Kiinteä helium on heliumin tila lämpötilassa , joka on lähellä absoluuttista nollaa ja paineessa, joka on paljon korkeampi kuin ilmakehän paine. Helium on ainoa alkuaine , joka ei kiinteydy, vaan pysyy nestemäisessä tilassa ilmakehän paineessa ja mielivaltaisen alhaisessa lämpötilassa . Siirtyminen kiinteään tilaan on mahdollista vain yli 25 atm :n paineessa .
Kun Heike Kamerling-Onnes onnistui saavuttamaan heliumin kondensaation vuonna 1908 , hän yritti saada kiinteää heliumia. Pumppaamalla ulos höyryjä hän onnistui saavuttamaan λ-pisteen (1,4 K ). Seuraavien kymmenen vuoden tutkimusten aikana se oli mahdollista pudota 0,8 K:iin, mutta helium pysyi nestemäisenä. Ja vasta vuonna 1926 Willem Hendrik Keesom , Kamerling-Onnesin opiskelija , pystyi saamaan 1 cm³ kiinteää heliumia käyttämällä paitsi matalaa lämpötilaa myös korkeaa painetta.
Kokeeni, jotka mahdollistivat heliumin saamisen kiinteässä tilassa, osoittivat varsin selvästi, että heliumin muuttuminen kiinteäksi ei vaadi vain lämpötilaa, jossa atomin sisäiset voimat ylittävät lämpöliikkeen siinä määrin, että atomit voidaan ryhmitellä kidehilaksi, mutta sitä vaaditaan myös , ja ulkoisen paineen vaikutus, jonka on oltava riittävän korkea, jotta atominsisäiset voimat saadaan liikkeelle. Ilman tällaista painetta helium pysyy nesteenä jopa alimmissa saavutetuissa lämpötiloissa, vaikka jossain lämpötilassa se voi yhtäkkiä muuttua uudeksi nestemäiseksi aggregoituneeksi olomuodoksi.
- Luento, joka pidettiin ennen viidettä kansainvälistä jäähdytyskongressia Roomassa, 13. huhtikuuta 1928, Nature, 123, 847, 1928
Heliumin fysikaaliset ominaisuudet:
| Omaisuus | 4 Hän | 3 Hän _ |
|---|---|---|
| Molaarinen tilavuus, cm³/mol (bcc) | 21,1 (1,6 kt) | 24 (0,65 K) |
| Minimi muodostumispaine (kiteytys), atm | 25 | 29 (0,3 kt) |
| Kiinteän heliumin tiheys, g/cm³ | 0,187 (0 K, 25 atm) | |
| Nestemäisen heliumin tiheys, g/cm³ (0 K) | 0,145 | 0,08235 |
Kiinteä helium on kiteinen läpinäkyvä aine, ja kiinteän ja nestemäisen heliumin välistä rajaa on vaikea havaita, koska niiden taitekertoimet ovat lähellä. Kiinteän heliumin tiheys on erittäin alhainen, se on 0,187 g / cm³ (alle 20% jään tiheydestä -273 °C:ssa ). Kiinteän 3 He:n muodostuminen vaatii vielä korkeamman paineen (29 atm) ja vielä alhaisemman lämpötilan (0,3 K). Sen tiheys on vielä pienempi.
Kiinteälle helium-4:lle on ominaista sellainen kvanttivaikutus kuin kiteytysaallot . Tämä vaikutus koostuu faasirajan " kvanttikide - superneste" heikosti vaimennetuista värähtelyistä. Värähtelyjä esiintyy lievällä mekaanisella vaikutuksella "kide-neste" -järjestelmään. Alle 0,5 K lämpötilassa riittää, että laitetta ravistellaan hieman, sillä kiteen ja nesteen välinen raja alkaa värähdellä ikään kuin se olisi kahden nesteen välinen raja.
4 He: n fuusion entropia ja entalpia muuttuvat alle 1 K:n lämpötiloissa nollaan.
4 He :n pääsyngonia on kuusikulmainen ( hcp ). Vaihekaavio näyttää pienen alueen, jossa 4 He siirtyy kuutiojärjestelmään ( bcc ) . Suhteellisen korkeissa paineissa (1000 atm) ja lämpötilassa ~15 K ilmaantuu uusi fcc -kuutiofaasi .
