ的粘滯度在λ點(diǎn)以下的溫度時(shí)立刻降至非常小的值（<10-12帕秒），這種幾乎沒有粘滯性的特性稱為超流動(dòng)性。用粗細(xì)不同的毛細(xì)管做實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)流管愈細(xì)，超流動(dòng)性就愈明顯，在直徑小于10-5厘米的流管中，流速與壓強(qiáng)差和流管長(zhǎng)度幾乎無關(guān)，而僅取決于溫度，流動(dòng)時(shí)不損耗動(dòng)能。
氦膜任何與HeⅡ接觸的器壁上覆蓋一層液膜，液膜中只包含無粘滯性的超流體成分，稱為氦膜。氦膜的存在使液氦能沿器壁向盡可能低的位置移動(dòng)。將空的燒杯部分地浸于HeⅡ中時(shí)，燒杯外的液氦將沿?zé)獗谂郎媳冢⑦M(jìn)入杯內(nèi)，直至杯內(nèi)和杯外液面持平。反之，將盛有液氦的燒杯提出液氦面時(shí)，杯內(nèi)液氦將沿器壁不斷轉(zhuǎn)移到杯外并滴下。液氦的這種轉(zhuǎn)移的速率與液面高度差、路程長(zhǎng)短和障壁高度無關(guān)。
對(duì)HeⅡ性質(zhì)的理論研究首先由F.倫敦作出。4He原子是自旋為整數(shù)的玻色子，倫敦把HeⅡ看成是由玻色子組成的玻色氣體，遵守玻色統(tǒng)計(jì)規(guī)律，玻色統(tǒng)計(jì)允許不同粒子處于同一量子態(tài)中。倫敦證明了存在一個(gè)臨界溫度Tc，當(dāng)溫度低于Tc時(shí)，一些粒子會(huì)同時(shí)處于零點(diǎn)振動(dòng)能狀態(tài)（即基態(tài)），稱為凝聚，溫度愈低，凝聚到零點(diǎn)振動(dòng)能狀態(tài)的粒子數(shù)就愈多，在絕對(duì)零度時(shí)，全部粒子都凝聚到零點(diǎn)振動(dòng)能狀態(tài)，以上現(xiàn)象稱為玻色-愛因斯坦凝聚。L.蒂薩認(rèn)為HeⅡ的超流動(dòng)性起因于玻色-愛因斯坦凝聚。由于已凝聚到基態(tài)的HeⅡ原子具有最低的零點(diǎn)振動(dòng)能，故有極大的平均自由程，能夠幾乎無阻礙地通過極細(xì)的毛細(xì)管。蒂薩首先提出二流體型，后來L.D.朗道修正和補(bǔ)充了此模型。二流體模型認(rèn)為HeⅡ由兩部分獨(dú)立的、可互相滲透的流體組成，一種是處于基態(tài)的凝聚部分，熵等于零，無粘滯性，是超流體；另一種是處于激發(fā)態(tài)（未凝聚）的正常流體，熵不等于零，有粘滯性。兩種流體的密度之和等于HeⅡ的總密度，溫度降至λ點(diǎn)時(shí)，正常流體開始部分地轉(zhuǎn)變?yōu)槌黧w，溫度愈低，超流體的密度愈大，而正常流體的密度則愈小，在絕對(duì)零度時(shí)，所有原子都處于凝聚狀態(tài)，全部流體均為超流體。利用這個(gè)二流體模型可解釋關(guān)于液氦的許多力學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)。
熱傳導(dǎo)性
HeⅠ具有普通流體的導(dǎo)熱率，因而當(dāng)減小壓強(qiáng)時(shí)，液氦出現(xiàn)激烈的沸騰現(xiàn)象。HeⅡ的導(dǎo)熱率要比HeⅠ高出106倍，比銅高出104倍。當(dāng)溫度越過λ點(diǎn)，HeⅠ轉(zhuǎn)變?yōu)镠eⅡ時(shí)，液氦從很壞的熱導(dǎo)體突然變?yōu)榈侥壳盀橹棺詈玫臒釋?dǎo)體。由于HeⅡ的導(dǎo)熱率異乎尋常地高，其內(nèi)部不可能出現(xiàn)溫差，因而內(nèi)部不可能汽化，即不能沸騰。當(dāng)利用抽氣方法減低蒸氣壓時(shí)，開始階段出現(xiàn)激烈的沸騰，溫度降低至λ點(diǎn)以下時(shí)，HeⅠ轉(zhuǎn)變?yōu)镠eⅡ，沸騰突然停止，液面平靜如鏡，汽化只發(fā)生在液面。正常流體的導(dǎo)熱率與溫度梯度無關(guān)，純粹是反映物質(zhì)性質(zhì)的量，但HeⅡ的導(dǎo)熱率卻與溫度梯度甚至容器的幾何形狀有關(guān)。
