الهيليوم السائل

📅 آخر تحديث: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 6 صور
الموسوعة الحرة

الهيليوم السائل هو حالة فيزيائية للهيليوم عند درجات حرارة منخفضة للغاية وضغوط جوية قياسية . وقد يُظهر الهيليوم السائل خاصية الميوعة الفائقة .

في الظروف القياسية، يوجد عنصر الهيليوم في الحالة السائلة فقط عند درجة حرارة منخفضة للغاية تبلغ -269 درجة مئوية (-452.20 درجة فهرنهايت؛ 4.15 كلفن) . وتعتمد درجة غليانه ونقطته الحرجة على نظير الهيليوم الموجود: النظير الشائع هيليوم-4 أو النظير النادر هيليوم-3 . وهذان هما النظيران المستقران الوحيدان للهيليوم. انظر الجدول أدناه لمعرفة قيم هذه الكميات الفيزيائية. تبلغ كثافة الهيليوم-4 السائل عند درجة غليانه وضغط جوي واحد ( 101.3 كيلوباسكال ) حوالي 125 غ/لتر (0.125 غ/مل) ، أي ما يعادل ثُمن كثافة الماء السائل تقريبًا . [ 1 ]     

التسييل

تم تسييل الهيليوم لأول مرة في 10 يوليو 1908 على يد الفيزيائي الهولندي هايك كامرلينغ أونيس في جامعة ليدن بهولندا . [ 2 ] في ذلك الوقت، كان الهيليوم-3 غير معروف لأن مطياف الكتلة لم يكن قد اختُرع بعد. في العقود الأخيرة، استُخدم الهيليوم السائل كمبرد فائق ( يُستخدم في أجهزة التبريد الفائق )، ويُنتج تجاريًا لاستخدامه في المغناطيسات فائقة التوصيل ، مثل تلك المستخدمة في التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، والرنين المغناطيسي النووي (NMR)، وتخطيط الدماغ المغناطيسي (MEG)، وتجارب فيزيائية ، مثل مطيافية موسباور عند درجات حرارة منخفضة . يحتوي مصادم الهادرونات الكبير على مغناطيسات فائقة التوصيل تُبرّد بـ 120 طنًا من الهيليوم السائل. [ 3 ]

الهيليوم-3 المسال

ذرة الهيليوم -3 هي فرميون ، وعند درجات حرارة منخفضة للغاية، تشكل أزواج كوبر ثنائية الذرات ، وهي بوزونية وتتكثف لتشكل مائعًا فائقًا . هذه الأزواج من كوبر أكبر بكثير من المسافة بين الذرات.

صفات

مخطط طور الهيليوم-4
نظائر الهيليوم السائل-3 و-4 في مخطط الطور، موضحة منطقة الفصل.

تُعدّ درجة الحرارة اللازمة لإنتاج الهيليوم السائل منخفضةً نظرًا لضعف قوى التجاذب بين ذرات الهيليوم. هذه القوى بين الذرات ضعيفةٌ في الأصل لأن الهيليوم غاز نبيل ، ولكنها تتضاءل أكثر بفعل تأثيرات ميكانيكا الكم . وتكتسب هذه القوى أهميةً بالغةً في الهيليوم نظرًا لكتلته الذرية المنخفضة التي تبلغ حوالي أربعة دالتون . تنخفض طاقة نقطة الصفر للهيليوم السائل كلما قلّ تقييد ذراته بجيرانها. لذا، يمكن أن تنخفض طاقة الحالة الأرضية للهيليوم السائل بزيادة طبيعية في متوسط ​​المسافة بين ذراته. مع ذلك، عند المسافات الأكبر، تضعف تأثيرات قوى التجاذب بين الذرات في الهيليوم أكثر. [ 4 ]

بسبب ضعف الروابط بين ذرات الهيليوم، يبقى العنصر سائلاً عند الضغط الجوي من نقطة تسييله وصولاً إلى الصفر المطلق . عند درجات حرارة أقل من نقطة تسييله، يتحول كل من الهيليوم-4 والهيليوم-3 إلى حالة الميوعة الفائقة . (انظر الجدول أدناه). [ 4 ] لا يمكن تجميد الهيليوم السائل إلا في درجات حرارة منخفضة للغاية وضغوط عالية . [ 5 ]

لا يمتزج الهيليوم-4 السائل والهيليوم-3 النادر امتزاجًا تامًا . [ 6 ] عند درجة حرارة أقل من 0.9 كلفن وضغط بخارهما المشبع ، ينفصل مزيج النظيرين إلى طورين : سائل عادي (معظمه هيليوم-3) يطفو على سائل فائق الميوعة أكثر كثافة يتكون في معظمه من هيليوم-4. [ 7 ] يحدث هذا الانفصال الطوري لأن الكتلة الإجمالية للهيليوم السائل يمكن أن تقلل من محتواه الحراري الديناميكي عن طريق الانفصال.

عند درجات حرارة منخفضة للغاية، يمكن أن تحتوي المرحلة فائقة الميوعة، الغنية بالهيليوم-4، على ما يصل إلى 6% من الهيليوم-3 في المحلول. وهذا ما يجعل استخدام مبرد التخفيف على نطاق صغير ممكنًا، وهو قادر على الوصول إلى درجات حرارة تبلغ بضعة ملي كلفن . [ 6 ] [ 8 ]

يتمتع الهيليوم-4 فائق الميوعة بخصائص مختلفة بشكل كبير عن الهيليوم السائل العادي.

