A szilárd hélium a hélium állapota az abszolút nullához közeli hőmérsékleten és a légköri nyomásnál jóval magasabb nyomáson. A hélium az egyetlen olyan elem , amely nem szilárdul meg, folyékony állapotban marad, légköri nyomáson és tetszőlegesen alacsony hőmérsékleten . A szilárd állapotba való átmenet csak 25 atm -nél nagyobb nyomáson lehetséges .
Miután Heike Kamerling-Onnes -nak 1908 -ban sikerült elérnie a hélium kondenzációját , megpróbált szilárd héliumot előállítani. A gőzök kiszivattyúzásával sikerült elérnie a λ-pontot (1,4 K ). A következő tíz évnyi kutatás során sikerült 0,8 K-re csökkenteni, de a hélium folyékony maradt. Willem Hendrik Keesom , Kamerling-Onnes tanítványa csak 1926 - ban tudott 1 cm³ szilárd héliumot előállítani nemcsak alacsony hőmérsékleten, hanem nagy nyomáson is.
Kísérleteim, amelyek lehetővé tették a hélium szilárd halmazállapotú előállítását, meglehetősen világosan megmutatták, hogy a hélium szilárd halmazállapotúvá történő átalakulásához nem csak olyan hőmérsékletre van szükség, amelyen az atomon belüli erők olyan mértékben legyőzik a hőmozgást, hogy az atomok csoportosíthatóak legyenek. kristályrácsba, de ez is szükséges , és a külső nyomás hatása, amelynek elég nagynak kell lennie ahhoz, hogy az atomon belüli erőket mozgásba hozza. Ilyen nyomás alkalmazása nélkül a hélium még az elért legalacsonyabb hőmérsékleten is folyékony marad, bár bizonyos hőmérsékleten hirtelen új, aggregált folyékony halmazállapotba kerülhet.
- Egy előadásból, amelyet az Ötödik Nemzetközi Hűtésügyi Kongresszus előtt tartottak Rómában, 1928. április 13., Nature, 123, 847, 1928
A hélium fizikai tulajdonságai:
| Ingatlan | 4 Ő | 3 Ő _ |
|---|---|---|
| Moláris térfogat, cm³/mol (bcc) | 21,1 (1,6 KB) | 24 (0,65 K) |
| Minimális képződési nyomás (kristályosodás), atm | 25 | 29 (0,3K) |
| Szilárd hélium sűrűsége, g/cm³ | 0,187 (0 K, 25 atm) | |
| Folyékony hélium sűrűsége, g/cm³ (0 K) | 0,145 | 0,08235 |
A szilárd hélium kristályos átlátszó anyag, a szilárd és a folyékony hélium határát nehéz felismerni, mivel törésmutatóik közel vannak. A szilárd hélium sűrűsége nagyon alacsony, 0,187 g / cm³ (kevesebb, mint a jég sűrűségének 20%-a -273 °C -on ). A szilárd 3 He képződése még nagyobb nyomást (29 atm) és még alacsonyabb hőmérsékletet (0,3 K) igényel. Sűrűsége még kisebb.
A szilárd hélium-4-et olyan kvantumhatás jellemzi, mint a kristályosodási hullámok . Ez a hatás a " kvantumkristály - szuperfolyékony folyadék" fázishatár gyengén csillapított oszcillációiból áll . A "kristály-folyadék" rendszer enyhe mechanikai hatásával rezgések lépnek fel. Elegendő 0,5 K alatti hőmérsékleten enyhén megrázni a készüléket, mivel a kristály és a folyadék határvonala oszcillálni kezd, mintha két folyadék határvonala lenne.
A 4 He fúziójának entrópiája és entalpiája <1 K hőmérsékleten 0-ra változik.
A 4 He esetében a fő szingónia hatszögletű ( hcp ). A fázisdiagram egy kis régiót mutat, ahol a 4 He átmegy a köbös rendszerbe ( bcc ). Viszonylag magas nyomáson (1000 atm) és ~15 K hőmérsékleten egy új fcc köbös fázis jelenik meg .
Az ábrán fázisjelölések:
<100 atm 3 nyomáson a he a köbös rendszerben (bcc) kristályosodik. ~100 atm felett szilárd 3 He átmegy egy hatszög szimmetriájú (hcp) fázisba. Valamint 4 He, 3 He >1000 atm és ~15 K nyomáson átmegy a köbös fázisba (fcc).
0,3 K alatt a folyékony és szilárd hélium-3 termodinamikai tulajdonságai abban szokatlanok, hogy adiabatikus kompresszió hatására a folyékony hélium lehűl, a kompresszió növekedésével pedig a hűtés addig tart, amíg a folyékony fázis szilárd halmazállapotúvá nem válik. Ez annak köszönhető, hogy a hélium-3 magmágnesessége jelentősen hozzájárul az entalpiához. A hatást a hélium-3 kompressziós hűtésének nevezik . A hélium-3 ezen viselkedését elméletileg I. Ya. Pomeranchuk jósolta meg 1950-ben , és kísérletileg megerősítette W. M. Fairbank és G. K. Walters ( 1957 ), Yu. D. Anufriev ( 1965 ). Azóta számos laboratóriumban alkalmazzák az adiabatikus kompressziós hűtést. Ez a módszer lehetővé teszi, hogy az oldódási kriosztáttal fenntartott alacsony hőmérsékletről 0,003 K alatti hőmérsékletet érjünk el, ami elég alacsony a szuperfolyékony héliummal végzett kísérletekhez.
A 3 He olvadási görbéjének T < 0,3 K mellett negatív deriváltja van . Ennek eredményeként a hélium-3 esetében szokatlan fizikai hatás figyelhető meg. Ha folyékony hélium-3-at, amelynek hőmérséklete <0,01 K és nyomása 30-33 atm, felmelegítjük, akkor ~0,3-0,6 K-en a folyadék megfagy.
A szilárd hélium-3-ra is jellemző a kristályosodási hullámok kvantumhatása , de ez 10-3 K alatti hőmérsékleten nyilvánul meg .
Az a gyanú, hogy a szilárd anyagoknak is lehet szuperfolyékonysága , elég régen megfogalmazódott [1] , de sokáig nem voltak kísérleti jelek ilyen jelenségre.
2004 - ben bejelentették a szuperfolyékonyság felfedezését szilárd héliumban. Ezt az állítást a szilárd héliummal rendelkező torziós inga tehetetlenségi nyomatékának váratlan csökkenése alapján állítottuk elő . A későbbi vizsgálatok azonban kimutatták, hogy a helyzet korántsem ilyen egyszerű, ezért még korai ennek a jelenségnek a kísérleti felfedezéséről beszélni [2] [3] [4] [5] .
Jelenleg nincs általánosan elfogadott elmélet, amely megmagyarázná és leírná a szilárd hélium szuperfolyékonyságát. Azonban kísérletek folynak egy ilyen elmélet felépítésére [6] .
Számos, az eredeti munkát követő cikkben felhívták a figyelmet arra, hogy a minta tehetetlenségi nyomatékának rendellenes csökkenése is más eredetű lehet [7] [8] . 2005-ben független kísérletek eredményeit publikálták, amelyekben a szilárd héliumban nem észlelték a szuperfolyékony komponens megnyilvánulását [9] . 2012-ben az eredeti publikáció szerzője, Moses Chan társszerzője által írt cikkben kimutatták, hogy az észlelt hatás értelmezése a szilárd hélium szuperfolyékony állapotba való átmeneteként téves [10] [11] .