熱效應(yīng)
熱效應(yīng)包括機(jī)-熱和熱-機(jī)兩種效應(yīng)。盛有液氦的兩個(gè)容器用極細(xì)的毛細(xì)管C連通，注入液氦，溫度低于λ點(diǎn)，右側(cè)液面高于左側(cè)，形成壓強(qiáng)差Δp.液氦中低熵超流成分能從右側(cè)通過毛細(xì)管轉(zhuǎn)移到左側(cè)，而高熵的正常成分不能通過毛細(xì)管。這導(dǎo)致右側(cè)液氦的熵增加，左側(cè)的熵減少，這意味著右側(cè)溫度升高而左側(cè)溫度降低。這種由機(jī)械力引起的熱量遷移稱為機(jī)-熱效應(yīng)。機(jī)-熱效應(yīng)的逆過程稱為熱-機(jī)效應(yīng)。右側(cè)液氦受熱后（吸熱Q），低熵的超流成分減少，左側(cè)液氦中的超流成分通過毛細(xì)管流向右側(cè)，而正常成分不能通過毛細(xì)管，這導(dǎo)致右側(cè)液面升高形成壓強(qiáng)差。熱-機(jī)效應(yīng)的“噴泉”裝置。帶毛細(xì)管噴嘴的無底玻璃管的填充金剛砂粉末P，用棉花C塞住底部，浸入液氦中。用光照射玻璃管，使管內(nèi)的液氦溫度升高，超流成分激發(fā)成正常成分。管外的超流成分通過棉花塞向管內(nèi)轉(zhuǎn)移，形成內(nèi)外壓強(qiáng)差，液氦從噴嘴噴出。
第二聲波
普通流體中的聲波是由密度交替變化形成的，稱密度波。1941年朗道發(fā)展了量子液體的流體動(dòng)力學(xué)，預(yù)言在HeⅡ中除普通密度波（稱第一聲波）外，還存在另一種聲波，它是由液氦中超流成分（低熵，溫度較低）與正常流體成分（高熵，溫度較高）的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成的，稱為溫度波或熵波（第二聲波）。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了溫度波的存在。
同位素
3He是4He的同位素，在天然氦中所占比例小于10-7，通過人工核反應(yīng)可得足夠數(shù)量的3He.3He的臨界溫度和臨界壓強(qiáng)分別為3.34K和1.17大氣壓。與4He一樣，在常壓下液態(tài)3He不會(huì)固化，在絕對(duì)零度附近需加34個(gè)大氣壓才能固化。1972年，D.D.奧舍羅夫等人在2mK低溫下發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)3He的液態(tài)新相，分別稱為3He-A和3He-B，它們均為超流態(tài)。液態(tài)3He和4He在0.87K以上溫度時(shí)完全互溶，在該溫度以下則分離成兩相，按3He所占比例的多少分別稱為濃相（含3He較多）和稀相（含3He較少），濃相浮于稀相之上（因3He比4He輕）。3He原子從濃相通過界面進(jìn)入稀相時(shí)要吸熱，這就是稀釋致冷機(jī)的工作原理（見超低溫技術(shù)）。3He原子的電子總自旋為零，核自旋為1/2，故與電子一樣屬費(fèi)米子，遵守費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)，液態(tài)3He稱為費(fèi)米液體，正常態(tài)的液態(tài)3He的性質(zhì)可用朗道的費(fèi)米液體理論描述。
化學(xué)性質(zhì)
用途
氣球和飛艇
