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液氦

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氦在通常情況下為無色、無味的氣體;熔點-272.2℃(25個大氣壓),沸點-268.785℃;密度0.1785克/升,臨界溫度-267.8℃,臨界壓力2.26大氣壓;水中溶解度8.61厘米³/千克水。氦是唯一不能在標準大氣壓下固化的物質。液態氦在溫度下降至2.18K時(HeⅡ),性質發生突變,成為一種超流體,能沿容器壁向上流動,熱傳導性為銅的800倍,并變成超導體;其比熱容、表面張力、壓縮性都是反常的。

 

液氦在一個大氣壓下密度為0.125 g/mL。

 

氦有兩種天然同位素:氦3、氦4,自然界中存在的氦基本上全是氦4。

 

普通液氦是一種很易流動的無色液體,其表面張力極小,折射率和氣體差不多,因而不易看到它。液態4He包括性質不同的兩個相,分別稱為HeⅠ和HeⅡ,在兩個相之間的轉變溫度處,液氦的密度、電容率和比熱容均呈現反常的增大。兩個液相HeⅠ和HeⅡ間的轉變溫度稱為λ點,飽和蒸氣壓下的λ點為2.172K,壓強增加時,λ點移向較低的溫度,兩個液相的相變曲線為一直線,稱為λ線。

氦是最不活潑的元素,幾乎不能和其他任何元素化合,而且極難液化。氦的應用主要是作為保護氣體、氣冷式核反應堆的工作流體和超低溫冷凍劑等等。氦氣在衛星飛船發射、導彈武器工業、低溫超導研究、半導體生產等方面具有重要用途。

 

氣球和飛艇

 

氦氣曾被用來當做熱氣球和飛艇的驅動力,氦氣的密度要比空氣小得多,所以如果往氣球和飛艇里充入氦氣,氣球和飛艇會冉冉升起,讓我們不用坐飛機也能實現飛到空中的夢想。因為氫氣和空氣混合后會爆炸,所以氫氣球和氫氣飛艇并不安全。氫氣飛艇曾經被當做大型載人飛行器使用,但是在1937年德國的“興登堡號”飛艇在美國著陸時不慎著火爆炸之后,它就徹底退出了歷史舞臺。不過,熱氣球和熱氣飛艇還是比較安全的,而且飛行一次的花費也比較便宜。

 

人造空氣

 

潛水員常常要使用氦氣和氧氣混合而成的人造空氣。這是因為在水下的高壓環境下,氮氣會溶解在血液中,當潛水員上浮的時候壓力減小,血中的氮氣便紛紛逸出,形成氣泡堵塞血管,使潛水員患上極為難受的“減壓癥”。氦氣在高壓下也難溶于水,所以用它來代替氮氣就可以解決這個問題。不過如果我們沒有氦氣,我們還可以用氖氣—它在高壓下也難溶于水。

 

保護氣

 

氦氣在電焊、硅晶片生產中還可以用做保護氣,它可以隔絕氧氣,避免電焊工件、單質硅和氧氣發生討厭的化學反應。據美國政府有關部門統計,2000年美國消耗的所有氦氣中,有18%用在了焊接上,還有16%用作其他工業的保護氣。不過如果沒有氦氣,氬氣一樣可以出色地完成服務,而且還便宜得多。

 

低溫超導技術

 

要說缺乏氦氣最嚴重的后果,也無非是嚴重阻礙低溫技術的應用,其中受到最大影響的就是低溫超導技術了。現在已知所有的超導材料都要在-130℃以下的低溫中才能表現出超導特性,其中應用最廣泛的那幾種(比如Nb3Sn)更是需要比液氫的沸點還低的轉變溫度,這時候只有液氦能比較簡便地實現這樣的極低溫。雖然我們完全可以用別的辦法實現同樣的低溫,但都不如液氦實惠。顯然,假如我們沒有氦,低溫超導技術的普及就會受到嚴重的阻礙;低溫超導技術如果不能普及,醫院就會用不起核磁共振成像儀(它需要超導材料制造強磁場)。





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