הליום נוזלי

בלחץ סטנדרטי, היסוד הכימי הליום קיים בצורתו הנוזלית רק בטמפרטורה נמוכה מאוד של כ־269- מעלות צלזיוס (כ־4 מעלות קלווין). נקודת הרתיחה והנקודה הקריטית שלו תלויים באיזה איזוטופ של הליום: האיזוטופ הנפוץ הליום-4 או האיזוטופ הנדיר יותר הליום-3. אלה הם שני איזוטופים יציבים היחידים של הליום. לפירוט ערכים פיזיקליים אלה ראה בטבלה להלן. הצפיפות של הליום-4 נוזלי בנקודת הרתיחה שלו ובלחץ של אטמוספירה אחת (101.3 קילופסקל) היא בערך 0.125 גרם לסמ״ק, או כשמינית מצפיפות של מים נוזליים.

ניזול 
הליום נוזל לראשונה ב־10 ביולי 1908, על ידי הפיזיקאי ההולנדי האיקה קמרלינג אונס מאוניברסיטת ליידן בהולנד. באותו הזמן, הליום-3 לא היה ידוע כיוון שספקטרומטר המסה עדיין לא הומצא. בעשורים האחרונים, הליום נוזלי משמש כנוזל קירור קריוגני, ומיוצר באופן מסחרי לשימוש במגנטי מוליכי־על כמו אלה המשמשים בתדמי תהודה מגנטית (MRI), תהודה מגנטית גרעינית (NMR), מגנטואנצפלוגרפיה (MEG) וניסויים בפיזיקה, כגון ספקטרוסקופיית מסבאואר בטמפרטורה נמוכה.

מאפיינים 
הטמפרטורה הנדרשת לייצור הליום נוזלי נמוכה בגלל חולשת האטרקציות בין אטומי ההליום. כוחות־בין־אטומיים אלה, בהליום, חלשים מלכתחילה כיוון שהליום הוא גז אציל, אבל האטרקציות בין האטומיים פוחתות עוד יותר על ידי השפעות קוונטיות. השפעות אלה משמעותיות בהליום בגלל המסה האטומית הנמוכה – כארבע יחידות מסה אטומית. אנרגיית נקודת האפס של ההליום הנוזלי נמוכה יותר אם האטומים שלו פחות מוגבלים על ידי שכניהם. לפיכך, בהליום הנוזלי, אנרגיית מצב היסוד שלו יכולה לקטון על ידי גידול טבעי במרחק הבין־אטומי הממוצע שלו. עם זאת, במרחקים גדולים יותר, ההשפעות של הכוחות הבין־אטומיים בהליום אפילו חלשות יותר.

בגלל הכוחות הבין אטומיים החלשים במיוחד בהליום, יסוד זה נשאר נוזלי בלחץ אטמוספירי החל מנקודת העיבוי שלו ועד האפס המוחלט ולא מתמצק. הליום נוזלי מתגבש רק בטמפרטורות נמוכות במיוחד בשילוב לחצים גדולים. בטמפרטורות מתחת לנקודות העיבוי שלהם, הן הליום-4 והן הליום-3 עוברים מעבר פאזה לנוזל־על. (ראה טבלה למטה).

הליום-4 נוזלי והליום-3, הנדיר, אינם לגמרי־ניתנים־לערבוב (כלומר, לא מתמוססים בכול יחס). מתחת 0.9 קלווין בלחץ האדים הרוויים שלהם, תערובת של שני איזוטופים עוברת הפרדת פאזות לנוזל רגיל (בעיקר הליום-3), אשר צף על נוזל־על צפוף המורכב בעיקר מהליום-4. הפרדת פאזות זו קורת כיוון שעל ידי כך האנתלפיה הכוללת של הליום נוזלי יורדת.

בטמפרטורות נמוכות מאוד, פאזת הנוזל־על עשירה בהליום-4 ויכול להכיל עד 6% של הליום-3 בתמיסה. זה מאפשר את השימוש בקרור דילול (dilution refrigerator), אשר מסוגל להגיע לטמפרטורות של כמה מיקרו־קלווין.

הליום-4 על־נוזלי יש תכונות שונות באופן משמעותי מן ההליום הנוזלי הרגיל.

נתונים

תמונות

ראו גם 
 קריוגניקה
 נוזל־על
 חנקן נוזלי
 חמצן נוזלי
 מימן נוזלי
 אוויר נוזלי

לקריאה נוספת 

Freezing Physics: Heike Kamerlingh Onnes and the Quest for Cold, Van Delft Dirk (2007). Edita - The Publishing House Of The Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences. .

קישורים חיצוניים 

 He-3 and He-4 phase diagrams, etc.
 Helium-3 phase diagram, etc.
 Onnes's liquifaction of helium
 Kamerlingh Onnes's 1908 article, online and analyzed on BibNum [for English analysis, click 'à télécharger']

הערות שוליים

הליום
הולנד: מדע וטכנולוגיה
גזים אצילים
נוזל קירור