| 词条 | 液态氦 |
| 释义 | 液态氦 liquid helium 在极低温度下气态氦转变为液态氦 。由于氦原子间的相互作用（范德瓦耳斯力）和原子质量都很小，很难液化，更难凝固 。富同位素4He的气液相变曲线如图1。4He的临界温度和临界压强分别为5.20K和2.26大气压，一个大气压下的温度为4.215K 。在常压下，温度从临界温度下降至绝对零度时，氦始终保持为液态，不会凝固，只有在大于25大气压时才出现固态。普通液氦是一种很易流动的无色液体，其表面张力极小，折射率和气体差不多，因而不易看到它。液态4He包括性质不同的两个相 ，分别称为HeⅠ和HeⅡ，在两个相之间的转变温度处，液氦的密度、电容率和比热容均呈现反常的增大。两个液相HeⅠ和HeⅡ间的转变温度称为λ点，饱和蒸气压下的λ点为2.172K，压强增加时，λ点移向较低的温度，两个液相的相变曲线为一直线，称为λ线(图1)。 图1 液态氨 液氦具有一系列引人注目的特点，主要表现在以下几方面。 超流动性 普通液体的粘滞度随温度的下降而增高，与此不同，HeⅠ的粘滞度在温度下降到2.6K左右时 ，几乎与温度无关 ，其数值约为3×10-6帕秒，比普通液体的粘滞度小得多。在2.6K以下，HeⅠ的粘滞度随温度的降低而迅速下降。HeⅡ的粘滞度在λ点以下的温度时立刻降至非常小的值（＜10-12帕秒），这种几乎没有粘滞性的特性称为超流动性。用粗细不同的毛细管做实验时，发现流管愈细，超流动性就愈明显，在直径小于10-5厘米的流管中，流速与压强差和流管长度几乎无关，而仅取决于温度，流动时不损耗动能。 对HeⅡ性质的理论研究首先由F.伦敦作出。4He原子是自旋为整数的玻色子，伦敦把HeⅡ看成是由玻色子组成的玻色气体，遵守玻色统计规律，玻色统计允许不同粒子处于同一量子态中。伦敦证明了存在一个临界温度Tc，当温度低于Tc时，一些粒子会同时处于零点振动能状态（即基态），称为凝聚，温度愈低，凝聚到零点振动能状态的粒子数就愈多，在绝对零度时，全部粒子都凝聚到零点振动能状态，以上现象称为玻色-爱因斯坦凝聚 。L.蒂萨认为HeⅡ的超流动性起因于玻色-爱因斯坦凝聚 。由于已凝聚到基态的HeⅡ原子具有最低的零点振动能，故有极大的平均自由程，能够几乎无阻碍地通过极细的毛细管。蒂萨首先提出二流体型，后来L.D.朗道修正和补充了此模型。二流体模型认为HeⅡ由两部分独立的、可互相渗透的流体组成，一种是处于基态的凝聚部分，熵等于零，无粘滞性，是超流体；另一种是处于激发态（未凝聚）的正常流体，熵不等于零，有粘滞性。两种流体的密度之和等于HeⅡ的总密度，温度降至λ点时，正常流体开始部分地转变为超流体，温度愈低，超流体的密度愈大，而正常流体的密度则愈小，在绝对零度时，所有原子都处于凝聚状态，全部流体均为超流体。利用这个二流体模型可解释关于液氦的许多力学和热学性质。 热传导 HeⅠ具有普通流体的导热率，因而当减小压强时，液氦出现激烈的沸腾现象。HeⅡ的导热率要比HeⅠ高出106倍，比铜高出104倍。当温度越过λ点，HeⅠ转变为HeⅡ时，液氦从很坏的热导体突然变为到目前为止最好的热导体。由于HeⅡ的导热率异乎寻常地高，其内部不可能出现温差 ，因而内部不可能汽化，即不能沸腾。当利用抽气方法减低蒸气压时，开始阶段出现激烈的沸腾，温度降低至λ点以下时，HeⅠ转变为HeⅡ，沸腾突然停止，液面平静如镜，汽化只发生在液面。正常流体的导热率与温度梯度无关，纯粹是反映物质性质的量，但HeⅡ的导热率却与温度梯度甚至容器的几何形状有关。 氦膜 任何与HeⅡ接触的器壁上覆盖一层液膜，液膜中只包含无粘滞性的超流体成分，称为氦膜。氦膜的存在使液氦能沿器壁向尽可能低的位置移动。将空的烧杯部分地浸于HeⅡ中时，烧杯外的液氦将沿烧杯外壁爬上杯口，并进入杯内，直至杯内和杯外液面持平。反之，将盛有液氦的烧杯提出液氦面时，杯内液氦将沿器壁不断转移到杯外并滴下。液氦的这种转移的速率与液面高度差、路程长短和障壁高度无关。 热效应 包括机-热和热-机两种效应。如图2a，盛有液氦的两个容器用极细的毛细管C连通，注入液氦，温度低于λ点，右侧液面高于左侧 ，形成压强差Δp。液氦中低熵超流成分能从右侧通过毛细管转移到左侧，而高熵的正常成分不能通过毛细管。这导致右侧液氦的熵增加，左侧的熵减少，这意味着右侧温度升高而左侧温度降低。这种由机械力引起的热量迁移称为机-热效应 。机-热效应的逆过程称为热-机效应，如图2b所示。右侧液氦受热后（吸热Q），低熵的超流成分减少，左侧液氦中的超流成分通过毛细管流向右侧，而正常成分不能通过毛细管，这导致右侧液面升高形成压强差。图2c是演示热-机效应的“喷泉”装置。带毛细管喷嘴的无底玻璃管的填充金刚砂粉末P，用棉花C塞住底部，浸入液氦中。用光照射玻璃管，使管内的液氦温度升高，超流成分激发成正常成分。管外的超流成分通过棉花塞向管内转移，形成内外压强差，液氦从喷嘴喷出。 图2 第二声波 普通流体中的声波是由密度交替变化形成的，称密度波。1941年朗道发展了量子液体的流体动力学，预言在HeⅡ中除普通密度波（称第一声波）外，还存在另一种声波，它是由液氦中超流成分（低熵，温度较低）与正常流体成分（高熵，温度较高）的相对运动形成的，称为温度波或熵波（第二声波）。实验证实了温度波的存在。 3He是4He的同位素，在天然氦中所占比例小于10-7，通过人工核反应可得足够数量的3He。3He的临界温度和临界压强分别为3.34K和1.17大气压。与4He一样，在常压下液态3He不会固化，在绝对零度附近需加34个大气压才能固化。1972年，D.D.奥舍罗夫等人在2mK低温下发现了两个3He的液态新相，分别称为3He-A和3He-B，它们均为超流态。液态3He和4He在0.87K以上温度时完全互溶，在该温度以下则分离成两相，按3He所占比例的多少分别称为浓相（含3He较多）和稀相(含3He较少)，浓相浮于稀相之上（因3He比4He轻）。3He原子从浓相通过界面进入稀相时要吸热，这就是稀释致冷机的工作原理（见超低温技术)。3He原子的电子总自旋为零，核自旋为1／2，故与电子一样属费米子，遵守费米-狄拉克统计，液态3He称为费米液体，正常态的液态3He的性质可用朗道的费米液体理论描述。 |
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