Hélium liquide - Liquid helium

Hélium liquide
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Hélium liquide dans un bol transparent , refroidi en dessous du point Lambda , où il présente des propriétés de superfluidité
Propriétés
Il
Masse molaire 4,002 602  g·mol -1
Sauf indication contraire, les données sont données pour les matériaux dans leur état standard (à 25 °C [77 °F], 100 kPa).
Références de l'infobox

L'hélium liquide est un état physique de l'hélium à très basse température aux pressions atmosphériques standard . L'hélium liquide peut montrer de la superfluidité .

À la pression standard, l' élément chimique hélium n'existe sous forme liquide qu'à la température extrêmement basse de -269 °C (-452,20 °F; 4,15 K). Son point d'ébullition et son point critique dépendent de l' isotope de l'hélium présent : l'isotope commun hélium-4 ou l'isotope rare hélium-3 . Ce sont les deux seuls isotopes stables de l'hélium. Voir le tableau ci-dessous pour les valeurs de ces grandeurs physiques. La densité de l'hélium-4 liquide à son point d'ébullition et à une pression d'une atmosphère (101,3 kilopascals ) est d'environ 125 g/L (0,125 g/ml), soit environ un huitième de la densité de l' eau liquide .

Liquéfaction

L'hélium a été liquéfié pour la première fois le 10 juillet 1908 par le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes à l' Université de Leyde aux Pays - Bas . A cette époque, l'hélium-3 était inconnu car le spectromètre de masse n'avait pas encore été inventé. Au cours des décennies les plus récentes, l' hélium liquide a été utilisé comme cryogénique réfrigérant (qui est utilisé dans cryoréfrigérateurs ), et de l' hélium liquide est produit dans le commerce pour une utilisation dans des aimants supraconducteurs , tels que ceux utilisés dans l' imagerie par résonance magnétique (IRM), la résonance magnétique nucléaire (RMN ), la magnétoencéphalographie (MEG) et les expériences de physique , telles que la spectroscopie Mössbauer à basse température .

Hélium-3 liquéfié

Un atome d' hélium-3 est un fermion et à très basse température, ils forment des paires de Cooper à deux atomes qui sont bosoniques et se condensent en un superfluide . Ces paires de Cooper sont sensiblement plus grandes que la séparation interatomique.

Caractéristiques

La température requise pour produire de l'hélium liquide est faible en raison de la faiblesse des attractions entre les atomes d'hélium. Ces forces interatomiques dans l'hélium sont faibles au départ car l'hélium est un gaz noble , mais les attractions interatomiques sont encore plus réduites par les effets de la mécanique quantique . Celles-ci sont importantes dans l'hélium en raison de sa faible masse atomique d'environ quatre unités de masse atomique . L' énergie du point zéro de l'hélium liquide est moindre si ses atomes sont moins confinés par leurs voisins. Par conséquent, dans l'hélium liquide, son énergie à l'état fondamental peut diminuer par une augmentation naturelle de sa distance interatomique moyenne. Cependant, à de plus grandes distances, les effets des forces interatomiques dans l'hélium sont encore plus faibles.

En raison des forces interatomiques très faibles dans l'hélium, l'élément reste un liquide à pression atmosphérique depuis son point de liquéfaction jusqu'au zéro absolu . L'hélium liquide ne se solidifie que sous de très basses températures et de fortes pressions . À des températures inférieures à leurs points de liquéfaction, l'hélium-4 et l'hélium-3 subissent des transitions en superfluides . (Voir le tableau ci-dessous.)

L'hélium-4 liquide et le rare hélium-3 ne sont pas complètement miscibles . En dessous de 0,9 kelvin à leur pression de vapeur saturée , un mélange des deux isotopes subit une séparation de phase en un fluide normal (principalement de l'hélium-3) qui flotte sur un superfluide plus dense composé principalement d'hélium-4. Cette séparation de phases se produit parce que la masse globale d'hélium liquide peut réduire son enthalpie thermodynamique en se séparant.

A des températures extrêmement basses, la phase superfluide, riche en hélium-4, peut contenir jusqu'à 6 % d'hélium-3 en solution. Cela rend possible l'utilisation à petite échelle du réfrigérateur à dilution , qui est capable d'atteindre des températures de quelques millikelvins .

L'hélium 4 superfluide a des propriétés sensiblement différentes de l'hélium liquide ordinaire.

Hélium liquide 3 et 4 isotopes dans le diagramme de phase, montrant la zone de démixtion.

Histoire

En 1908, le physicien hollandais Kamerlingh-Onnes réussit à liquéfier une petite quantité d'hélium. En 1923, il donne des conseils au physicien canadien John Cunningham McLennan qui est le premier à produire des quantités d'hélium liquide presque à la demande.

Les premiers travaux importants sur les caractéristiques de l'hélium liquide ont été effectués par le physicien soviétique Lev Landau , puis étendus plus tard par le physicien américain Richard Feynman .

Données

Propriétés de l'hélium liquide Hélium-4 Hélium-3
Température critique 5,2 K (−267,95 °C) 3,3 K (−269,85 °C)
Point d'ébullition à une atmosphère 4,2 K (−268.95°C) 3,2 K (−269,95 °C)
Minimum fusion pression 25 bars (360 psi) 29 bar (420 psi) à 0,3 K (−272,850 °C)
Température de transition superfluide à pression de vapeur saturée 2,17 K (−270,98 °C) 1 mK en l'absence de champ magnétique

Galerie

L'hélium liquide est en phase superfluide . Une fine pellicule invisible remonte le long de la paroi intérieure du bol et descend à l'extérieur. Une goutte se forme. Il tombera dans l' hélium liquide en dessous. Cela se répétera jusqu'à ce que la tasse soit vide, à condition que le liquide reste superfluide.

Voir également

Les références

Général

Liens externes