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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(4.125K）最低。它可獲得mK級的超低溫，是一種最主要的低溫源。具有性質(zhì)：如在常壓下永遠不會凝成固體，沒有三相點，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（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分別為5.20K和2.26大氣壓，一個標(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零度時，氦始終保持為液態(tài)，不會凝固，只有在大于25大氣壓時才出現(xiàn)固態(tài)。
在2.18K時會有明顯的性質(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 | 0.3K 29atm |
| 4He密度 | 0.125g*cm-1 于1atm下，沸點 |
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物理性質(zhì)
概述
液氦
液氦在一個大氣壓下密度為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，主要表現(xiàn)在以下幾方面。
超流動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，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點以下的溫度時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性。用粗細不同的毛細管做實驗時，發(fā)現(xiàn)流管愈細，超流動性就愈明顯，在直徑小于10-5厘米的流管中，流速與壓強差和流管長度幾乎無關(guān)，而僅取決于溫度，流動時不損耗動能。
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。將空的燒杯部分地浸于HeⅡ中時，燒杯外的液氦將沿?zé)獗谂郎媳?，并進入杯內(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，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、路程長短和障壁高度無關(guān)。
對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)計規(guī)律，玻色統(tǒng)計允許不同粒子處于同一量子態(tài)中。倫敦證明了存在一個臨界溫度Tc，當(dāng)溫度低于Tc時，一些粒子會同時處于零點振動能狀態(tài)（即基態(tài)），稱為凝聚，溫度愈低，凝聚到零點振動能狀態(tài)的粒子數(shù)就愈多，在絕對零度時，全部粒子都凝聚到零點振動能狀態(tài)，以上現(xiàn)象稱為玻色-愛因斯坦凝聚。L.蒂薩認為HeⅡ的超流動性起因于玻色-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振動能，故有極大的平均自由程，能夠幾乎無阻礙地通過極細的毛細管。蒂薩首先提出二流體型，后來L.D.朗道修正和補充了此模型。二流體模型認為HeⅡ由兩部分獨立的、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點時，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，在絕對零度時，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)減小壓強時，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，HeⅠ轉(zhuǎn)變?yōu)镠eⅡ時，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，開始階段出現(xiàn)激烈的沸騰，溫度降低至λ點以下時，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-熱和熱-機兩種效應(yīng)。盛有液氦的兩個容器用極細的毛細管C連通，注入液氦，溫度低于λ點，右側(cè)液面高于左側(cè)，形成壓強差Δp.液氦中低熵超流成分能從右側(cè)通過毛細管轉(zhuǎn)移到左側(cè)，而高熵的正常成分不能通過毛細管。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。這種由機械力引起的熱量遷移稱為機-熱效應(yīng)。機-熱效應(yīng)的逆過程稱為熱-機效應(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管流向右側(cè)，而正常成分不能通過毛細管，這導(dǎo)致右側(cè)液面升高形成壓強差。熱-機效應(yīng)的“噴泉”裝置。帶毛細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）的相對運動形成的，稱為溫度波或熵波（第二聲波）。實驗證實了溫度波的存在。
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不會固化，在絕對零度附近需加34個大氣壓才能固化。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入稀相時要吸熱，這就是稀釋致冷機的工作原理（見超低溫技術(shù)）。3He原子的電子總自旋為零，核自旋為1/2，故與電子一樣屬費米子，遵守費米-狄拉克統(tǒng)計，液態(tài)3He稱為費米液體，正常態(tài)的液態(tài)3He的性質(zhì)可用朗道的費米液體理論描述。
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，氣球和飛艇會冉冉升起，讓我們不用坐飛機也能實現(xiàn)飛到空中的夢想。因為氫氣和空氣混合后會爆炸，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”飛艇在美國著陸時不慎著火爆炸之后，它就徹底退出了歷史舞臺。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也比較便宜。
