| Головна » Статті » Фізика | [ Додати статтю ] |
Властивості гелію
|
План 1. Загальні властивості гелію. Гелій на Землі. 2. Особливості властивостей гелію. Надтекучість. а) дворідинна модель; б) фонтанний ефект; в) квантові ефекти; г) фазові переходи у надтекучої рідини. 3. Список використаної джерел Загальні властивості гелію. Гелій на Землі. Гелій - інертний газ. Змусити його вступити в які-небудь реакції поки не вдалося. Молекула гелію одноатомна. По легкості цей газ поступається тільки водню, повітря в 7,25 рази важче гелію. Гелій майже не розчинимо у воді й інших рідинах. І точно так само в рідкому гелії помітно не розчиняється жодна речовина. Твердий гелій не можна одержати ні при яких температурах, якщо не підвищувати тиск. В історії відкриття, дослідження й застосування цього елемента зустрічаються імена багатьох великих фізиків і хіміків різних країн. Гелієм цікавилися, з гелієм працювали: Жансен (Франція), Локьер, Рамзай, Крукс, Резерфорд (Англія), Пальмієрі (Італія), Кеєзом, Камерлинг-Оннес (Голландія), Фейнман, Онсагер (США), Капица, Кикоин, Ландау (Радянський Союз) і багато інших великих учених. Неповторність вигляду атома гелію визначається сполученням у ньому двох дивовижних природних конструкцій – абсолютних чемпіонів з компактності й міцності. У ядрі гелію, гелію-4, насичені обидві внутрішньоядерні оболонки – і протонна, і нейтронна. Електронний дублет, що оточує це ядро, теж насичений. У цих конструкціях – ключ до розуміння властивостей гелію. Звідси виникають і його феноменальна хімічна інертність і рекордно малі розміри його атома. Величезна роль ядра атома гелію – альфа частки в історії становлення й розвитку ядерної фізики. Саме вивчення розсіювання альфа часток привело Резерфорда до відкриття атомного ядра. При бомбардуванні азоту альфа частками було вперше здійснене взаємоперетворення елементів – те, про що століттями мріяли багато поколінь алхіміків. Правда, у цій реакції не ртуть перетворилася в золото, а азот у кисень, але це зробити майже так само важко. Ті ж альфа частки виявилися причетні до відкриття нейтрона й одержанню першого штучного ізотопу. Пізніше за допомогою альфа часток були синтезовані кюрій, берклій, каліфорній. Ми перелічили ці факти лише з однією метою – показати, що елемент №2 – елемент досить незвичайний. Гелій – елемент незвичайний, і історія його незвичайна. Він був відкритий в атмосфері Сонця на 13 років раніше, ніж на Землі. Точніше кажучи, у спектрі сонячної корони була відкрита яскраво-жовта лінія D, а що за нею ховалося, стало достеменно відомо лише після того, як гелій витягли із земних мінералів, що містять радіоактивні елементи. Гелій на Сонці відкрили француз Ж. Жансен, що проводив свої спостереження в Індії 19 серпня 1868 р., і англієць Дж. H. Локьер – 20 жовтня того ж року. Листи обох учених прийшли в Париж в один день і були зачитані на засіданні Паризької Академії наук 26 жовтня з інтервалом у кілька хвилин. Академіки, уражені настільки дивним збігом, постановили викарбувати на честь цієї події золоту медаль. В 1881 р. Про відкриття гелію у вулканічних газах повідомив італійський учений Пальмієрі. Однак його повідомлення, згодом підтверджене, мало хто із учених прийняв всерйоз. Удруге земний гелій був відкритий Рамзаєм в 1895 р. У земній корі налічується 29 ізотопів, при радіоактивному розпаді яких утворяться альфа частки – високоактивні, що володіють великою енергією ядра атомів гелію. В основному земний гелій утвориться при радіоактивному розпаді урану-238, урану-235, торію й нестабільних продуктів їхнього розпаду. Незрівнянно менші кількості гелію дає повільний розпад самарію-147 і