氦氣曾被用來當(dāng)做熱氣球和飛艇的驅(qū)動(dòng)力，氦氣的密度要比空氣小得多，所以如果往氣球和飛艇里充入氦氣，氣球和飛艇會(huì)冉冉升起，讓我們不用坐飛機(jī)也能實(shí)現(xiàn)飛到空中的夢(mèng)想。因?yàn)闅錃夂涂諝饣旌虾髸?huì)爆炸，所以氫氣球和氫氣飛艇并不安全。氫氣飛艇曾經(jīng)被當(dāng)做大型載人飛行器使用，但是在1937年德國的“興登堡號(hào)”飛艇在美國著陸時(shí)不慎著火爆炸之后，它就徹底退出了歷史舞臺(tái)。不過，熱氣球和熱氣飛艇還是比較安全的，而且飛行一次的花費(fèi)也比較便宜。
人造空氣
潛水員常常要使用氦氣和氧氣混合而成的人造空氣。這是因?yàn)樵谒碌母邏涵h(huán)境下，氮?dú)?/a>會(huì)溶解在血液中，當(dāng)潛水員上浮的時(shí)候壓力減小，血中的氮?dú)獗慵娂娨莩觯纬蓺馀荻氯埽節(jié)撍畣T患上極為難受的“減壓癥”。氦氣在高壓下也難溶于水，所以用它來代替氮?dú)饩涂梢越鉀Q這個(gè)問題。不過如果我們沒有氦氣，我們還可以用氖氣—它在高壓下也難溶于水。
保護(hù)氣
氦氣在電焊、硅晶片生產(chǎn)中還可以用做保護(hù)氣，它可以隔絕氧氣，避免電焊工件、單質(zhì)硅和氧氣發(fā)生討厭的化學(xué)反應(yīng)。據(jù)美國政府有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，2000年美國消耗的所有氦氣中，有18%用在了焊接上，還有16%用作其他工業(yè)的保護(hù)氣。不過如果沒有氦氣，氬氣一樣可以出色地完成服務(wù)，而且還便宜得多。
低溫超導(dǎo)技術(shù)
要說缺乏氦氣最嚴(yán)重的后果，也無非是嚴(yán)重阻礙低溫技術(shù)的應(yīng)用，其中受到最大影響的就是低溫超導(dǎo)技術(shù)了。現(xiàn)在已知所有的超導(dǎo)材料都要在-130℃以下的低溫中才能表現(xiàn)出超導(dǎo)特性，其中應(yīng)用最廣泛的那幾種（比如Nb3Sn）更是需要比液氫的沸點(diǎn)還低的轉(zhuǎn)變溫度，這時(shí)候只有液氦能比較簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)這樣的極低溫。雖然我們完全可以用別的辦法實(shí)現(xiàn)同樣的低溫，但都不如液氦實(shí)惠。顯然，假如我們沒有氦，低溫超導(dǎo)技術(shù)的普及就會(huì)受到嚴(yán)重的阻礙；低溫超導(dǎo)技術(shù)如果不能普及，醫(yī)院就會(huì)用不起核磁共振成像儀（它需要超導(dǎo)材料制造強(qiáng)磁場(chǎng)）。
資源分布
來源分布
氦液化器
即使是氦氣含量很低的天然氣，也比空氣中氦氣含量高數(shù)萬倍，因此仍是目前世界上氦氣的主要來源。其中，美國氦氣資源占50%以上，中國僅占0.2%。
天然氣中的氦氣是鈾之類的放射性元素衰變的產(chǎn)物。只有在天然氣礦附近有鈾礦時(shí)，氦氣才能在天然氣中匯集。美國生產(chǎn)的氦氣要占世界總產(chǎn)量的80%以上。
中國雖然也有一定的天然氣資源，可是到目前為止，唯有四川自貢威遠(yuǎn)的氣田曾得到提氦利用，其中的氦含量只有0.2%，而且現(xiàn)在已經(jīng)枯竭。
中國近年來對(duì)氦氣的需求量越來越大。受制于氦氣資源匱乏、提取氦氣的成本較高，中國在需求上一直依賴進(jìn)口。
2007年，美國將氦氣核定為戰(zhàn)略物資而限制粗氦產(chǎn)量，導(dǎo)致全球液氦價(jià)格由原來60～80元/每升，上漲到目前200元/每升以上。
昂貴的液氦價(jià)格，使研究工作難以廣泛開展。專家預(yù)計(jì)，未來氦氣進(jìn)口將更加受制于人，屆時(shí)可能會(huì)因?yàn)闊o液氦供應(yīng)而使中國現(xiàn)有的許多涉及氦氣和液氦的科研項(xiàng)目無法實(shí)施。
