helio líquido

El helio líquido es un estado físico del helio a temperaturas muy bajas y presiones atmosféricas estándar . El helio líquido puede presentar superfluidez .

A presión estándar, el elemento químico helio existe en estado líquido únicamente a la temperatura extremadamente baja de −269 °C (−452,20 °F; 4,15 K) . Su punto de ebullición y punto crítico dependen del isótopo de helio presente: el isótopo común helio-4 o el isótopo raro helio-3 . Estos son los únicos dos isótopos estables del helio. Consulte la tabla a continuación para conocer los valores de estas magnitudes físicas. La densidad del helio-4 líquido en su punto de ebullición y a una presión de una atmósfera (101,3 kilopascales ) es de aproximadamente 125 g/L (0,125 g/ml) , o aproximadamente una octava parte de la densidad del agua líquida . ^{[ 1 ]}     

El helio fue licuado por primera vez el 10 de julio de 1908 por la física neerlandesa Heike Kamerlingh Onnes en la Universidad de Leiden, Países Bajos . ^{[ 2 ]} En aquel entonces, el helio-3 era desconocido porque aún no se había inventado el espectrómetro de masas . En décadas más recientes, el helio líquido se ha utilizado como refrigerante criogénico (que se utiliza en criorefrigeradores ) y se produce comercialmente para su uso en imanes superconductores, como los que se utilizan en imágenes por resonancia magnética (IRM), resonancia magnética nuclear (RMN), magnetoencefalografía (MEG) y experimentos en física , como la espectroscopia Mössbauer de baja temperatura . El Gran Colisionador de Hadrones contiene imanes superconductores que se enfrían con 120 toneladas de helio líquido. ^{[ 3 ]}

La temperatura necesaria para producir helio líquido es baja debido a la debilidad de las atracciones entre los átomos de helio. Estas fuerzas interatómicas en el helio son débiles de por sí porque el helio es un gas noble , pero las atracciones interatómicas se reducen aún más por los efectos de la mecánica cuántica . Estos efectos son significativos en el helio debido a su baja masa atómica de aproximadamente cuatro daltons . La energía de punto cero del helio líquido es menor si sus átomos están menos confinados por sus vecinos. Por lo tanto, en el helio líquido, su energía de estado fundamental puede disminuir debido a un aumento natural en su distancia interatómica promedio. Sin embargo, a mayores distancias, los efectos de las fuerzas interatómicas en el helio son aún más débiles. ^{[ 4 ]}

Debido a las fuerzas interatómicas muy débiles en el helio, este elemento permanece líquido a presión atmosférica desde su punto de licuefacción hasta el cero absoluto . A temperaturas inferiores a sus puntos de licuefacción, tanto el helio-4 como el helio-3 experimentan transiciones a superfluidos . (Véase la tabla a continuación). ^{[ 4 ]} El helio líquido solo puede solidificarse a temperaturas muy bajas y presiones altas . ^{[ 5 ]}

El helio-4 líquido y el raro helio-3 no son completamente miscibles . ^{[ 6 ]} Por debajo de 0,9 kelvin a su presión de vapor saturado , una mezcla de los dos isótopos experimenta una separación de fases en un fluido normal (principalmente helio-3) que flota sobre un superfluido más denso compuesto principalmente de helio-4. ^{[ 7 ]} Esta separación de fases ocurre porque la masa total de helio líquido puede reducir su entalpía termodinámica al separarse.

A temperaturas extremadamente bajas, la fase superfluida, rica en helio-4, puede contener hasta un 6 % de helio-3 en solución. Esto posibilita el uso a pequeña escala del refrigerador de dilución , capaz de alcanzar temperaturas de unos pocos milikelvin . ^{[ 6 ] [ 8 ]}

El helio-4 superfluido tiene propiedades sustancialmente diferentes a las del helio líquido ordinario.

En 1908, Kamerlingh-Onnes logró licuar una pequeña cantidad de helio. En 1923, asesoró al físico canadiense John Cunningham McLennan , quien fue el primero en producir cantidades de helio líquido casi a demanda. ^{[ 9 ]}

El físico soviético Lev Landau realizó importantes trabajos iniciales sobre las características del helio líquido , que posteriormente fueron ampliados por el físico estadounidense Richard Feynman .

En 1961, Vignos y Fairbank informaron sobre la existencia de una fase diferente del helio-4 sólido, denominada fase gamma. Esta existe en un rango estrecho de presión entre 1,45 y 1,78 K. ^{[ 10 ]}

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  Helio líquido (en una botella al vacío) a 4,2 K (−268,95 °C) y 1 bar (15 psi) hirviendo lentamente.    
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  Transición del punto lambda: a medida que el líquido se enfría a través de 2,17 K (−270,98 °C) , la ebullición se vuelve repentinamente violenta por un momento.  
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  Fase superfluida a temperaturas inferiores a 2,17 K (−270,98 °C) . En este estado, la conductividad térmica es extremadamente alta. Esto provoca que el calor del líquido se transfiera a su superficie con tanta rapidez que la vaporización se produce únicamente en la superficie libre del líquido. Por lo tanto, no se forman burbujas de gas en el interior del líquido.  
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  El helio líquido se encuentra en fase superfluida . Una fina película invisible se desliza por la pared interior del recipiente y desciende por la exterior. Se forma una gota que caerá en el helio líquido que se encuentra debajo. Este proceso se repetirá hasta que el recipiente esté vacío, siempre y cuando el líquido permanezca superfluido.

General

• Diagramas de fases de He-3 y He-4, etc.
• Diagrama de fases del helio-3, etc. Archivado el 12/10/2004 en la Wayback Machine.
• Licuefacción de helio de Onnes
• Artículo de Kamerlingh Onnes de 1908, disponible en línea y analizado en BibNum. Archivado el 18 de febrero de 2018 en Wayback Machine [para análisis en inglés, haga clic en 'à télécharger'].
• Los sistemas criogénicos del CERN.