Helium kuuluu jalokaasujen ryhmään. Nestemäinen helium on maailman kylmin neste. Tässä aggregaattitilassa sillä on useita ainutlaatuisia ominaisuuksia, kuten superfluiditeetti ja suprajohtavuus. Opimme lisää sen ominaisuuksista myöhemmin.
Heliumkaasu
Helium on yksinkertainen aine, joka on levinnyt laaj alti universumissa kaasumaisessa tilassa. Mendelejevin jaksollisessa taulukossa hän on toinen ja heti vedyn jälkeen. Se viittaa inertteihin tai jalokaasuihin.
Elementti on nimetty "Hän". Muinaisesta kreikasta sen nimi tarkoittaa "aurinkoa". Aluksi oletettiin, että se oli metallia. Kuitenkin kävi ilmi, että tämä on monoatominen kaasu. Helium on toiseksi kevyin kemikaali ja se on mauton, väritön ja hajuton. Sillä on alin kiehumispiste.
Normaaleissa olosuhteissa se on ihanteellinen kaasu. Kaasumaisen lisäksi se pystyy olemaan kiinteässä ja nestemäisessä tilassa. Sen inertisyys ilmenee inaktiivisessa vuorovaikutuksessa muiden aineiden kanssa. Se on käytännössä veteen liukenematon. Teollisiin tarkoituksiin se uutetaan maakaasusta erottamalla se epäpuhtauksistakäyttämällä voimakasta jäähdytystä.
Kaasu voi olla vaarallista ihmisille. Sen pitoisuuden lisääntyminen ilmassa johtaa hapen puutteeseen veressä, jota lääketieteessä kutsutaan hapen näläksi. Suuria määriä nieltynä se aiheuttaa oksentelua, tajunnan menetyksen ja joskus kuoleman.
Heliumin nesteyttäminen
Kaikki kaasut voivat tietyissä olosuhteissa mennä nestemäiseen tilaan. Nesteyttämistä käytetään yleisesti sekä teollisuudessa että tieteellisessä tutkimuksessa. Joillekin aineille riittää pelkkä paineen lisääminen. Muut, kuten helium, muuttuvat nestemäisiksi vasta jäähtyessään.
Jos kaasun lämpötila on kriittisen pisteen yläpuolella, se ei tiivisty paineesta riippumatta. Heliumin kriittinen piste on 5,19 Kelviniä, sen 3He-isotoopilla se on 3,35 K.
Nestemäinen helium on melkein täydellinen neste. Sille on ominaista pintajännityksen ja viskositeetin puuttuminen. Paineen ja lämpötilan muuttamisen jälkeen sen tilavuus pysyy samana. Nestemäisellä heliumilla on erittäin alhainen jännitys. Aine on väritöntä ja erittäin nestemäistä.
Nestemäisen heliumin ominaisuudet
Nestemäisessä tilassa helium on huonosti erotettavissa, koska se taittaa heikosti valonsäteitä. Tietyissä olosuhteissa sillä on kvanttinesteen ominaisuuksia. Tästä johtuen se ei normaalipaineessa kiteydy edes -273,15 Celsius-asteen (absoluuttinen nolla) lämpötilassa. Kaikki muut tunnetut aineet jähmettyvät näissä olosuhteissa.
Lämpötila, jossa nestemäinen helium alkaa kiehua, on -268,9 celsiusastetta. Sen isotooppien fysikaaliset ominaisuudet vaihtelevat huomattavasti. Esimerkiksi helium-4 kiehuu 4,215 K:ssa.
Se on Bose-neste, jolle on ominaista faasisiirtymät 2 172 Kelvinin lämpötiloissa tai sitä alhaisemmissa lämpötiloissa. He II -vaiheelle on ominaista superfluiditeetti ja superlämpöjohtavuus. Vaiheen alapuolella olevissa lämpötiloissa He I ja He II esiintyvät samanaikaisesti, minkä vuoksi nesteeseen ilmestyy kaksi äänennopeutta.
Helium-3 on Fermi-neste. Se kiehuu 3,19 kelviniä. Isotooppi voi saavuttaa superfluiditeetin vain erittäin matalissa lämpötiloissa (muutama millikelvin), kun sen hiukkasten välillä on riittävä vetovoima.
Helium superfluidity
Tiede on velkaa superfluiditeetin käsitteen tutkimuksen akateemikot S. P. Kapitsalle ja L. D. Landaulle.
Akateemikko päätteli, että kun heliumin lämpötila laskee alle 2 172 K, aine siirtyy normaalitilan vaiheesta täysin uuteen, nimeltään helium-II. Tässä vaiheessa aine kulkee kapillaarien ja kapeiden reikien läpi ilman pienintäkään kitkaa. Tätä tilaa kutsutaan "superfluiditeetiksi".
Vuonna 1941 Landau L. D. jatkoi nestemäisen heliumin ominaisuuksien tutkimista ja kehitti superfluiditeorian. Selittäähän otti sen kvanttimenetelmin soveltaen herätteiden energiaspektrin käsitettä.
Heliumsovellukset
Alkuaine helium löydettiin Auringon spektristä vuonna 1868. Maapallolla sen löysi William Ramsay vuonna 1895, minkä jälkeen sitä tutkittiin pitkään, eikä sitä käytetty talouselämässä. Teollisessa toiminnassa sitä alettiin käyttää ilmalaivojen polttoaineena ensimmäisen maailmansodan aikana.
Kaasua käytetään aktiivisesti pakkaamiseen elintarviketeollisuudessa, metallien sulatuksessa. Geologit käyttävät sitä havaitakseen vikoja maankuoressa. Nestemäistä heliumia käytetään pääasiassa kylmäaineena, joka pystyy ylläpitämään erittäin alhaisia lämpötiloja. Tämä ominaisuus on välttämätön tieteellistä tutkimusta varten.
Jäähdytysnestettä käytetään kryogeenisissa sähkökoneissa, pyyhkäisytunnelimikroskoopeissa, lääketieteellisten NMR-tomografien laitteissa, varautuneissa hiukkaskiihdyttimissä.
Johtopäätös
Helium on inertti tai jalokaasu, jolla on alhainen aktiivisuus vuorovaikutuksessa muiden aineiden kanssa. Kemiallisten alkuaineiden jaksollisessa taulukossa se on toisella sijalla vedyn jälkeen. Luonnossa aine on kaasumaisessa tilassa. Tietyissä olosuhteissa se voi siirtyä muihin aggregaatiotiloihin.
Nestemäisen heliumin pääominaisuus on sen superfluiditeetti ja kyvyttömyys kiteytyä normaalipaineessa, vaikka lämpötila saavuttaisi absoluuttisen nollan. Aineen isotooppien ominaisuudet eivät ole samat. Heidän kriittisensälämpötilat, niiden kiehumisolosuhteet ja hiukkasten spinit.