вісмуту. Всі ці елементи породжують тільки важкий ізотоп гелію – 4Не, чиї атоми можна розглядати як останки альфа часток, поховані в оболонці із двох спарених електронів – в електронному дублеті. У ранні геологічні періоди, імовірно, існували й інші, що вже зникли з лиця Землі, природно радіоактивні ряди елементів, що насичували планету гелієм. Одним з них був нині штучно відтворений нептунієвий ряд. По кількості гелію, замкнутого в гірській породі або мінералі, можна судити про їхній абсолютний вік. В основі цих вимірів лежать закони радіоактивного розпаду: так, половина урану-238 за 4,52 млрд. років перетворюється в гелій і свинець. Гелій у земній корі накопичується повільно. Одна тонна граніту, що містить 2 г урани й 10 г торію, за мільйон років продукує усього 0,09 мг гелію – половину кубічного сантиметра. У далеко не всіх багатих ураном і торієм мінералах зміст гелію досить великий – кілька кубічних сантиметрів гелію на грам. Однак частка цих мінералів у природному виробництві гелію близька до нуля, тому що вони дуже рідкі.Природні сполуки, у складі яких є альфа активні ізотопи, - це тільки першоджерело, але не сировина для промислового одержання гелію. Правда, деякі мінерали, що володіють щільною структурою – самородні метали, магнетит, гранат, апатит, циркон й інші, - міцно втримують ув’язнений у них гелій. Однак більшість мінералів із часом піддаються процесам вивітрювання, перекристалізації й т.д., і гелій з них іде. Гелієві пухирці, що вивільнилися із кристалічних структур, відправляються в подорож по земній корі. Дуже незначна частина їх розчиняється в підземних водах. Для утворення більш-менш концентрованих розчинів гелію потрібні особливі умови, насамперед більші тиски. Інша частина гелію, що кочує, через пори й тріщини мінералів виходить в атмосферу. Інші молекули газу попадають у підземні пастки, у яких нагромаджуються протягом десятків, сотень мільйонів років. Пастками служать шари пухких порід, порожнечі яких заповнюються газом. Ложем для таких газових колекторів звичайно служать вода й нафта, а зверху їх перекривають газонепроникні товщі щільних порід. Тому що в земній корі мандрують й інші гази (головним чином метан, азот, вуглекислота), і притім у набагато більших кількостях, те чисто гелієвих скупчень не існує. Гелій у природних газах присутній як незначна домішка. Зміст його не перевищує тисячних, сотих, рідко – десятих часток відсотка. Більша (1,5...10%) геліємісність метано-азотних родовищ – явище вкрай рідке. Природні гази виявилися практично єдиним джерелом сировини для промислового одержання гелію. Для відділення від інших газів використають виняткову летючість гелію, пов’язану з його низькою температурою скраплення. Після того як всі інші компоненти природного газу сконденсуються при глибокому охолодженні, газоподібний гелій відкачують. Потім його очищають від домішок. Чистота заводського гелію досягає 99,995%. Запаси гелію на Землі оцінюються в 5•1014 м3; судячи ж з вирахунків, його накопичилось в земній корі за 2 млрд. Років в десятки разів більше. Таке розходження теорії з практикою можна пояснити. Гелій – легкий газ и, подібно водню (хоч і повільніше), не розлітається з атмосфери в світовий простір. Ймовірно, за час існування Землі гелій нашої планети неодноразово обновлювався – старий розсіювався в космос, а замість нього в атмосферу потрапляв свіжий – «той, що видихається» Землею. У літосфері гелію щонайменше в 200 тис. Раз більше, ніж в атмосфері; ще більше потенційного гелію зберігається в «утробі» Землі – в альфа активних елементах. Але загальний зміст цього елемента в Землі й атмосфері невеликий. Гелій – рідкий