Kuvassa vaiheiden nimet:
Paineilla <100 atm 3 He kiteytyy kuutiojärjestelmässä (bcc). Yli ~100 atm, kiinteä 3 He siirtyy vaiheeseen, jossa on kuusikulmainen symmetria (hcp). Sekä 4 He, 3 He paineissa >1000 atm ja ~15 K siirtyy kuutiofaasiin (fcc).
Alle 0,3 K:n nestemäisen ja kiinteän helium-3:n termodynaamiset ominaisuudet ovat epätavallisia siinä mielessä, että adiabaattisessa puristuksessa nestemäinen helium jäähtyy ja puristuksen lisääntyessä jäähtyminen jatkuu, kunnes nestefaasi muuttuu kiinteäksi. Tämä johtuu helium-3:n ydinmagnetismin merkittävästä vaikutuksesta sen entalpiaan. Tätä vaikutusta kutsutaan helium-3 :n puristusjäähdytykseksi . Tämän helium-3:n käyttäytymisen ennusti teoreettisesti I. Ya. Pomeranchuk vuonna 1950 , ja W. M. Fairbank ja G. K. Walters ( 1957 ), Yu. D. Anufriev ( 1965 ) vahvistivat sen kokeellisesti . Siitä lähtien adiabaattista puristusjäähdytystä on käytetty monissa laboratorioissa. Tämä menetelmä mahdollistaa liukenemiskryostaatin ylläpitämistä matalista lämpötiloista lähtien saavuttaa alle 0,003 K lämpötiloja, jotka ovat riittävän alhaisia supernesteisellä heliumilla suoritettaviin kokeisiin.
3 He: n sulamiskäyrällä, kun T < 0,3 K, on negatiivinen derivaatta . Tämän seurauksena helium-3:lla havaitaan epätavallinen fyysinen vaikutus. Jos nestemäistä helium-3:a, jonka lämpötila on <0,01 K ja paine 30–33 atm, kuumennetaan, neste jäätyy lämpötilassa ~0,3–0,6 K.
Kiinteälle helium-3:lle on ominaista myös kiteytysaaltojen kvanttivaikutus , mutta se ilmenee alle 10 -3 K lämpötiloissa.
Epäilys siitä, että myös kiinteillä aineilla voi olla superfluiditeettia , esitettiin jo kauan sitten [1] , mutta pitkään aikaan tällaisesta ilmiöstä ei ollut kokeellisia viitteitä.
Vuonna 2004 ilmoitettiin superfluiditeetin löytämisestä kiinteässä heliumissa. Tämä väite perustui vääntöheilurin hitausmomentin odottamattoman pienenemisen vaikutukseen kiinteän heliumin kanssa. Myöhemmät tutkimukset ovat kuitenkin osoittaneet, että tilanne ei ole läheskään niin yksinkertainen, ja siksi on vielä ennenaikaista puhua tämän ilmiön kokeellisesta löytämisestä [2] [3] [4] [5] .
Tällä hetkellä ei ole olemassa yleisesti hyväksyttyä teoriaa, joka selittäisi ja kuvaisi superfluiditeettia kiinteässä heliumissa. Tällaista teoriaa yritetään kuitenkin rakentaa [6] .
Useissa alkuperäistä työtä seuranneissa artikkeleissa huomautettiin, että näytteen hitausmomentin poikkeavalla laskulla voi olla myös eri alkuperä [7] [8] . Vuonna 2005 julkaistiin riippumattomien kokeiden tulokset, joissa ei havaittu supernestekomponentin ilmenemismuotoja kiinteässä heliumissa [9] . Vuonna 2012 alkuperäisen julkaisun kirjoittajan Moses Chanin kirjoittamassa artikkelissa osoitettiin, että havaitun vaikutuksen tulkinta kiinteän heliumin siirtymisenä supernestetilaan oli virheellinen [10] [11] .