Helium gehört zur Gruppe der Edelgase. Flüssiges Helium ist die kälteste Flüssigkeit der Welt. In diesem Aggregatzustand weist es eine Reihe einzigartiger Eigenschaften wie Suprafluidität und Supraleitung auf. Wir werden später mehr über seine Eigenschaften erfahren.
Heliumgas
Helium ist eine einfache Substanz, die in gasförmigem Zustand im Universum weit verbreitet ist. Im Periodensystem von Mendelejew steht er an zweiter Stelle und steht unmittelbar nach Wasserstoff. Es bezieht sich auf Inert- oder Edelgase.
Das Element wird als "Er" bezeichnet. Aus dem Altgriechischen bedeutet sein Name „Sonne“. Zunächst wurde angenommen, dass es sich um Metall handelt. Es stellte sich jedoch heraus, dass es sich um ein einatomiges Gas handelt. Helium ist die zweitleichteste Chemikalie und ist geschmacks-, farb- und geruchslos. Hat den niedrigsten Siedepunkt.
Unter normalen Bedingungen ist es ein ideales Gas. Neben gasförmig kann es in festem und flüssigem Zustand vorliegen. Seine Trägheit manifestiert sich in inaktiver Wechselwirkung mit anderen Substanzen. Es ist in Wasser praktisch unlöslich. Für industrielle Zwecke wird es aus Erdgas gewonnen und dabei von Verunreinigungen befreitmit starker Kühlung.
Gas kann für Menschen gefährlich sein. Eine Erhöhung seiner Konzentration in der Luft führt zu Sauerstoffmangel im Blut, was in der Medizin als Sauerstoffmangel bezeichnet wird. Wenn es in großen Mengen eingenommen wird, verursacht es Erbrechen, Bewusstlosigkeit und manchmal den Tod.
Heliumverflüssigung
Jedes Gas kann unter bestimmten Bedingungen in einen flüssigen Aggregatzustand übergehen. Die Verflüssigung wird häufig in der Industrie sowie in der wissenschaftlichen Forschung eingesetzt. Bei manchen Stoffen reicht es aus, einfach den Druck zu erhöhen. Andere wie Helium werden erst beim Abkühlen flüssig.
Wenn die Gastemperatur über dem kritischen Punkt liegt, kondensiert es nicht, egal wie hoch der Druck ist. Für Helium liegt der kritische Punkt bei 5,19 Kelvin, für sein 3He-Isotop bei 3,35 K.
Flüssiges Helium ist eine nahezu perfekte Flüssigkeit. Es zeichnet sich durch das Fehlen von Oberflächenspannung und Viskosität aus. Nach Änderung von Druck und Temperatur bleibt sein Volumen gleich. Flüssiges Helium hat eine extrem niedrige Spannung. Die Substanz ist farblos und sehr flüssig.
Eigenschaften von flüssigem Helium
Helium ist im flüssigen Zustand schlecht unterscheidbar, da es Lichtstrahlen schwach bricht. Unter bestimmten Bedingungen hat es die Eigenschaften einer Quantenflüssigkeit. Aus diesem Grund kristallisiert es bei Normaldruck auch bei einer Temperatur von –273,15 Grad Celsius (absoluter Nullpunkt) nicht. Alle anderen bekannten Substanzen verfestigen sich unter diesen Bedingungen.
Die Temperatur, bei der flüssiges Helium zu sieden beginnt, beträgt -268,9 Grad Celsius. Die physikalischen Eigenschaften seiner Isotope sind sehr unterschiedlich. Beispielsweise siedet Helium-4 bei 4,215 K.
Es handelt sich um eine Bose-Flüssigkeit, die sich durch Phasenübergänge bei Temperaturen von 2, 172 Kelvin und darunter auszeichnet. Die He II Phase ist durch Suprafluidität und superthermische Leitfähigkeit gekennzeichnet. Bei Temperaturen unterhalb der Phase treten gleichzeitig He I und He II auf, wodurch in der Flüssigkeit zwei Schallgeschwindigkeiten auftreten.
Helium-3 ist eine Fermi-Flüssigkeit. Es siedet bei 3,19 Kelvin. Ein Isotop kann nur bei sehr niedrigen Temperaturen (wenige Millikelvin) Suprafluidität erreichen, wenn zwischen seinen Teilchen eine ausreichende Anziehungskraft besteht.
Heliumsuperfluidität
Die Wissenschaft verdankt das Studium des Konzepts der Suprafluidität den Akademikern S. P. Kapitsa und L. D. Landau.
Der Akademiker kam zu dem Schluss, dass, nachdem die Temperatur von Helium unter 2.172 K gefallen ist, die Substanz aus der Phase des Normalzustands in einen völlig neuen Zustand übergeht, der als Helium-II bezeichnet wird. In dieser Phase passiert die Substanz ohne die geringste Reibung die Kapillaren und engen Löcher. Dieser Zustand wird "Superfluidität" genannt.
1941 setzte Landau L. D. die Untersuchung der Eigenschaften von flüssigem Helium fort und entwickelte die Theorie der Suprafluidität. Erklärener nahm es mit Quantenmethoden auf und wandte das Konzept des Energiespektrums von Erregungen an.
Heliumanwendungen
Das Element Helium wurde 1868 im Spektrum der Sonne entdeckt. Auf der Erde wurde es 1895 von William Ramsay entdeckt, danach lange untersucht und nicht im wirtschaftlichen Bereich eingesetzt. In der Industrie wurde es während des Ersten Weltkriegs als Treibstoff für Luftschiffe verwendet.
Gas wird aktiv zum Verpacken in der Lebensmittelindustrie, beim Schmelzen von Metallen verwendet. Geologen nutzen es, um Verwerfungen in der Erdkruste aufzuspüren. Flüssiges Helium wird hauptsächlich als Kältemittel verwendet, das Ultratieftemperaturen aufrechterh alten kann. Diese Eigenschaft ist für die wissenschaftliche Forschung notwendig.
Die Kühlflüssigkeit wird in kryogenen elektrischen Maschinen, in Rastertunnelmikroskopen, in Geräten medizinischer NMR-Tomographen, in Beschleunigern für geladene Teilchen verwendet.
Schlussfolgerung
Helium ist ein Edel- oder Edelgas, das in Wechselwirkung mit anderen Stoffen eine geringe Aktivität zeigt. Im Periodensystem der chemischen Elemente steht es an zweiter Stelle hinter Wasserstoff. In der Natur befindet sich Materie im gasförmigen Zustand. Es kann unter Umständen in andere Aggregatzustände übergehen.
Das Hauptmerkmal von flüssigem Helium ist seine Superfluidität und seine Unfähigkeit, bei Normaldruck zu kristallisieren, selbst wenn die Temperatur den absoluten Nullpunkt erreicht. Die Eigenschaften der Isotope einer Substanz sind nicht gleich. Ihre kritischTemperaturen, ihre Siedebedingungen und die Spins ihrer Teilchen.
