液氦

液氦 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4He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，如獲得超導(dǎo)性、超流性，被稱作He II，來與普通的液氦（He I）區(qū)別開。

物理性質(zhì)

概述
氦在通常情況下為無色、無味的氣體；熔點(diǎn)-27
液氦2.2℃（25個(gè)大氣壓），沸點(diǎn)-268.785℃；密度0.1785千克/升，臨界溫度-267.8℃，臨界壓力2.26大氣壓；水中溶解度8.61厘米³/千克水。氦是唯一不能在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下固化的物質(zhì)。液態(tài)氦在溫度下降至2.18K時(shí)（HeⅡ），性質(zhì)發(fā)生突變，成為一種超流體，能沿容器壁向上流動(dòng)，熱傳導(dǎo)性為銅的800倍，并變成超導(dǎo)體；其比熱容、表面張力、壓縮性都是反常的。
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。
普通液氦是一種很易流動(dòng)的無色液體，其表面張力極小，折射率和氣體差不多，因而不易看到它。液態(tài)4He包括性質(zhì)不同的兩個(gè)相，分別稱為HeⅠ和HeⅡ，在兩個(gè)相之間的轉(zhuǎn)變溫度處，液氦的密度、電容率和比熱容均呈現(xiàn)反常的增大。兩個(gè)液相HeⅠ和HeⅡ間的轉(zhuǎn)變溫度稱為λ點(diǎn)，飽和蒸氣壓下的λ點(diǎn)為2.172K，壓強(qiáng)增加時(shí)，λ點(diǎn)移向較低的溫度，兩個(gè)液相的相變曲線為一直線，稱為λ線。
超流體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(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)
氦的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，幾乎不與其他任何元素化合。
理論上的確有一些氦的化合物在極低溫極高壓狀態(tài)下可以存在。
在光譜中可以觀測到HeH+（已知最強(qiáng)的酸），而HeH的激發(fā)態(tài)可以作為準(zhǔn)分子存在。
詳見稀有氣體化合物詞條。
用途
氦是最不活潑的元素，而且極難液化。氦的應(yīng)用主要是作為保護(hù)氣體、氣冷式核反應(yīng)堆的工作流體和超低溫冷凍劑等等。氦氣在衛(wèi)星飛船發(fā)射、導(dǎo)彈武器工業(yè)、低溫超導(dǎo)研究、半導(dǎo)體生產(chǎn)等方面具有重要用途。