Helij pripada skupini plemenitih plinova. Tekući helij je najhladnija tekućina na svijetu. U ovom agregatnom stanju ima niz jedinstvenih značajki, kao što su superfluidnost i supravodljivost. Kasnije ćemo saznati više o njegovim svojstvima.
Plin helij
Helij je jednostavna tvar široko rasprostranjena u Svemiru u plinovitom stanju. U periodnom sustavu Mendeljejeva on je drugi i odmah iza vodika. Odnosi se na inertne ili plemenite plinove.
Element je označen kao "On". Od starogrčkog, njegovo ime znači "Sunce". U početku se pretpostavljalo da je metal. Međutim, pokazalo se da je riječ o jednoatomskom plinu. Helij je druga najlakša kemikalija i bez okusa, boje i mirisa. Ima najnižu točku ključanja.
U normalnim uvjetima, to je idealan plin. Osim u plinovitom, sposoban je biti u čvrstom i tekućem stanju. Njegova se inertnost očituje u neaktivnoj interakciji s drugim tvarima. Praktički je netopiv u vodi. Za industrijske svrhe, ekstrahira se iz prirodnog plina, odvajajući ga od nečistoća skorištenjem jakog hlađenja.
Plin može biti opasan za ljude. Povećanje njegove koncentracije u zraku dovodi do nedostatka kisika u krvi, što se u medicini naziva gladovanje kisikom. Kada se proguta u velikim količinama, uzrokuje povraćanje, gubitak svijesti, a ponekad i smrt.
Ukapljivanje helija
Svaki plin može prijeći u tekuće agregacijsko stanje pod određenim uvjetima. Ukapljivanje se obično koristi u industriji, kao iu znanstvenim istraživanjima. Za neke tvari dovoljno je jednostavno povećati tlak. Drugi, poput helija, postaju tekući tek kada se ohlade.
Ako je temperatura plina iznad kritične točke, neće se kondenzirati, bez obzira na tlak. Za helij, kritična točka je 5,19 Kelvina, za njegov izotop 3He je 3,35 K.
Tekući helij je gotovo savršena tekućina. Karakterizira ga odsutnost površinske napetosti, viskoznosti. Nakon promjene tlaka i temperature, njegov volumen ostaje isti. Tekući helij ima izuzetno nisku napetost. Tvar je bezbojna i vrlo fluidna.
Svojstva tekućeg helija
U tekućem stanju, helij se slabo razlikuje, jer slabo lomi svjetlosne zrake. Pod određenim uvjetima ima svojstva kvantne tekućine. Zbog toga, pri normalnom tlaku, ne kristalizira ni na temperaturi od −273,15 Celzijusa (apsolutna nula). Sve ostale poznate tvari stvrdnjavaju se pod ovim uvjetima.
Temperatura na kojoj tekući helij počinje ključati je -268,9 stupnjeva Celzijusa. Fizička svojstva njegovih izotopa znatno se razlikuju. Na primjer, helij-4 ključa na 4,215 K.
To je Bose tekućina, koju karakteriziraju fazni prijelazi na temperaturama od 2, 172 Kelvina i niže. Fazu He II karakteriziraju superfluidnost i supertermalna vodljivost. Na temperaturama ispod faze, He I i He II se javljaju istovremeno, zbog čega se u tekućini pojavljuju dvije brzine zvuka.
Helij-3 je Fermijeva tekućina. Vri na 3,19 Kelvina. Izotop može postići superfluidnost samo na vrlo niskim temperaturama (nekoliko milikelvina) kada postoji dovoljno privlačenja između njegovih čestica.
Superfluidnost helija
Znanost duguje proučavanje koncepta superfluidnosti akademicima S. P. Kapitsa i L. D. Landau.
Akademik je zaključio da nakon što temperatura helija padne ispod 2,172 K, tvar prelazi iz faze normalnog stanja u potpuno novo, nazvano helij-II. U ovoj fazi tvar prolazi kroz kapilare i uske rupe bez i najmanjeg trenja. Ovo stanje se naziva "superfluidnost".
Godine 1941. Landau L. D. nastavio je proučavati svojstva tekućeg helija i razvio teoriju superfluidnosti. Objasnitiuzeo ga je kvantnim metodama, primjenjujući koncept energetskog spektra ekscitacije.
Primjena helija
Element helij otkriven je u spektru Sunca 1868. Na Zemlji ga je otkrio William Ramsay 1895. godine, nakon čega se dugo proučavao i nije se koristio u ekonomskoj sferi. U industrijskoj djelatnosti počeo se koristiti kao gorivo za zračne brodove tijekom Prvog svjetskog rata.
Plin se aktivno koristi za pakiranje u prehrambenoj industriji, u topljenju metala. Geolozi ga koriste za otkrivanje rasjeda u zemljinoj kori. Tekući helij se uglavnom koristi kao rashladno sredstvo koje može održavati ultra niske temperature. Ovo svojstvo potrebno je za znanstveno istraživanje.
Tekućina za hlađenje se koristi u kriogenim električnim strojevima, u skenirajućim tunelskim mikroskopima, u uređajima medicinskih NMR tomografa, u akceleratorima nabijenih čestica.
Zaključak
Helij je inertan ili plemeniti plin koji pokazuje nisku aktivnost u interakciji s drugim tvarima. U periodnom sustavu kemijskih elemenata nalazi se na drugom mjestu, iza vodika. U prirodi je materija u plinovitom stanju. Pod određenim uvjetima, može ići u druga stanja agregacije.
Glavna značajka tekućeg helija je njegova superfluidnost i nemogućnost kristalizacije pri normalnom tlaku, čak i ako temperatura dosegne apsolutnu nulu. Svojstva izotopa neke tvari nisu ista. Njihova kritičkatemperature, uvjeti njihovog ključanja i vrtnje njihovih čestica.
