Гелий — это уникальный химический элемент, который сочетает в себе статус самого холодного известного неметалла и обладателя удивительного квантового явления — сверхтекучести. При экстремально низких температурах он переходит в состояние сверхтекучей жидкости, которая способна течь без трения, просачиваться через мельчайшие поры и демонстрировать аномально высокую теплопроводность. Это делает гелий не только рекордсменом по температуре кипения, но и одним из самых загадочных объектов изучения в квантовой физике.
📌 Что такое сверхтекучесть?
Сверхтекучесть — это макроскопическое квантовое явление, при котором жидкость теряет всякую вязкость и приобретает способность протекать через узкие щели и капилляры без трения . Единственным веществом, у которого это свойство удалось наблюдать в макроскопических масштабах, является жидкий гелий, охлажденный ниже так называемой λ-точки (2,17 К для изотопа гелий-4) .
При температуре ниже λ-точки гелий переходит в состояние, известное как гелий-II. Эта фаза обладает рядом аномальных свойств:
- Нулевая вязкость: Гелий-II течет без трения по любой поверхности .
- Сверхтеплопроводность: Теплопроводность гелия-II в миллионы раз превышает теплопроводность гелия-I (обычной фазы жидкого гелия) и на порядок выше теплопроводности меди и серебра .
- Пленочный эффект: Гелий-II способен образовывать тончайшие пленки, которые "ползут" вверх по стенкам сосуда, преодолевая силу тяжести. Если погрузить пустой сосуд в гелий-II частично, жидкость будет подниматься по стенкам, перетекать через край и заполнять сосуд до уровня жидкости снаружи .
❓ Почему гелий становится сверхтекучим?
Объяснение сверхтекучести лежит в области квантовой механики. Атомы гелия-4 являются бозонами (частицами с целым спином), что позволяет им при сверхнизких температурах собираться в одном квантовом состоянии — формировать конденсат Бозе-Эйнштейна .
- Различие изотопов: Гелий-3, в отличие от гелия-4, является фермионом. Его сверхтекучесть наблюдается при значительно более низких температурах (около 0,0025 К) и требует предварительного образования куперовских пар — связанных состояний двух фермионов, которые вместе ведут себя как бозон .
- Двухжидкостная модель: Для объяснения поведения гелия-II Л. Д. Ландау предложил двухжидкостную модель. Согласно этой модели, гелий-II представляет собой смесь двух взаимопроникающих компонент: сверхтекучей (лишенной вязкости и энтропии) и нормальной (ведущей себя как обычная жидкость) . Доля сверхтекучей компоненты возрастает от нуля при λ-точке до 100% при абсолютном нуле температуры .
🥶 Гелий — самый холодный неметалл
Гелий является неметаллом, что определяется его положением в правой верхней части Периодической системы (группа 18 — благородные газы) и характерными неметаллическими свойствами . Среди всех неметаллов, да и среди всех известных веществ, гелий удерживает абсолютный рекорд по самой низкой температуре кипения .
температуры кипения гелия и других криогенных веществ:
Гелий-4 -269 °C (4,2 K)
Гелий-3 -270 °C (3,2 K)
Водород -253 °C (20 K)
Азот -196 °C (77 K)
Кислород -183 °C (90 K)
Уникальное свойство гелия заключается в том, что он не затвердевает при нормальном давлении даже при температуре абсолютного нуля (-273,15°C). Для перевода гелия в твердое состояние необходимо, помимо низкой температуры, создать давление не менее 25 атмосфер .
🔬 История открытия и исследования
Исследование гелия и его сверхтекучих свойств — это история научных прорывов, отмеченных Нобелевскими премиями.
- 1908 — Хейке Камерлинг-Оннес впервые получил жидкий гелий, охладив газ до температуры около 4 K . За эти исследования он получил Нобелевскую премию в 1913 году.
- 1938 — Петр Капица, Джон Аллен и Дон Мизенер независимо обнаружили явление сверхтекучести в гелии-II . Капица получил за это открытие Нобелевскую премию по физике в 1978 году.
- 1941 — Лев Ландау разработал теорию сверхтекучести гелия-II, основанную на двухжидкостной модели . За эту работу он был удостоен Нобелевской премии по физике в 1962 году.
- 2000-е годы — Исследования сверхтекучести расширились на новые системы: бозе-конденсаты разреженных атомов щелочных металлов, ультрахолодные ферми-газы, а также предпринимались попытки обнаружить сверхтекучесть в твердом гелии .
💡 Практическое применение сверхтекучего гелия
Уникальные свойства сверхтекучего гелия нашли применение в ряде высокотехнологичных областей:
- Криогенная техника: Жидкий гелий является незаменимым хладагентом для получения сверхнизких температур в научных экспериментах .
- Охлаждение сверхпроводящих магнитов: Большие установки, такие как ускорители частиц (БАК в ЦЕРНе) или медицинские томографы (МРТ), используют сверхпроводящие магниты, которые охлаждаются сверхтекучим гелием .
- Космическая техника: Сверхтекучий гелий используется для охлаждения инфракрасных детекторов и других чувствительных приборов на космических телескопах .
- Фундаментальные исследования: Изучение квантовых вихрей, эффекта Джозефсона и других явлений в сверхтекучем гелии позволяет углублять понимание квантовой гидродинамики и макроскопических квантовых явлений .
🔭 Современные исследования и перспективы
Исследования сверхтекучего гелия продолжаются и в XXI веке, открывая новые грани этого удивительного состояния материи.
- В 2020-х годах физикам удалось "потрогать" сверхтекучую жидкость с помощью специального зонда. Оказалось, что основная масса сверхтекучего гелия-3 ведет себя почти как вакуум, а взаимодействие с зондом происходит лишь через тонкий двумерный поверхностный слой, отводящий тепло .
- Ведутся активные исследования квантовой турбулентности в сверхтекучем гелии — сложного вихревого движения, подчиняющегося законам квантовой механики .
- Ученые продолжают изучать связь между сверхтекучестью и сверхпроводимостью, а также ищут новые материалы, способные переходить в сверхтекучее состояние .
💎 Заключение
Гелий представляет собой удивительный пример того, как при экстремальных условиях вещество начинает подчиняться законам квантового мира, проявляя макроскопические квантовые эффекты. Будучи одновременно самым холодным неметаллом и уникальной сверхтекучей жидкостью, гелий продолжает оставаться объектом интенсивных исследований, которые не только расширяют наши фундаментальные знания о природе материи, но и находят практическое применение в самых передовых технологиях.
Изучение гелия — это окно в мир квантовой гидродинамики, где стирается граница между микро- и макромиром, а вещество проявляет свойства, бросающие вызов нашей классической интуиции.
