Hēlijs pieder pie cēlgāzu grupas. Šķidrais hēlijs ir aukstākais šķidrums pasaulē. Šajā agregāta stāvoklī tam ir vairākas unikālas īpašības, piemēram, superfluiditāte un supravadītspēja. Mēs uzzināsim vairāk par tā īpašībām vēlāk.
Hēlija gāze
Hēlijs ir vienkārša viela, kas Visumā plaši izplatīta gāzveida stāvoklī. Mendeļejeva periodiskajā tabulā viņš ir otrais un atrodas uzreiz aiz ūdeņraža. Tas attiecas uz inertām vai cēlgāzēm.
Elements ir apzīmēts kā "Viņš". No sengrieķu valodas tā nosaukums nozīmē "Saule". Sākumā tika pieņemts, ka tas ir metāls. Tomēr izrādījās, ka šī ir monatomiskā gāze. Hēlijs ir otrā vieglākā ķīmiskā viela, un tai nav garšas, krāsas un smaržas. Ir zemākā viršanas temperatūra.
Parastos apstākļos tā ir ideāla gāze. Papildus gāzveida, tas spēj būt cietā un šķidrā stāvoklī. Tās inerce izpaužas neaktīvā mijiedarbībā ar citām vielām. Tas praktiski nešķīst ūdenī. Rūpnieciskiem nolūkiem to iegūst no dabasgāzes, atdalot to no piemaisījumiem arizmantojot spēcīgu dzesēšanu.
Gāze var būt bīstama cilvēkiem. Tā koncentrācijas palielināšanās gaisā noved pie skābekļa trūkuma asinīs, ko medicīnā sauc par skābekļa badu. Ja tiek uzņemts lielos daudzumos, tas izraisa vemšanu, samaņas zudumu un dažreiz nāvi.
Hēlija sašķidrināšana
Noteiktos apstākļos jebkura gāze var nonākt šķidrā agregācijas stāvoklī. Sašķidrināšanu parasti izmanto rūpniecībā, kā arī zinātniskajos pētījumos. Dažām vielām pietiek vienkārši palielināt spiedienu. Citi, piemēram, hēlijs, kļūst šķidri tikai pēc atdzesēšanas.
Ja gāzes temperatūra ir virs kritiskā punkta, tā nekondensēsies neatkarīgi no spiediena. Hēlijam kritiskais punkts ir 5,19 kelvini, tā izotopam 3He tas ir 3,35 K.
Šķidrais hēlijs ir gandrīz ideāls šķidrums. To raksturo virsmas spraiguma, viskozitātes trūkums. Pēc spiediena un temperatūras maiņas tā tilpums paliek nemainīgs. Šķidrajam hēlijam ir ārkārtīgi zems spriegums. Viela ir bezkrāsaina un ļoti šķidra.
Šķidrā hēlija īpašības
Šķidrā stāvoklī hēlijs ir slikti atšķirams, jo tas vāji lauž gaismas starus. Noteiktos apstākļos tam piemīt kvantu šķidruma īpašības. Sakarā ar to normālā spiedienā tas nekristalizējas pat temperatūrā –273,15 Celsija (absolūtā nulle). Visas pārējās zināmās vielas šādos apstākļos sacietē.
Temperatūra, kurā šķidrais hēlijs sāk vārīties, ir -268,9 grādi pēc Celsija. Tās izotopu fizikālās īpašības ievērojami atšķiras. Piemēram, hēlijs-4 vārās 4,215 K.
Tas ir Bose šķidrums, kam raksturīgas fāzu pārejas 2 172 kelvinu un zemākā temperatūrā. He II fāzi raksturo superfluiditāte un supertermiskā vadītspēja. Temperatūrā, kas zemāka par fāzi, He I un He II notiek vienlaikus, kā dēļ šķidrumā parādās divi skaņas ātrumi.
Hēlijs-3 ir Fermi šķidrums. Tas vārās pie 3,19 kelviniem. Izotops var sasniegt superfluiditāti tikai ļoti zemā temperatūrā (daži milikelvini), ja starp tā daļiņām ir pietiekama pievilcība.
Hēlija superfluiditāte
Zinātne ir parādā superfluiditātes jēdziena izpēti akadēmiķiem S. P. Kapitsai un L. D. Landau.
Akadēmiķis secināja, ka pēc hēlija temperatūras pazemināšanās zem 2172 K viela no normālā stāvokļa fāzes pāriet uz pilnīgi jaunu, ko sauc par hēliju-II. Šajā fāzē viela iziet cauri kapilāriem un šauriem caurumiem bez mazākās berzes. Šo stāvokli sauc par "superfluiditāti".
1941. gadā Landau L. D. turpināja pētīt šķidrā hēlija īpašības un izstrādāja superfluiditātes teoriju. Paskaidrojietviņš to pieņēma ar kvantu metodēm, pielietojot ierosinājumu enerģijas spektra jēdzienu.
Hēlija aplikācijas
Elements hēlijs tika atklāts Saules spektrā 1868. gadā. Uz Zemes to atklāja Viljams Remzijs 1895. gadā, pēc tam to ilgi pētīja un neizmantoja ekonomiskajā sfērā. Rūpnieciskajā darbībā to sāka izmantot kā degvielu dirižabļiem Pirmā pasaules kara laikā.
Gāzi aktīvi izmanto iepakošanai pārtikas rūpniecībā, metālu kausēšanā. Ģeologi to izmanto, lai atklātu defektus zemes garozā. Šķidrais hēlijs galvenokārt tiek izmantots kā aukstumaģents, kas spēj uzturēt īpaši zemu temperatūru. Šis īpašums ir nepieciešams zinātniskiem pētījumiem.
Dzesēšanas šķidruma šķidrumu izmanto kriogēnās elektriskās iekārtās, skenējošos tunelēšanas mikroskopos, medicīnas KMR tomogrāfu ierīcēs, uzlādētu daļiņu paātrinātājos.
Secinājums
Hēlijs ir inerta vai cēlgāze, kurai ir zema aktivitāte mijiedarbībā ar citām vielām. Ķīmisko elementu periodiskajā tabulā tas ir otrajā vietā aiz ūdeņraža. Dabā viela atrodas gāzveida stāvoklī. Noteiktos apstākļos tas var nonākt citos apkopošanas stāvokļos.
Šķidrā hēlija galvenā iezīme ir tā superfluiditāte un nespēja kristalizēties normālā spiedienā, pat ja temperatūra sasniedz absolūto nulli. Vielas izotopu īpašības nav vienādas. Viņu kritiskietemperatūras, to viršanas apstākļi un to daļiņu griešanās.