三種途徑解除氦危機(jī)
最直接的辦法就是節(jié)流。現(xiàn)在醫(yī)院的核磁共振儀很多自身帶有密閉性很好、防止蒸發(fā)的液氦裝置，大大減少了液氦的需求量，先前的一些耗費(fèi)液氦量大的儀器已經(jīng)逐漸被淘汰。
更多的科學(xué)家嘗試用其他的制冷方式來代替液氦制冷。比如用無液氦的制冷機(jī)來達(dá)到超導(dǎo)磁體的工作溫度。相對(duì)于液氦制冷，制冷機(jī)的氦需求量很低（用作制冷機(jī)的制冷氣體），制冷機(jī)主要通過冷橋與磁體相連，采用的是熱傳導(dǎo)的制冷方式，而液氦主要是將磁體浸泡其中，對(duì)流制冷起很大作用。然而這種方法目前還沒有真正用于醫(yī)用核磁共振儀。有專家表示，液氦制冷的優(yōu)勢(shì)現(xiàn)在比較明顯：制冷效果穩(wěn)定，對(duì)于成像要求條件苛刻的醫(yī)用設(shè)備，這點(diǎn)很重要。制冷機(jī)的穩(wěn)定性不如液氦，容易受到擾動(dòng)影響，這對(duì)精確成像是不利的。但他也表示，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展、成熟，制冷機(jī)代替液氦制冷也并非不可能。
發(fā)展高溫超導(dǎo)材料也是另一個(gè)可能的途徑。2009年10月18日在合肥舉行的國際磁體技術(shù)會(huì)議上，高溫超導(dǎo)成為與會(huì)專家的熱議話題。尋找優(yōu)質(zhì)的高溫超導(dǎo)材料，讓超導(dǎo)磁體能夠在液氮甚至更高的溫度下穩(wěn)定工作，是核磁共振成像儀擺脫液氦的又一希望所在。
氦液化器
氦液化器，只能液化氣態(tài)氦，不能憑空制造出氦。
2010年中國采用五臺(tái)G-M制冷機(jī)做冷源，成功研制出世界首臺(tái)70升/天的4.2K G-M制冷機(jī)做冷源的小型氦液化器，其氦液化率達(dá)到73升/天（4.21K）、87升/天（4.5K）。經(jīng)過對(duì)裝置的真空絕熱、輸液管結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化，該裝置近日運(yùn)行測(cè)試，成功獲得了95升/天（4.2K）、105升/天（4.5K）的氦液化率，這一指標(biāo)達(dá)到了采用小型低溫制冷機(jī)做冷源的同類小型氦液化裝置的世界最好水平。
該小型氦液化裝置可完成氦氣室溫回收和液化，在確保磁體電流引線不受影響的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)液氦的零加注，使重離子加速器的離子源在節(jié)約氦的同時(shí)可連續(xù)不間斷運(yùn)行，保證了大科學(xué)裝置的運(yùn)行時(shí)間。該技術(shù)還可應(yīng)用于科研院所低溫科學(xué)儀器的氦氣回收和液化，有效降低科研成本；也可在醫(yī)院的超導(dǎo)核磁譜儀中應(yīng)用，降低醫(yī)療費(fèi)用。
研究歷史
在上世紀(jì)初的幾十年里，世界各國都在尋找氦氣資源，在當(dāng)時(shí)主要是為了充飛艇。但是到了今天，氦不僅用在飛行上，尖端科學(xué)研究，現(xiàn)代化工業(yè)技術(shù)，都離不開氦，而且用的常常是液態(tài)的氦，而不是氣態(tài)的氦。液態(tài)氦把人們引到一個(gè)新的領(lǐng)域——低溫世界。
要冷到什么程度，氦才會(huì)變成液體呢？
英國物理學(xué)家杜瓦在1898年首先得到了液態(tài)氫。就在同一年，荷蘭的物理學(xué)家卡美林·奧涅斯也得到了液態(tài)氫。液態(tài)氫的沸點(diǎn)是零下253℃，在這樣低的溫度下，其他各種氣體不僅變成液體，而且都變成了固體。只有氦是最后一個(gè)不肯變成液體的氣體。卡美林·奧涅斯決心把氦氣也變成液體。
