Helium patří do skupiny vzácných plynů. Kapalné helium je nejchladnější kapalina na světě. V tomto agregovaném stavu má řadu jedinečných vlastností, jako je supratekutost a supravodivost. Více o jeho vlastnostech se dozvíme později.
Helium plyn
Helium je jednoduchá látka široce rozšířená ve vesmíru v plynném skupenství. V periodické tabulce Mendělejeva je druhý a je hned po vodíku. Vztahuje se na inertní nebo vzácné plyny.
Prvek je označen jako "He". Ze starověké řečtiny jeho jméno znamená „Slunce“. Nejprve se předpokládalo, že jde o kov. Ukázalo se však, že se jedná o monatomický plyn. Helium je druhá nejlehčí chemikálie a je bez chuti, barvy a zápachu. Má nejnižší bod varu.
Za normálních podmínek je to ideální plyn. Kromě plynného je schopen být v pevném a kapalném stavu. Jeho inertnost se projevuje v neaktivní interakci s jinými látkami. Je prakticky nerozpustný ve vodě. Pro průmyslové účely se získává ze zemního plynu, čímž se odděluje od nečistotpomocí silného chlazení.
Plyn může být pro člověka nebezpečný. Zvýšení jeho koncentrace ve vzduchu vede k nedostatku kyslíku v krvi, kterému se v medicíně říká kyslíkové hladovění. Při požití velkého množství způsobuje zvracení, ztrátu vědomí a někdy i smrt.
Zkapalnění helia
Jakýkoli plyn může za určitých podmínek přejít do kapalného stavu agregace. Zkapalňování se běžně používá v průmyslu i ve vědeckém výzkumu. U některých látek stačí jednoduše zvýšit tlak. Jiné, jako je helium, se stávají kapalnými pouze po ochlazení.
Pokud je teplota plynu nad kritickým bodem, nebude kondenzovat, bez ohledu na tlak. Pro helium je kritický bod 5,19 Kelvina, pro jeho izotop 3He je to 3,35 K.
Kapalné helium je téměř dokonalá kapalina. Vyznačuje se absencí povrchového napětí, viskozity. Po změně tlaku a teploty zůstává jeho objem stejný. Kapalné helium má extrémně nízké napětí. Látka je bezbarvá a vysoce tekutá.
Vlastnosti kapalného helia
V kapalném stavu je helium špatně rozlišitelné, protože slabě láme světelné paprsky. Za určitých podmínek má vlastnosti kvantové kapaliny. Díky tomu za normálního tlaku nekrystalizuje ani při teplotě −273,15 Celsia (absolutní nula). Všechny ostatní známé látky za těchto podmínek tuhnou.
Teplota, při které kapalné helium začíná vřít, je -268,9 stupňů Celsia. Fyzikální vlastnosti jeho izotopů se značně liší. Například helium-4 vře při 4,215 K.
Je to Boseova kapalina, která se vyznačuje fázovými přechody při teplotách 2 172 Kelvinů a nižších. Fáze He II se vyznačuje supratekutostí a supertermální vodivostí. Při teplotách pod fází se He I a He II vyskytují současně, díky čemuž se v kapalině objevují dvě rychlosti zvuku.
Helium-3 je Fermiho kapalina. Vře při 3,19 Kelvinu. Izotop může dosáhnout supratekutosti pouze při velmi nízkých teplotách (několik milikelvinů), pokud je mezi jeho částicemi dostatečná přitažlivost.
Supratekutost helia
Věda vděčí za studium konceptu supratekutosti akademikům S. P. Kapitsovi a L. D. Landauovi.
Akademik došel k závěru, že poté, co teplota helia klesne pod 2 172 K, látka přechází z fáze normálního stavu do zcela nového, nazývaného helium-II. V této fázi látka prochází kapilárami a úzkými otvory bez sebemenšího tření. Tento stav se nazývá "superfluidita".
V roce 1941 Landau L. D. pokračoval ve studiu vlastností kapalného helia a rozvinul teorii supratekutosti. Vysvětlitvzal to kvantovými metodami s použitím konceptu energetického spektra excitací.
Aplikace helia
Prvek helium byl objeven ve spektru Slunce v roce 1868. Na Zemi jej objevil William Ramsay v roce 1895, poté byl dlouho studován a v ekonomické sféře se nepoužíval. V průmyslové činnosti se začal používat jako palivo pro vzducholodě během první světové války.
Plyn se aktivně používá pro balení v potravinářském průmyslu, při tavení kovů. Geologové pomocí něj odhalují poruchy v zemské kůře. Kapalné helium se používá hlavně jako chladivo schopné udržovat ultra nízké teploty. Tato vlastnost je nezbytná pro vědecký výzkum.
Chladicí kapalina se používá v kryogenních elektrických strojích, ve skenovacích tunelových mikroskopech, v zařízeních lékařských NMR tomografů, v urychlovačích nabitých částic.
Závěr
Helium je inertní nebo vzácný plyn, který vykazuje nízkou aktivitu v interakci s jinými látkami. V periodické tabulce chemických prvků je na druhém místě za vodíkem. V přírodě je hmota v plynném stavu. Za určitých podmínek může přejít do jiných stavů agregace.
Hlavním rysem kapalného helia je jeho supratekutost a neschopnost krystalizovat za normálního tlaku, i když teplota dosáhne absolutní nuly. Vlastnosti izotopů látky nejsou stejné. Jejich kritickéteploty, podmínky jejich varu a rotace jejich částic.
