2.3.1 Некоторые свойства изотопов гелия

В 1868 г. два ученых Дж. Жансен и Н. Локьер обнаружили в оптическом спектре солнечных протуберанцев новые спектральные линии. Вначале было высказано предположение, что эти линии могут принадлежать неизвестному изотопу водорода, но очень скоро стало ясно, что спектральные линии принадлежали новому элементу, позже названному гелием. В 1895 г. английский ученый У. Рамзай обнаружил эти линии на земле, в газе, содержащемся в минерале клевите. Два наиболее знаменитых физика того времени Дж. Дьюар в Лондоне и Г. Камерлинг-Оннес в Лейдене начали состязание в ожижении этого вновь открытого элемента периодической системы. Камерлинг-Оннес победил в этом соревновании, ожижив гелий при температуре 4,2 К в 1908 г. Первый коммерческий гелиевый ожижитель, построенный С.К. Коллинзом в 1947 г., оказал глубокое воздействие на распространение низкотемпературных экспериментов, поскольку жидкий гелий является наиболее важным веществом для низкотемпературной физики. Во всех методах охлаждения до температур ниже примерно 10 К либо используется только гелий непосредственно, либо, при получении очень низких температур, гелий применяется в качестве предварительных ступеней. Вначале жидкий гелий употребляли исключительно как средство для продвижения в низкотемпературную область, однако исследования, проведенные в последующие десятилетия, совершенно очевидно показали, что жидкий гелий является наиболее экзотической и интересной жидкостью, проявляющей много уникальных свойств.

В то время, как в первые годы газообразный 4Не для исследований добывали из минералов, в настоящее время гелий получают исключительно из природных газовых источников, богатых гелием. В обоих случаях он является продуктом радиоактивного альфа распада. Газовые источники, в частности в США, Южной Африке, Польше, Нидерландах и в СССР, содержат до 10 % гелия.

Обычный стабильный изотоп гелия — это 4Не. Его ядра содержат два протона и два нейтрона, каждый с антипараллельной спиновой ориентацией. Поэтому полный ядерный спин 4Не I = 0; это бозе-частица (бозон). Редкий изотоп гелия 3Не содержится в количестве (1 ÷ 2) · 10–7 в гелиевом газе, получаемом из природных газовых источников, и около 1,3 · 10–6 в гелиевом газе, находящемся в атмосфере. 3Не, получаемый в приемлемых количествах из этих двух источников путем выделения из 4Не, является очень дорогим. В настоящее время 3Не, используемый для экспериментов низкотемпературной физики, является побочным продуктом производства трития в ядерном реакторе:

 

где v — электронное антинейтрино. Изотопы гелия отделяются от трития с помощью диффузионных процессов. Благодаря этому методу получения 3Не стал доступным в необходимых количествах, начиная с конца 50-х годов, но он является дорогим (около 400 немецких марок за литр газа при нормальных температуре и давлении). Ядра 3Не содержат также два протона, но только один нейтрон. Поэтому его полный ядерный спин I = 1/2, и 3Не является фермионом. Разные статистики для бозона 4Не и для фермиона 3Не приводят к существенным различиям в их низкотемпературном поведении, некоторые из которых будут обсуждаться далее. Подробности можно найти в [2.12-19].

Кроме стабильных изотопов 3Не и 4Не существуют еще два нестабильных гелиевых изотопа с относительно большими временами жизни: 6Не (τ1/2 = 0,82 с) и 8Не (τ1/2 = 0,12 с); они еще не были ожижены.

В таблице 2.3 приведены некоторые важные свойства двух стабильных изотопов гелия, а их фазовая диаграмма давление — температура показана на рис. 2.3. Таблица и рисунок демонстрируют некоторые из замечательных свойств этих так называемых квантовых объектов. Во-первых, весьма низки их точки кипения и критические температуры. Затем, в отличие от всех других жидкостей, эти два изотопа не затвердевают под давлением своего насыщенного пара даже при охлаждении до абсолютного нуля. Для получения этих двух изотопов в твердом состоянии необходимо, по крайней мере, приложить давление, соответственно, 25 бар или 34 бара (для Т → 0). Ниже 1 К давление плавления 4Не постоянно в пределах 10–4, однако для 3Не наблюдается резко выраженный минимум при 0,32 К (гл. 8). Затем обе жидкости имеют весьма малую плотность и большой молярный объем.

точка кипения, критическая температура, температура перехода в сверхтекучее состояние

Отмечены разные шкалы и диапазоны температур

Молярный объем Vm у 4Не (3Не) более, чем в два (три) раза больше, чем можно было ожидать из расчета для соответствующих классических жидкостей.

Все эти эффекты связаны с двумя существенными свойствами гелия. Во-первых, силы связи между атомами очень слабы. Это ван-дер-ваальсовские силы, они слабы из-за того, что электронная S — оболочка гелия полностью заполнена, что приводит к отсутствию статических дипольных моментов и к наименьшему известному значению атомной поляризуемости α = 0,1232 см3/моль (диэлектрические постоянные для двух изотопов гелия ε4 = 1,0572 и ε3 = 1,0426). Например, эти силы связи более, чем на порядок величины меньше, чем для молекул водорода с их более высокой поляризуемостью, что приводит к более высокой температуре кипения для Н2. Из-за того, что электронные структуры двух изотопов гелия идентичны, ван-дер-ваальсовские силы будут также идентичны, и химическое поведение обоих будет одинаковым.

Во-вторых, благодаря малой массе атома m оба изотопа имеют большую квантовомеханическую энергию нулевых колебаний Е0 , которая выражается

 

где а = (Vm / N0)1/3 — расстояние между атомами, a N0 = 6,022 · 1023 атомов/моль.

Большая энергия нулевых колебаний (она больше, чем теплота испарения жидкого гелия, см. табл. 2.1) приводит к росту амплитуды нулевых колебаний, которая достигает 1/3 от среднего межатомного расстояния в жидком состоянии. Рис. 2.4 иллюстрирует влияние энергии нулевых колебаний на полную энергию как функцию расстояния между атомами и показывает, почему гелий, в противоположность всем другим веществам, остается жидким под давлением своих паров даже при охлаждении до абсолютного нуля. Конечно, из-за меньшей массы в 3Не сильнее проявляется влияние нулевых колебаний, что приводит к более низкой точке кипения, меньшей плотности меньшей теплоте испарения и большей упругости пара (разд. 2.3.2).

Рисунок, поясняющий почему жидкое состояние гелия стабильно при давлении насыщенного пара даже при T=0 K

Жидкий гелий называют квантовой жидкостью из-за сильного влияния квантовых эффектов на его свойства. В общем, этот термин используется для любой жидкости, в которой кинетическая энергия (энергия нулевых колебаний) больше потенциальной энергии (энергии связи). Чтобы отличить эти жидкости от классических жидкостей, вводится квантовый параметр λ = Екин / Епот. Эти значения параметра λ для некоторых криогенных жидкостей следующие:

они указывают, что квантовыми жидкостями в указанном смысле являются водород и изотопы гелия.

 

View one comment on “2.3.1 Некоторые свойства изотопов гелия

Comments are closed.