液態(tài)氦是透明的容易流動(dòng)的液體，就像打開了瓶塞的汽水一樣，不斷飛濺著小氣泡。
液態(tài)氦是一種與眾不同的液體，它在零下269℃就沸騰了。在這樣低的溫度下，氫也變成了固體，千萬不要使液態(tài)氦和空氣接觸，因?yàn)榭諝鈺?huì)立刻在液態(tài)氦的表面上凍結(jié)成一層堅(jiān)硬的蓋子。
多少年來，全世界只有荷蘭卡美林·奧涅斯的實(shí)驗(yàn)室能制造液態(tài)氦。直到1934年，在英國盧瑟福那里學(xué)習(xí)的前蘇聯(lián)科學(xué)家卡比查發(fā)明了新型的液氦機(jī)，每小時(shí)可以制造4升液態(tài)氦。以后，液態(tài)氦才在各國的實(shí)驗(yàn)室中得到廣泛的研究和應(yīng)用。
在今天，液態(tài)氦在現(xiàn)代技術(shù)上得到了重要的應(yīng)用。例如要接收宇宙飛船發(fā)來的傳真照片或接收衛(wèi)星轉(zhuǎn)播的電視信號(hào)，就必須用液態(tài)氦。接收天線末端的參量放大器要保持在液氦的低溫下，否則就不能收到圖像。
物理學(xué)家不僅僅得到了液態(tài)氦，還得到了固態(tài)氦，他們正在向絕對(duì)零度進(jìn)軍（物理學(xué)把零下273.15℃叫做絕對(duì)零度。這個(gè)溫度標(biāo)叫做絕對(duì)溫標(biāo)，用K表示。0K就是-273.15℃，而273.15K就是0℃）。從理論上講，絕對(duì)零度是達(dá)不到的，但是可以不斷接近它。液態(tài)氫的沸點(diǎn)是絕對(duì)溫標(biāo)20.2K，液態(tài)氦的沸點(diǎn)是絕對(duì)溫標(biāo)4.2K。在絕對(duì)溫標(biāo)2.18K的時(shí)候，氦Ⅰ變?yōu)?/span>氦Ⅱ。1935年，利用“絕熱去磁”法，使液態(tài)氦冷到絕對(duì)溫標(biāo)0.0034K；1957年，達(dá)到絕對(duì)溫標(biāo)0.00002K；目前已達(dá)到2.4×10K了。
天文學(xué)家也繼續(xù)研究著太陽元素。太陽上的氫“燃燒”變成了氦，以后的命運(yùn)又如何呢？他們發(fā)現(xiàn)宇宙間有一些比太陽更熾熱的恒星，中心溫度達(dá)到幾億度。在這些恒星的核心，氫原子核已經(jīng)都變成了氦原子核，氦原子核又相互碰撞，正在生成著碳原子核和氧原子核，同時(shí)放出大量的能。這類恒星橡心臟一樣，一會(huì)兒膨脹，一會(huì)兒收縮，很有規(guī)律。為什么會(huì)這樣？這也是因?yàn)楹ぴ谄鹱饔谩?/span>
天文學(xué)家還研究了銀河系內(nèi)氫的含量和氦的含量的比值。根據(jù)這個(gè)比值，有人估算了銀河系的年齡有一二百億年。
氦的歷史并沒有完，人類認(rèn)識(shí)氦的歷史也沒有完，而我們這本講氦的故事的小冊(cè)子，卻不得不結(jié)束了。
要問在發(fā)現(xiàn)氦和研究氦的歷史上誰的功勞最大呢？是天文學(xué)家詹森和羅克耶嗎？是化學(xué)家拉姆賽和物理學(xué)家克魯克斯嗎？是發(fā)明分光鏡的本生與基爾霍夫嗎？當(dāng)然還要考慮把空氣、氫氣以及氦氣液化的漢普松、卡美林·奧涅斯等人的功勞。
很難說。在人類認(rèn)識(shí)氦的歷史上，他們都有著自己的貢獻(xiàn)。氦僅僅是一種元素，但是發(fā)現(xiàn)它和認(rèn)識(shí)它，是許多門科學(xué)——物理學(xué)、天文學(xué)、化學(xué)、地質(zhì)學(xué)等的共同勝利，決不是某一個(gè)人的力量能夠完成的。
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