газ. На 1 кг земного матеріалу доводиться всього 0,003 мг гелію, а зміст його в повітрі – 0,00052 об’ємного відсотка. Настільки мала концентрація не дозволяє поки економно витягати гелій з повітря. Особливості властивостей гелію. Надтекучість НАДТЕКУЧІСТЬ, унікальний стан рідини, що виникає в гелії при дуже низьких температурах. Надтекуча рідина відрізняється від звичайних рідин тим, що її в'язкість дорівнює нулю. Вона може протікати через найтонші капіляри без усякого опору. Незвичайні властивості надтекуча рідини порозуміваються тим, що поводження рідини в цілому визначається законами квантової механіки. Два ізотопи гелію – рідкий 3Не й рідкий 4Не – це єдині рідини, які стають надтекучими при низьких температурах (атом 3Не має такі ж хімічні властивості, як й атом 4Не, але в його ядрі одним нейтроном менше). Надтекучий 4Не. Рідкий 4Не, що вперше був отриманий в 1908, має температуру кипіння 4,2 К (нуль абсолютної термодинамічної шкали відповідає температурі –273,16 С). Відкачавши пари над поверхнею рідкого гелію, можна понизити температуру рідини приблизно до 1 К. В 1930 учені звернули увагу на те, що при охолодженні рідкого гелію нижче 2,17 К різко міняються багато які його властивості. Найбільш помітною зміною є припинення кипіння, що вказує на різке збільшення теплопровідності. Теплоємність теж різко збільшується, а в'язкість, обмірювана в тонких капілярних трубках, падає до нуля. Все це показує, що в рідкому 4Не при температурі нижче 2,17 К відбувається фазовий перехід в надтекучий стан.Дворідинна модель. В 1940-1941 фізики Л.Ландау й Л.Тиса незалежно друг від друга запропонували теоретичну модель надтекучого гелію. Нижче 2,17 К рідкий гелій розглядається як суміш двох рідин: нормальної й надтекучої. Нормальна рідина має властивості звичайної грузлої рідини. Надтекучий же компонент має нульову в'язкість, а також нульову ентропію й ентальпію. Трохи нижче температури переходу 2,17 К більшу частину рідини становить нормальний компонент, а надтекучий - тільки малу частину. При подальшому охолодженні рідин надтекучої фракції стає усе більше, і нижче 1 К рідина майже повністю виявляється надтекучою. На основі такої моделі передвіщений новий тип звукових хвиль (другий звук), які можуть поширюватися у надтекучої рідини. Другий звук - це хвиля температури, що реєструється за допомогою термометра (звичайні звукові хвилі - це хвилі тиску, які фіксуються мікрофоном). Експериментальне спостереження другого звуку (Москва, 1944) підтвердило багато аспектів дворідинної моделі. Фонтанний ефект. Властивості плину надтекучої компоненти незвичайні, тому що такий плин може бути викликано не тільки різницею тисків, але й різницею температур (звичайна рідина тече тільки внаслідок різниці тисків). Якщо занурити в рідкий гелій електронагрівник, то надтекуча компонента потече до області, що нагрівається, а нормальна - до холодного відповідно до закону збереження мас. На цьому заснований вражаючий ефект, називаний фонтанним. Кінець тонкої трубки, набитої дуже дрібним порошком, опускають у рідкий гелій. Якщо за допомогою електронагрівника нагрівати рідина в трубці, то надтекуча компонента потече усередині трубки, а нормальна в’язка рідина не зможе текти через опір, створюваного порошком. Як результат рівень рідини в середині трубки підвищується и, якщо продовжувати нагрівати, рідина битиме фонтаном з верхнього кінця трубки. Ефект досить суттєвий: різниця температур в декілька сотих кельвіна може створити фонтан до метра заввишки. Квантові ефекти. Незвичайні властивості надтекучої компоненти пояснюється тим, що більша частина атомів гелію рухається когерентною групою, а не