Helium cecair: ciri dan sifat bahan

Helium tergolong dalam kumpulan gas mulia. Helium cecair adalah cecair terkecil di dunia. Dalam keadaan pengagregatan ini, ia mempunyai beberapa ciri unik, seperti superfluiditi dan superkonduktiviti. Maklumat lanjut mengenai sifatnya yang kita pelajari kemudian.

Gas Helium

Helium adalah bahan mudah yang tersebar luas di alam semesta dalam keadaan gas. Dalam jadual berkala Mendeleev ia adalah yang kedua dan berdiri dengan serta-merta selepas hidrogen. Ia merujuk kepada gas yang lengai atau mulia.

Unsur tersebut ditetapkan sebagai "Dia". Dari bahasa Yunani purba namanya bermaksud "Matahari". Pada mulanya ia diandaikan bahawa ia adalah logam. Walau bagaimanapun, ternyata ini adalah gas monatomik. Helium adalah bahan kimia kedua oleh cahaya, ia tidak mempunyai rasa, warna dan bau. Mempunyai titik mendidih yang paling rendah.

Di bawah keadaan biasa, ia adalah gas ideal. Sebagai tambahan kepada gas, ia dapat berada dalam keadaan pepejal dan cair. Inertnessnya ditunjukkan dalam interaksi tidak aktif dengan bahan lain. Ia praktikal tidak larut dalam air. Untuk keperluan industri, ia diekstrak dari gas asli, memisahkannya dari kekotoran dengan cara penyejukan yang kuat.

Gas boleh berbahaya kepada manusia. Meningkatkan kepekatannya di udara membawa kepada kekurangan oksigen dalam darah, yang dalam perubatan dipanggil kebuluran oksigen. Masuk ke dalam tubuh dalam kuantiti yang banyak, ia menyebabkan muntah, kehilangan kesedaran, dan kadang-kadang kematian.

Pencairan helium

Mana-mana gas boleh masuk ke dalam keadaan agregat cecair di bawah keadaan tertentu. Pencairan biasanya digunakan dalam industri, dan juga dalam penyelidikan saintifik. Bagi sesetengah bahan, cukup untuk meningkatkan tekanan. Lain-lain, seperti helium, berada dalam keadaan cecair hanya selepas penyejukan.

Jika suhu gas berada di atas titik kritikal, maka ia tidak mengalir, apa pun tekanannya. Untuk helium, titik kritikal ialah suhu Kelvin 5, 19, untuk isotop 3He iaitu 3.35 K.

Helium cair adalah praktikal cecair yang ideal. Ia dicirikan oleh ketiadaan ketegangan permukaan, kelikatan. Selepas menukar tekanan dan suhu, jumlahnya kekal sama. Helium cecair mempunyai ketegangan yang sangat rendah. Bahan ini tidak berwarna dan sangat cair.

Sifat helium cair

Dalam keadaan cecair, helium tidak dapat dibezakan, kerana ia lemah membiasakan sinar cahaya. Dalam keadaan tertentu, ia mempunyai sifat-sifat cecair kuantum. Oleh kerana ini pada tekanan normal, ia tidak dapat mengkristal walaupun pada suhu -273.15 Celcius (sifar mutlak). Semua bahan lain yang diketahui dapat dikuatkan di bawah keadaan sedemikian.

Suhu helium cair, di mana ia mula mendidih, adalah -268.9 darjah Celcius. Sifat fizikal isotopnya berbeza-beza. Oleh itu, helium-4 mendidih pada suhu 4.215 K.

Ia adalah cecair Bose, yang dicirikan oleh peralihan fasa pada suhu 2.172 Kelvin dan bawah. Fasa He II dicirikan oleh kekurangan sifat dan kekonduksian superthermal. Pada suhu di bawah fasa, Dia I dan He II berlaku serentak, akibatnya dua halaju bunyi muncul dalam cecair.

Helium-3 adalah cecair Fermi. Ia mendidih pada suhu 3.19 Kelvin. Isotop itu mampu mencapai superfluid hanya pada suhu yang sangat rendah (beberapa millikelvin), apabila tarikan yang mencukupi muncul di antara zarahnya.

Superfluiditi helium

Ahli akademik Kapitza SP dan LD Landau mengkaji konsep keterlaluan. Ahli akademik Kapitsa, mempelajari sifat helium cair pada tahun 1938, menyatakan bahawa mendekati sifar mutlak, bendalir kehilangan kelikatannya, bukan pengerasan.

Ahli akademik menyimpulkan bahawa selepas suhu helium jatuh di bawah 2,172 K, bahan yang dilepaskan dari fasa keadaan normal ke helium-II yang baru, yang dinamakan. Pada fasa ini, bahan tersebut melalui kapilari dan apertur sempit tanpa geseran. Keadaan sedemikian dipanggil "superfluiditi".

Pada tahun 1941, LD Landau terus mengkaji sifat-sifat helium cair dan membangunkan teori superfluiditi. Terangkannya, dia mengambil kaedah kuantum, dengan menggunakan tanggapan spektrum tenaga kegembiraan.

Penggunaan helium

Unsur helium ditemui dalam spektrum Matahari pada tahun 1868. Di Bumi, dia telah ditemui oleh William Ramsay pada tahun 1895, selepas itu ia telah dipelajari untuk masa yang lama dan tidak digunakan dalam bidang ekonomi. Dalam aktiviti perindustrian ia digunakan sebagai bahan api untuk kapal udara semasa Perang Dunia Pertama.

Gas digunakan secara aktif untuk pembungkusan dalam industri makanan, dalam peleburan logam. Ahli geologi menggunakannya untuk mengesan kerosakan di kerak bumi. Helium cecair terutamanya digunakan sebagai penyejuk yang mampu mengekalkan suhu ultra rendah. Harta ini diperlukan untuk penyelidikan saintifik.

Cecair penyejuk digunakan dalam mesin elektrik cryogenic, dalam mengimbas mikroskop terowong, dalam alat perubatan pengimbas NMR, dalam pemecut zarah yang dikenakan.

Kesimpulannya

Helium adalah gas lengai atau mulia, mempamerkan aktiviti yang rendah dalam interaksi dengan bahan-bahan lain. Dalam sistem berkala unsur-unsur kimia, ia berada di tempat kedua, menghasilkan hidrogen. Secara semula jadi, bahan itu berada dalam keadaan gas. Dalam keadaan tertentu, ia boleh dipindahkan ke keadaan agregat lain.

Ciri utama helium cair adalah superfluiditi dan bukan keupayaan untuk mengkristal pada tekanan normal, walaupun suhu mencapai sifar mutlak. Sifat-sifat isotop bahan tidak sama. Suhu kritikal mereka, keadaan mendidih mereka, dan juga nilai putaran zarah mereka berbeza.