تاريخ

في عام 1908، نجح كامرلينغ-أونيس في تسييل كمية صغيرة من الهيليوم. وفي عام 1923، قدم المشورة للفيزيائي الكندي جون كانينغهام ماكلينان ، الذي كان أول من أنتج كميات من الهيليوم السائل عند الطلب تقريبًا. [ 9 ]

قام الفيزيائي السوفيتي ليف لاندو بعمل مبكر هام حول خصائص الهيليوم السائل ، ثم قام الفيزيائي الأمريكي ريتشارد فاينمان بتوسيع نطاق هذا العمل .

في عام 1961، أبلغ فيغنوس وفيربانك عن وجود طور مختلف من الهيليوم-4 الصلب، يُطلق عليه طور غاما. ويوجد هذا الطور ضمن نطاق ضيق من الضغط يتراوح بين 1.45 و1.78 كلفن. [ 10 ]

بيانات

خصائص الهيليوم السائلالهيليوم-4الهيليوم-3
درجة الحرارة الحرجة [ 4 ]5.2 كلفن (−267.95 درجة مئوية)  3.3 كلفن (−269.85 درجة مئوية)  
نقطة الغليان عند ضغط جوي واحد [ 4 ]4.2 كلفن (−268.95 درجة مئوية)  3.2 كلفن (−269.95 درجة مئوية)  
الحد الأدنى لضغط الانصهار [ 11 ]25 بار (360 رطل لكل بوصة مربعة)  29 بار (420 رطل لكل بوصة مربعة) عند 0.3 كلفن (-272.850 درجة مئوية)    
درجة حرارة التحول إلى حالة الميوعة الفائقة عند ضغط البخار المشبع2.17 كلفن (−270.98 درجة مئوية) [ 12 ]  1 ملي كلفن في غياب المجال المغناطيسي [ 13 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ "الخصائص المرصودة للهيليوم السائل عند ضغط البخار المشبع" . جامعة أوريغون . 2004.
  2. ↑ ويلكس (1967) ، ص 7.
  3. ↑ "علم التبريد: درجات حرارة منخفضة، أداء عالٍ" . سيرن . 28 يونيو 2023.
  4. 1 2 3 4 ويلكس (1967) ، ص. 1.
  5. ↑ هوربانيوك، بوغدان د. (2004). "التبريد وتكييف الهواء". موسوعة الطاقة : 261-289 . doi : 10.1016/B0-12-176480-X/00085-1 . ISBN 9780121764807.
  6. 1 2 د. أو. إدواردز؛ د. ف. بروير؛ ب. سيليغمان؛ م. سكيرتيتش؛ م. يعقوب (1965). "ذوبانية الهيليوم -3 في الهيليوم -4 السائل عند درجة حرارة 0 كلفن". مجلة Physical Review Letters ، المجلد 15 (20): 773. Bibcode : 1965PhRvL..15..773E . doi : 10.1103/PhysRevLett.15.773 .
  7. ↑ بريكوبينكو، ل؛ ترينر، ج. (16 يناير 1995). "انفصال الطور في مخاليط الهيليوم -3 السائلة - الهيليوم -4 : تأثير الحصر". رسائل المراجعة الفيزيائية . 74 (3): 430-433 . Bibcode : 1995PhRvL..74..430P . doi : 10.1103/PhysRevLett.74.430 . PMID 10058756 . 
  8. ↑ ويلكس (1967) ، ص 244.
  9. ↑ «حياة السير جون كانينغهام ماكلينان، الحاصل على درجة الدكتوراه، وزميل الجمعية الملكية للكيمياء، وزميل الجمعية الملكية، وحائز على وسام الإمبراطورية البريطانية، ووسام الإمبراطورية البريطانية من رتبة فارس (1867 - 1935)» . قسم الفيزياء بجامعة تورنتو. مؤرشف من الأصل بتاريخ 5 مايو 2006.
  10. ↑ فيغنوس، جيمس هـ.؛ فيربانك، هنري أ. (15 مارس 1961). "طور صلب جديد في H4 " . رسائل المراجعة الفيزيائية . 6 (6): 265-267 . Bibcode : 1961PhRvL...6..265V . doi : 10.1103/PhysRevLett.6.265 .
  11. ↑ ويلكس (1967) ، ص 474-478.
  12. ↑ ويلكس (1967) ، ص 289.
  13. ^ ديتر فولهارت وبيتر فولفل (1990). مراحل السوائل الفائقة للهليوم 3 . تايلور وفرانسيس. ص. 3. 
عام
  • فان سكيفر، ستيفن و. (2012). التبريد بالهيليوم . سلسلة الدراسات الدولية في التبريد (  الطبعة الثانية). نيويورك، نيويورك: سبرينغر. ISBN 978-1-4419-9978-8.
  • ويلكس، ج. (1967). خواص الهيليوم السائل والصلب . أكسفورد: مطبعة كلارندون. ISBN 0-19-851245-7.
  • فيزياء التجميد: هايك كامرلينغ أونيس والبحث عن البرودة، بقلم ديرك فان دلفت (2007). دار نشر إيديتا - دار النشر التابعة للأكاديمية الملكية الهولندية للفنون والعلوم. رقم ISBN 978-90-6984-519-7.