незалежно, як атоми будь-якої іншої речовини. Найбільше враження ці квантові ефекти роблять, якщо привести в обертання контейнер з рідким гелієм. Замість того щоб обертатися разом з контейнером, як звичайна рідина, надтекуча рідина перетворюється в сплетення дрібних вирів, які називаються квантовими вихрами. Картина плину в кожному такому вихрі подібна картині плину в смерчі, але в гелії швидкість потоку визначається постійною Планка, фундаментальною константою квантової механіки. Існування цих квантових вихрів в обертовому гелії було передбачено в 1950 р. Л.Онсагером і Р.Фейнманом і підтверджено безліччю експериментів. В 1974 р. минулому отримані перші фотографії квантових вихрів. Це виявилося можливим завдяки захопленню електронів ядром вихрячи (подібно тому як камені й уламки втягуються в центр смерчу). Захоплені електрони, що створюють зображення на люмінофорному екрані, відзначають положення кожного вихру й наочно свідчать про макроскопічну квантову природу надтекучої рідини. Фазові переходи у надтекучої рідини. Зменшення щільності надтекучої рідини до нуля при температурі 2,17 К и гострий пік теплоємності в цій же крапці вказують на те, що при переході надтекучої рідини в нормальну відбувається термодинамічний фазовий перехід. У своїх ранніх статтях Онсагер і Фейнман висловлювали думку, що механізм квантових вихрів може лежати в основі цього фазового переходу, але ні той, ні іншої не проводив розрахунків, щоб підтвердити свій здогад. Тільки в 1987 р. математична теорія фазового переходу показала, що їхня думка була правильна. У цій теорії збільшення теплової енергії рідини приводить до утворення вихрових витків, подібних до кілець диму, які пускають курці. При температурі значно нижче 2,17 К збуджуються тільки дуже малі вихри, діаметром у декілька ангстрем. Ці вихри, що відповідають нормальному компоненту дворідинної моделі Ландау, чинять опір надтекучої рідини, але, будучи дуже малими, вони лише частково зменшують її щільність. При підвищенні температури утворяться вихри все більших і більших розмірів. При 2,17 К вихрі здобувають розміри, обмежені тільки розмірами посудини; це приводить до того, що щільність надтекучої рідини звертається в нуль і гелій стає нормальною рідиною. Надтекучий 3Не. Рідкий ізотоп 3Не почали досліджувати лише в 1949. У перших експериментах 3Не не був надтекучим при температурах вище 1 К. Однак фізики-теоретики пророкували, що ця рідина може стати надтекучої, якщо неї остудити до температур нижче 1 К. Завдяки досягненням техніки низьких температур групі вчених з Корнеллського університету вдалося остудити рідкий 3Не до температур нижче 0,003 К і виявити фазовий перехід у рідині. Наступні виміри підтвердили, що рідкий 3Не стає надтекучим при охолодженні до наднизьких температур.Багато властивостей надтекучого 3Не досить відмінні від властивостей 4Не. В 3Не надтекуча рідина складається з пар атомів 3Не, зв'язаних силами взаємного притягання. Це схоже на ситуацію в металевих надпровідниках, надпровідність яких обумовлена утворенням зв'язаних пар електронів. Ще одне розходження полягає в тому, що атоми 3Не мають магнітний момент, а атоми 4Не – немає. Це означає, що на надтекучий 3Не повинні діяти зовнішні магнітні поля. Подальші дослідження зроблять більше зрозумілої квантову природу надтекучості. СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 1.Мендельсон К. На шляху до абсолютного нуля. М., 1971 Надтекучість гелію. М., 1978 2. Властивості елементів. Під редакцією М.Є.Дріца. Том 2.Москва „Металургія” 1997 р. 3. http://n-t.org/ri/ps/pb002.htm 4. Інші ресурси Інте | |
| Переглядів: 519 | |
| Всього коментарів: 0 | |