Helis priklauso tauriųjų dujų grupei. Skystas helis yra šalčiausias skystis pasaulyje. Šioje agregatinėje būsenoje jis turi daugybę unikalių savybių, tokių kaip supertakumas ir superlaidumas. Daugiau apie jo savybes sužinosime vėliau.
Helio dujos
Helis yra paprasta medžiaga, plačiai paplitusi Visatoje dujinės būsenos pavidalu. Mendelejevo periodinėje lentelėje jis yra antras ir yra iškart po vandenilio. Tai reiškia inertines arba tauriąsias dujas.
Elementas pažymėtas kaip „Jis“. Iš senovės graikų jo pavadinimas reiškia „Saulė“. Iš pradžių buvo manoma, kad tai metalas. Tačiau paaiškėjo, kad tai yra monatominės dujos. Helis yra antra pagal lengvumą cheminė medžiaga, beskonis, bespalvis ir bekvapis. Turi žemiausią virimo temperatūrą.
Įprastomis sąlygomis tai yra idealios dujos. Be dujinio, jis gali būti kietos ir skystos būsenos. Jo inertiškumas pasireiškia neaktyvia sąveika su kitomis medžiagomis. Jis praktiškai netirpsta vandenyje. Pramonės tikslais jis išgaunamas iš gamtinių dujų, atskiriant jas nuo priemaišų sunaudojant stiprų aušinimą.
Dujos gali būti pavojingos žmonėms. Padidėjusi jo koncentracija ore sukelia deguonies trūkumą kraujyje, o tai medicinoje vadinama deguonies badu. Nurijus didelius kiekius, jis sukelia vėmimą, sąmonės praradimą ir kartais mirtį.
Helio suskystinimas
Bet kokios dujos tam tikromis sąlygomis gali susikaupti į skystą būseną. Skystinimas dažniausiai naudojamas pramonėje ir moksliniuose tyrimuose. Kai kurioms medžiagoms pakanka tiesiog padidinti slėgį. Kiti, pavyzdžiui, helis, tampa skysti tik atvėsę.
Jei dujų temperatūra viršija kritinį tašką, jos nesikondensuos, kad ir koks būtų slėgis. Helio kritinis taškas yra 5,19 kelvino, jo 3He izotopo – 3,35 K.
Skystas helis yra beveik tobulas skystis. Jam būdingas paviršiaus įtempimo, klampumo nebuvimas. Pakeitus slėgį ir temperatūrą, jo tūris išlieka toks pat. Skystas helis turi labai mažą įtempimą. Medžiaga yra bespalvė ir labai skysta.
Skysto helio savybės
Skystoje būsenoje helis prastai išsiskiria, nes silpnai laužo šviesos spindulius. Tam tikromis sąlygomis jis turi kvantinio skysčio savybes. Dėl to, esant normaliam slėgiui, jis nesikristalizuoja net esant –273,15 Celsijaus (absoliutaus nulio) temperatūrai. Visos kitos žinomos medžiagos tokiomis sąlygomis kietėja.
Temperatūra, kurioje skystas helis pradeda virti, yra –268,9 laipsnio Celsijaus. Jo izotopų fizinės savybės labai skiriasi. Pavyzdžiui, helis-4 užverda 4,215 K.
Tai Bose skystis, kuriam būdingi fazių perėjimai esant 2 172 kelvinų ir žemesnei temperatūrai. He II fazei būdingas supertakumas ir superterminis laidumas. Esant žemesnei nei fazės temperatūrai, He I ir He II atsiranda vienu metu, todėl skystyje atsiranda dviejų greičių garso.
Helium-3 yra Fermi skystis. Verda ties 3,19 kelvino. Izotopas gali pasiekti itin skystą tik esant labai žemai temperatūrai (keliems milikelvinams), kai tarp jo dalelių yra pakankamai traukos.
Helio perteklius
Mokslas yra skolingas akademikams S. P. Kapitsai ir L. D. Landau už supertakumo sampratos tyrimą.
Akademikas padarė išvadą, kad helio temperatūrai nukritus žemiau 2 172 K, medžiaga iš normalios būsenos pereina į visiškai naują, vadinamą heliu-II. Šioje fazėje medžiaga praeina pro kapiliarus ir siauras skylutes be menkiausios trinties. Ši būsena vadinama „superskystumu“.
1941 m. Landau L. D. toliau tyrinėjo skysto helio savybes ir sukūrė supertakumo teoriją. Paaiškinkjis paėmė tai kvantiniais metodais, taikydamas sužadinimo energijos spektro koncepciją.
Helio aplikacijos
Elementas helis buvo aptiktas Saulės spektre 1868 m. Žemėje jį atrado Williamas Ramsay'us 1895 m., po to jis ilgą laiką buvo tiriamas ir nebuvo naudojamas ekonomikos srityje. Pramonėje jis pradėtas naudoti kaip kuras dirižabliams Pirmojo pasaulinio karo metais.
Dujos aktyviai naudojamos pakavimui maisto pramonėje, metalų lydymui. Geologai jį naudoja aptikdami žemės plutos gedimus. Skystas helis daugiausia naudojamas kaip š altnešis, galintis palaikyti itin žemą temperatūrą. Ši savybė būtina moksliniams tyrimams.
Aušinimo skystis naudojamas kriogeninėse elektrinėse mašinose, skenuojančiuose tuneliniuose mikroskopuose, medicininių BMR tomografų įrenginiuose, įkrautų dalelių greitintuvuose.
Išvada
Helis yra inertinės arba tauriosios dujos, kurios sąveikaudamos su kitomis medžiagomis pasižymi mažu aktyvumu. Periodinėje cheminių elementų lentelėje jis yra antroje vietoje, po vandenilio. Gamtoje medžiaga yra dujinės būsenos. Tam tikromis sąlygomis jis gali pereiti į kitas agregavimo būsenas.
Pagrindinė skysto helio ypatybė yra jo perteklius ir nesugebėjimas kristalizuotis esant normaliam slėgiui, net jei temperatūra pasiekia absoliutų nulį. Medžiagos izotopų savybės nėra vienodos. Jų kritiškastemperatūra, virimo sąlygos ir dalelių sukimasis.
