Химия - Твёрдый гелий - Физические свойства

01 марта 2011


Оглавление:
1. Твёрдый гелий
2. Физические свойства
3. Сверхтекучесть в твёрдом гелии

Физические свойства гелия:

Свойство	He	He
Молярный объём, см³/моль	21,1	24
Минимальное давление образования, атм	25	29
Плотность твёрдого гелия, г/см³	0,187
Плотность жидкого гелия, г/см³	0,145	0,08235

Твёрдый гелий — кристаллическое прозрачное вещество, причем границу между твёрдым и жидким гелием трудно обнаружить, так как их рефракции близки. Плотность твёрдого гелия очень мала, она составляет 0,187 г/см³. Для образования твёрдого He необходимо ещё более высокое давление и ещё более низкая температура. Плотность его ещё ниже.

Свойства гелия-4

Для твёрдого гелия-4 характерен такой квантовый эффект, как кристаллизационные волны. Этот эффект состоит в слабо затухающих колебаниях границы раздела фаз «квантовый кристалл — сверхтекучая жидкость». Колебания возникают при незначительном механическом воздействии на систему «кристалл-жидкость». Достаточно при температуре <0,5 К слегка качнуть прибор, как граница между кристаллом и жидкостью начинает колебаться так, как будто это граница между двумя жидкостями.

Энтропия и энтальпия плавления He при температурах <1 К обращаются в 0.

Для He основная сингония — гексагональная. На фазовой диаграмме видна небольшая область, где He переходит в кубическую сингонию. При относительно больших давлениях и температуре ~15 К появляется новая кубическая фаза ГЦК.

На рисунке обозначения фаз:

• hcp — гексагональная плотная упаковка;
• fcc — гранецентрированная кубическая;
• bcc — объемоцентрированная кубическая.

Свойства гелия-3

При давлениях <100 атм He кристаллизуется в кубической сингонии. Выше ~100 атм твёрдый He переходит в фазу с гексагональной симметрией. Так же как и He, He при давлениях >1000 атм и ~15 К переходит в кубическую фазу.

Ниже 0,3 К термодинамические свойства жидкого и твёрдого гелия-3 необычны в том отношении, что при адиабатическом сжатии жидкий гелий охлаждается, причем с увеличением сжатия охлаждение продолжается, пока жидкая фаза не превратится в твёрдую. Это объясняется значительным вкладом ядерного магнетизма гелия-3 в его энтальпию. Эффект получил название компрессионное охлаждение гелия-3. Такой характер поведения гелия-3 был теоретически предсказан И.  Я.  Померанчуком в 1950 г. и экспериментально подтвержден У. М. Фейрбенком и Г. К. Уолтерсом, Ю. Д. Ануфриевым. С тех пор охлаждение методом адиабатического сжатия применяется во многих лабораториях. Такой метод позволяет, начиная с низких температур, поддерживаемых криостатом растворения, получать температуры ниже 0,003 К, достаточно низкие для проведения экспериментов со сверхтекучим гелием.

Кривая плавления He при Т<0,3 К имеет отрицательную производную. Вследствие этого для гелия-3 наблюдается необычный физический эффект. Если жидкий гелий-3, который находится при температуре <0,01 К и давлении 30 — 33 атм, нагревать, то при ~0,3 — 0,6 К жидкость замерзнет.

Для твёрдого гелия-3 также характерен квантовый эффект кристаллизационных волн, но проявляется он при температурах <10 K.

Просмотров: 3872

<<< Изотопы гелия

Эффект Померанчука >>>