Heelium kuulub väärisgaaside rühma. Vedel heelium on maailma kõige külmem vedelik. Selles koondseisundis on sellel mitmeid unikaalseid omadusi, nagu ülivoolavus ja ülijuhtivus. Selle omaduste kohta saame lisateavet hiljem.
Heeliumgaas
Heelium on lihtne aine, mis on universumis gaasilises olekus lai alt levinud. Mendelejevi perioodilisuse tabelis on ta teine ja kohe pärast vesinikku. See viitab inert- või väärisgaasidele.
Element on tähistatud kui "Tema". Vana-Kreeka keelest tähendab selle nimi "päike". Alguses eeldati, et see on metall. Selgus aga, et tegemist on monaatomilise gaasiga. Heelium on kergeim kemikaal, mis on maitsetu, värvitu ja lõhnatu. Sellel on madalaim keemispunkt.
Norma altingimustes on see ideaalne gaas. Lisaks gaasilisele on see võimeline olema tahkes ja vedelas olekus. Selle inertsus väljendub passiivses koostoimes teiste ainetega. See on vees praktiliselt lahustumatu. Tööstuslikel eesmärkidel ekstraheeritakse see maagaasist, eraldades selle lisanditestkasutades tugevat jahutust.
Gaas võib olla inimestele ohtlik. Selle kontsentratsiooni suurenemine õhus põhjustab hapnikupuudust veres, mida meditsiinis nimetatakse hapnikunälgimiseks. Suures koguses allaneelamisel põhjustab see oksendamist, teadvusekaotust ja mõnikord surma.
Heeliumi veeldamine
Iga gaas võib teatud tingimustel agregeeruda vedelasse olekusse. Veeldamist kasutatakse tavaliselt nii tööstuses kui ka teadusuuringutes. Mõne aine puhul piisab lihts alt rõhu tõstmisest. Teised, näiteks heelium, muutuvad vedelaks alles jahutamisel.
Kui gaasi temperatuur on üle kriitilise punkti, ei kondenseeru see olenemata rõhust. Heeliumi kriitiline punkt on 5,19 Kelvinit, 3He isotoobi puhul on see 3,35 K.
Vedel heelium on peaaegu täiuslik vedelik. Seda iseloomustab pindpinevuse, viskoossuse puudumine. Pärast rõhu ja temperatuuri muutmist jääb selle maht samaks. Vedelal heeliumil on äärmiselt madal pinge. Aine on värvitu ja väga vedel.
Vedela heeliumi omadused
Vedelas olekus on heelium halvasti eristatav, kuna see murrab valguskiiri nõrg alt. Teatud tingimustel on sellel kvantvedeliku omadused. Tänu sellele ei kristalliseeru see normaalrõhul isegi temperatuuril –273,15 Celsiuse järgi (absoluutne null). Kõik teised teadaolevad ained tahkuvad nendes tingimustes.
Temperatuur, mille juures vedel heelium hakkab keema, on –268,9 kraadi Celsiuse järgi. Selle isotoopide füüsikalised omadused on märkimisväärselt erinevad. Näiteks heelium-4 keeb temperatuuril 4,215 K.
See on Bose'i vedelik, mida iseloomustavad faasisiirded temperatuuril 2172 kelvinit ja alla selle. He II faasi iseloomustab ülivoolavus ja supersoojusjuhtivus. Faasi madalamal temperatuuril esinevad He I ja He II samaaegselt, mille tõttu tekib vedelikus kaks helikiirust.
Heelium-3 on Fermi vedelik. See keeb 3,19 kelvinit. Isotoop suudab saavutada ülivoolavuse väga madalatel temperatuuridel (mõni millikelvin), kui selle osakeste vahel on piisav külgetõmme.
Heeliumi ülevoolavus
Teadus võlgneb ülivoolavuse kontseptsiooni uurimise akadeemikutele S. P. Kapitsale ja L. D. Landaule.
Akadeemik jõudis järeldusele, et pärast heeliumi temperatuuri langemist alla 2172 K läheb aine normaaloleku faasist täiesti uude faasi, mida nimetatakse heelium-II-ks. Selles faasis läbib aine kapillaare ja kitsaid auke ilma vähimagi hõõrdumiseta. Seda olekut nimetatakse ülifluidsuseks.
1941. aastal jätkas Landau L. D. vedela heeliumi omaduste uurimist ja töötas välja ülivoolavuse teooria. Seletamata võttis selle kasutusele kvantmeetoditega, rakendades ergastuste energiaspektri kontseptsiooni.
Heeliumirakendused
Element heelium avastati Päikese spektrist 1868. aastal. Maal avastas selle 1895. aastal William Ramsay, misjärel seda uuriti pikka aega ja seda ei kasutatud majandussfääris. Tööstustegevuses hakati seda kasutama õhulaevade kütusena Esimese maailmasõja ajal.
Gaasi kasutatakse aktiivselt pakendamiseks toiduainetööstuses, metallide sulatamisel. Geoloogid kasutavad seda maakoore rikete tuvastamiseks. Vedelat heeliumi kasutatakse peamiselt külmutusagensina, mis suudab säilitada ülimadalat temperatuuri. See omadus on vajalik teaduslikuks uurimiseks.
Jahutusvedelikku kasutatakse krüogeensetes elektrimasinates, skaneerivates tunnelmikroskoopides, meditsiinilistes NMR-tomograafides, laetud osakeste kiirendites.
Järeldus
Heelium on inertne või väärisgaas, millel on koostoimes teiste ainetega madal aktiivsus. Keemiliste elementide perioodilisuse tabelis on see vesiniku taga teisel kohal. Looduses on aine gaasilises olekus. Teatud tingimustel võib see minna muudesse koondamisolekutesse.
Vedela heeliumi peamine omadus on selle ülivoolavus ja võimetus kristalliseeruda normaalrõhul, isegi kui temperatuur jõuab absoluutse nullini. Aine isotoopide omadused ei ole samad. Nende kriitilinetemperatuurid, keemistingimused ja osakeste pöörlemised.
