هلیوم از گروه گازهای نجیب است. هلیوم مایع سردترین مایع جهان است. در این حالت مجموع، دارای تعدادی ویژگی منحصر به فرد مانند ابرسیالیت و ابررسانایی است. در ادامه با خواص آن بیشتر آشنا خواهیم شد.
گاز هلیوم
هلیوم یک ماده ساده است که به طور گسترده در کیهان در حالت گازی توزیع شده است. در جدول تناوبی مندلیف او دومین و بلافاصله پس از هیدروژن قرار دارد. به گازهای بی اثر یا نجیب اشاره دارد.
عنصر به عنوان "او" تعیین می شود. نام آن از یونان باستان به معنای "خورشید" است. در ابتدا فرض بر این بود که فلز است. با این حال، معلوم شد که این یک گاز تک اتمی است. هلیم دومین ماده شیمیایی سبک و بی مزه، بی رنگ و بی بو است. کمترین نقطه جوش را دارد.
در شرایط عادی، یک گاز ایده آل است. علاوه بر گاز، قابلیت قرار گرفتن در حالت جامد و مایع را نیز دارد. بی اثر بودن آن در تعامل غیر فعال با سایر مواد آشکار می شود. عملاً در آب نامحلول است. برای مقاصد صنعتی، از گاز طبیعی استخراج می شود و آن را از ناخالصی ها جدا می کندبا استفاده از خنک کننده قوی.
گاز می تواند برای انسان خطرناک باشد. افزایش غلظت آن در هوا منجر به کمبود اکسیژن در خون می شود که در پزشکی به آن گرسنگی اکسیژن می گویند. هنگامی که به مقدار زیاد مصرف شود، باعث استفراغ، از دست دادن هوشیاری و گاهی اوقات مرگ می شود.
مایع‌سازی هلیوم
هر گازی می تواند تحت شرایط خاصی به حالت تجمع مایع برود. مایع سازی معمولاً در صنعت و همچنین در تحقیقات علمی استفاده می شود. برای برخی از مواد کافی است به سادگی فشار را افزایش دهید. بقیه، مانند هلیوم، تنها زمانی که سرد شوند به مایع تبدیل می‌شوند.
اگر دمای گاز بالاتر از نقطه بحرانی باشد، بدون توجه به فشار، متراکم نمی شود. برای هلیم، نقطه بحرانی 5.19 کلوین، برای ایزوتوپ 3He آن 3.35 K است.
هلیوم مایع یک مایع تقریبا کامل است. با عدم وجود کشش سطحی، ویسکوزیته مشخص می شود. پس از تغییر فشار و دما، حجم آن ثابت می ماند. هلیوم مایع کشش بسیار کمی دارد. این ماده بی رنگ و بسیار مایع است.
خواص هلیوم مایع
در حالت مایع، هلیوم به خوبی قابل تشخیص نیست، زیرا پرتوهای نور را ضعیف می‌شکند. تحت شرایط خاص، دارای خواص یک مایع کوانتومی است. به همین دلیل، در فشار معمولی، حتی در دمای 273.15- درجه سانتیگراد (صفر مطلق) متبلور نمی شود. همه مواد شناخته شده دیگر در این شرایط جامد می شوند.
دمایی که در آن هلیوم مایع شروع به جوشیدن می کند -268.9 درجه سانتیگراد است. خواص فیزیکی ایزوتوپ های آن به طور قابل توجهی متفاوت است. به عنوان مثال، هلیوم-4 در 4.215 کلوین می جوشد.
این مایع بوز است که با انتقال فاز در دماهای ۲، ۱۷۲ کلوین و کمتر مشخص می شود. فاز He II با ابر سیالیت و رسانایی فوق گرمایی مشخص می شود. در دماهای کمتر از فاز، He I و He II به طور همزمان رخ می دهند، به همین دلیل دو سرعت صوت در مایع ظاهر می شود.
هلیوم-3 یک مایع فرمی است. در 3.19 کلوین می جوشد. یک ایزوتوپ تنها زمانی می‌تواند در دماهای بسیار پایین (چند میلی‌کلوین) به ابرسیالیت دست یابد که جاذبه کافی بین ذرات آن وجود داشته باشد.
ابر سیال هلیوم
علم مطالعه مفهوم ابرسیالی را مدیون دانشگاهیان S. P. Kapitsa و L. D. Landau است.
آکادمیسین به این نتیجه رسید که پس از کاهش دمای هلیوم به زیر 2،172 کلوین، این ماده از مرحله حالت عادی به فاز کاملاً جدیدی به نام هلیوم-II می‌رود. در این مرحله ماده بدون کوچکترین اصطکاک از مویرگ ها و سوراخ های باریک عبور می کند. این حالت "ابر سیالیت" نامیده می شود.
در سال 1941 Landau L. D. به مطالعه خواص هلیوم مایع ادامه داد و نظریه ابر سیال را توسعه داد. توضیحاو با استفاده از مفهوم طیف انرژی برانگیختگی‌ها، آن را با روش‌های کوانتومی گرفت.
کاربردهای هلیوم
عنصر هلیوم در سال 1868 در طیف خورشید کشف شد. روی زمین، توسط ویلیام رمزی در سال 1895 کشف شد، پس از آن برای مدت طولانی مورد مطالعه قرار گرفت و در حوزه اقتصادی مورد استفاده قرار نگرفت. در فعالیت های صنعتی، در طول جنگ جهانی اول به عنوان سوخت کشتی های هوایی مورد استفاده قرار گرفت.
گاز به طور فعال برای بسته بندی در صنایع غذایی، در ذوب فلزات استفاده می شود. زمین شناسان از آن برای تشخیص گسل های پوسته زمین استفاده می کنند. هلیوم مایع عمدتاً به عنوان مبردی استفاده می شود که قادر به حفظ دماهای بسیار پایین است. این ویژگی برای تحقیقات علمی لازم است.
مایع خنک کننده در ماشین های الکتریکی برودتی، در میکروسکوپ های تونل زنی روبشی، در دستگاه های توموگرافی NMR پزشکی، در شتاب دهنده های ذرات باردار استفاده می شود.
نتیجه گیری
هلیوم یک گاز بی اثر یا نجیب است که در برهمکنش با سایر مواد فعالیت کمی از خود نشان می دهد. در جدول تناوبی عناصر شیمیایی پس از هیدروژن در جایگاه دوم قرار دارد. در طبیعت، ماده در حالت گاز است. تحت شرایط خاصی، می‌تواند به حالت‌های دیگر تجمع برود.
ویژگی اصلی هلیوم مایع فوق سیال بودن و عدم توانایی آن در متبلور شدن در فشار معمولی است، حتی اگر دما به صفر مطلق برسد. خواص ایزوتوپ های یک ماده یکسان نیست. انتقادی آنهادما، شرایط جوش آنها، و چرخش ذرات آنها.