保護氣
氦氣在電焊、硅晶片生產(chǎn)中還可以用做保護氣，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，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)
要說缺乏氦氣最嚴重的后果，也無非是嚴重阻礙低溫技術(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還低的轉(zhuǎn)變溫度，這時候只有液氦能比較簡便地實現(xiàn)這樣的極低溫。雖然我們完全可以用別的辦法實現(xiàn)同樣的低溫，但都不如液氦實惠。顯然，假如我們沒有氦，低溫超導(dǎo)技術(shù)的普及就會受到嚴重的阻礙；低溫超導(dǎo)技術(shù)如果不能普及，醫(yī)院就會用不起核磁共振成像儀（它需要超導(dǎo)材料制造強磁場）。
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，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。
昂貴的液氦價格，使研究工作難以廣泛開展。專家預(yù)計，未來氦氣進口將更加受制于人，屆時可能會因為無液氦供應(yīng)而使中國現(xiàn)有的許多涉及氦氣和液氦的科研項目無法實施。
三種途徑解除氦危機
最直接的辦法就是節(jié)流?，F(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來達到超導(dǎo)磁體的工作溫度。相對于液氦制冷，制冷機的氦需求量很低（用作制冷機的制冷氣體），制冷機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)勢現(xiàn)在比較明顯：制冷效果穩(wěn)定，對于成像要求條件苛刻的醫(yī)用設(shè)備，這點很重要。制冷機的穩(wěn)定性不如液氦，容易受到擾動影響，這對精確成像是不利的。但他也表示，隨著技術(shù)的進一步發(fā)展、成熟，制冷機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)會議上，高溫超導(dǎo)成為與會專家的熱議話題。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G-M制冷機做冷源，成功研制出世界首臺70升/天的4.2K G-M制冷機做冷源的小型氦液化器，其氦液化率達到73升/天（4.21K）、87升/天（4.5K）。經(jīng)過對裝置的真空絕熱、輸液管結(jié)構(gòu)和運行參數(shù)的進一步優(yōu)化，該裝置近日運行測試，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)達到了采用小型低溫制冷機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，實現(xiàn)液氦的零加注，使重離子加速器的離子源在節(jié)約氦的同時可連續(xù)不間斷運行，保證了大科學(xué)裝置的運行時間。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)療費用。
研究歷史
在上世紀初的幾十年里，世界各國都在尋找氦氣資源，在當(dāng)時主要是為了充飛艇。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)氦把人們引到一個新的領(lǐng)域——低溫世界。
要冷到什么程度，氦才會變成液體呢？
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。只有氦是最后一個不肯變成液體的氣體?？懒帧W涅斯決心把氦氣也變成液體。
液態(tài)氦是透明的容易流動的液體，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，因為空氣會立刻在液態(tài)氦的表面上凍結(jié)成一層堅硬的蓋子。
多少年來，全世界只有荷蘭卡美林·奧涅斯的實驗室能制造液態(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，每小時可以制造4升液態(tài)氦。以后，液態(tài)氦才在各國的實驗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，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，他們正在向絕對零度進軍（物理學(xué)把零下273.15℃叫做絕對零度。這個溫度標(biāo)叫做絕對溫標(biāo)，用K表示。0K就是-273.15℃，而273.15K就是0℃）。從理論上講，絕對零度是達不到的，但是可以不斷接近它。液態(tài)氫的沸點是絕對溫標(biāo)20.2K，液態(tài)氦的沸點是絕對溫標(biāo)4.2K。在絕對溫標(biāo)2.18K的時候，氦Ⅰ變?yōu)?/span>氦Ⅱ。1935年，利用“絕熱去磁”法，使液態(tài)氦冷到絕對溫標(biāo)0.0034K；1957年，達到絕對溫標(biāo)0.00002K；目前已達到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，同時放出大量的能。這類恒星橡心臟一樣，一會兒膨脹，一會兒收縮，很有規(guī)律。為什么會這樣？這也是因為氦在起作用。
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，人類認識氦的歷史也沒有完，而我們這本講氦的故事的小冊子，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。在人類認識氦的歷史上，他們都有著自己的貢獻。氦僅僅是一種元素，但是發(fā)現(xiàn)它和認識它，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，決不是某一個人的力量能夠完成的。
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