液氦

液氦 氦單質在極低溫度下由氣態氦轉變為液態氦。由于氦原子間的相互作用（范德華力）和原子質量都很小，很難液化，更難凝固。富同位素4He的氣液相變曲線的臨界溫度和臨界壓強分別為5.20K和2.26大氣壓，一個標準大氣壓下的溫度為4.215K.在常壓下，溫度從臨界溫度下降至絕對零度時，氦始終保持為液態，不會凝固，只有在大于25大氣壓時才出現固態。

在2.18K時會有明顯的性質改變，如獲得超導性、超流性，被稱作He II，來與普通的液氦（He I）區別開。

物理性質

概述
氦在通常情況下為無色、無味的氣體；熔點-27
液氦2.2℃（25個大氣壓），沸點-268.785℃；密度0.1785千克/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。
超流體具有一系列引人注目的特點，主要表現在以下幾方面。
超流動性普通液體的粘滯度隨溫度的下降而增高，與此不同，HeⅠ的粘滯度在溫度下降到2.6K左右時，幾乎與溫度無關，其數值約為3×10-6帕秒，比普通液體的粘滯度小得多。在2.6K以下，HeⅠ的粘滯度隨溫度的降低而迅速下降。HeⅡ的粘滯度在λ點以下的溫度時立刻降至非常小的值（<10-12帕秒），這種幾乎沒有粘滯性的特性稱為超流動性。用粗細不同的毛細管做實驗時，發現流管愈細，超流動性就愈明顯，在直徑小于10-5厘米的流管中，流速與壓強差和流管長度幾乎無關，而僅取決于溫度，流動時不損耗動能。
氦膜任何與HeⅡ接觸的器壁上覆蓋一層液膜，液膜中只包含無粘滯性的超流體成分，稱為氦膜。氦膜的存在使液氦能沿器壁向盡可能低的位置移動。將空的燒杯部分地浸于HeⅡ中時，燒杯外的液氦將沿燒杯外壁爬上杯口，并進入杯內，直至杯內和杯外液面持平。反之，將盛有液氦的燒杯提出液氦面時，杯內液氦將沿器壁不斷轉移到杯外并滴下。液氦的這種轉移的速率與液面高度差、路程長短和障壁高度無關。
對HeⅡ性質的理論研究首先由F.倫敦作出。4He原子是自旋為整數的玻色子，倫敦把HeⅡ看成是由玻色子組成的玻色氣體，遵守玻色統計規律，玻色統計允許不同粒子處于同一量子態中。倫敦證明了存在一個臨界溫度Tc，當溫度低于Tc時，一些粒子會同時處于零點振動能狀態（即基態），稱為凝聚，溫度愈低，凝聚到零點振動能狀態的粒子數就愈多，在絕對零度時，全部粒子都凝聚到零點振動能狀態，以上現象稱為玻色-愛因斯坦凝聚。L.蒂薩認為HeⅡ的超流動性起因于玻色-愛因斯坦凝聚。由于已凝聚到基態的HeⅡ原子具有最低的零點振動能，故有極大的平均自由程，能夠幾乎無阻礙地通過極細的毛細管。蒂薩首先提出二流體型，后來L.D.朗道修正和補充了此模型。二流體模型認為HeⅡ由兩部分獨立的、可互相滲透的流體組成，一種是處于基態的凝聚部分，熵等于零，無粘滯性，是超流體；另一種是處于激發態（未凝聚）的正常流體，熵不等于零，有粘滯性。兩種流體的密度之和等于HeⅡ的總密度，溫度降至λ點時，正常流體開始部分地轉變為超流體，溫度愈低，超流體的密度愈大，而正常流體的密度則愈小，在絕對零度時，所有原子都處于凝聚狀態，全部流體均為超流體。利用這個二流體模型可解釋關于液氦的許多力學和熱學性質。
熱傳導性
HeⅠ具有普通流體的導熱率，因而當減小壓強時，液氦出現激烈的沸騰現象。HeⅡ的導熱率要比HeⅠ高出106倍，比銅高出104倍。當溫度越過λ點，HeⅠ轉變為HeⅡ時，液氦從很壞的熱導體突然變為到目前為止最好的熱導體。由于HeⅡ的導熱率異乎尋常地高，其內部不可能出現溫差，因而內部不可能汽化，即不能沸騰。當利用抽氣方法減低蒸氣壓時，開始階段出現激烈的沸騰，溫度降低至λ點以下時，HeⅠ轉變為HeⅡ，沸騰突然停止，液面平靜如鏡，汽化只發生在液面。正常流體的導熱率與溫度梯度無關，純粹是反映物質性質的量，但HeⅡ的導熱率卻與溫度梯度甚至容器的幾何形狀有關。
熱效應
熱效應包括機-熱和熱-機兩種效應。盛有液氦的兩個容器用極細的毛細管C連通，注入液氦，溫度低于λ點，右側液面高于左側，形成壓強差Δp.液氦中低熵超流成分能從右側通過毛細管轉移到左側，而高熵的正常成分不能通過毛細管。這導致右側液氦的熵增加，左側的熵減少，這意味著右側溫度升高而左側溫度降低。這種由機械力引起的熱量遷移稱為機-熱效應。機-熱效應的逆過程稱為熱-機效應。右側液氦受熱后（吸熱Q），低熵的超流成分減少，左側液氦中的超流成分通過毛細管流向右側，而正常成分不能通過毛細管，這導致右側液面升高形成壓強差。熱-機效應的“噴泉”裝置。帶毛細管噴嘴的無底玻璃管的填充金剛砂粉末P，用棉花C塞住底部，浸入液氦中。用光照射玻璃管，使管內的液氦溫度升高，超流成分激發成正常成分。管外的超流成分通過棉花塞向管內轉移，形成內外壓強差，液氦從噴嘴噴出。
第二聲波
普通流體中的聲波是由密度交替變化形成的，稱密度波。1941年朗道發展了量子液體的流體動力學，預言在HeⅡ中除普通密度波（稱第一聲波）外，還存在另一種聲波，它是由液氦中超流成分（低熵，溫度較低）與正常流體成分（高熵，溫度較高）的相對運動形成的，稱為溫度波或熵波（第二聲波）。實驗證實了溫度波的存在。
同位素
3He是4He的同位素，在天然氦中所占比例小于10-7，通過人工核反應可得足夠數量的3He.3He的臨界溫度和臨界壓強分別為3.34K和1.17大氣壓。與4He一樣，在常壓下液態3He不會固化，在絕對零度附近需加34個大氣壓才能固化。1972年，D.D.奧舍羅夫等人在2mK低溫下發現了兩個3He的液態新相，分別稱為3He-A和3He-B，它們均為超流態。液態3He和4He在0.87K以上溫度時完全互溶，在該溫度以下則分離成兩相，按3He所占比例的多少分別稱為濃相（含3He較多）和稀相（含3He較少），濃相浮于稀相之上（因3He比4He輕）。3He原子從濃相通過界面進入稀相時要吸熱，這就是稀釋致冷機的工作原理（見超低溫技術）。3He原子的電子總自旋為零，核自旋為1/2，故與電子一樣屬費米子，遵守費米-狄拉克統計，液態3He稱為費米液體，正常態的液態3He的性質可用朗道的費米液體理論描述。
化學性質
氦的化學性質穩定，幾乎不與其他任何元素化合。
理論上的確有一些氦的化合物在極低溫極高壓狀態下可以存在。
在光譜中可以觀測到HeH+（已知最強的酸），而HeH的激發態可以作為準分子存在。
詳見稀有氣體化合物詞條。
用途
氦是最不活潑的元素，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。