液氦

液氦（Liquid Helium, LHe）

液氦是氦气在极低温下（接近绝对零度）的液态形式，是自然界沸点最低的物质（-268.9℃, 4.2K）。由于其独特的超低温特性，液氦在尖端科技领域（如超导、量子计算）中不可或缺。

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1. 主要特性

（1）物理性质

• 沸点（常压）：4.2K（-268.9℃）（所有已知物质中最低）。

• 超流性（λ相变）：

  • 低于 2.17K 时，液氦（⁴He）进入 超流态（He-II），表现出：

    • 零黏度（可无阻力流过纳米级缝隙）。

    • 无限热导率（瞬间导热，无法沸腾，仅形成“量子膜”爬行）。

• 密度：约 0.125 g/cm³（4.2K），比气态氦（0.1785 g/L）密度高约 700倍。

• 无色无味，极难液化（需多级压缩和预冷）。

（2）化学性质

• 最惰性的元素，几乎不与其他物质反应。

• 唯一在常压下无法固化的物质（需 25 bar + 0.95K 才能形成固态氦）。

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2. 制备方法

液氦的制备依赖 氦气资源（天然气提取） 和 极低温技术：

1. 氦气来源：

   • 从含氦天然气中分离（美国、卡塔尔、俄罗斯为主产区）。

   • 通过 低温吸附法 提纯至 99.999% 以上。

2. 液化过程：

   • 先预冷至 -196℃（液氮温度）。

   • 使用 膨胀机+焦耳-汤姆逊效应 进一步冷却至 4.2K。

   • 储存于 超绝热杜瓦瓶（蒸发损失约 1%/天）。

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3. 应用领域

（1）超导技术

• MRI（核磁共振成像）：液氦冷却超导磁体（需维持 1.5K~4.2K）。

• 粒子加速器（如LHC）、核聚变装置（如ITER）的超导线圈冷却。

（2）量子科技

• 量子计算机（如IBM、Google的稀释制冷机需液氦预冷至 mK级）。

• 超导量子干涉仪（SQUID）：极高灵敏度磁探测。

（3）航天与低温物理

• 火箭燃料增压（如液氢/液氧储罐的氦气加压系统）。

• 宇宙微波背景辐射（CMB）探测（卫星低温传感器冷却）。

（4）工业与科研

• 低温泵：创造超高真空（10⁻¹⁰ mbar）。

• 超流氦研究：验证量子力学宏观现象（如第二声波、量子涡旋）。

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4. 安全注意事项

（1）极端低温

• 接触会导致 瞬间冻伤，操作需戴 多层绝热手套。

• 泄漏时形成 低温云团，可能引发局部缺氧。

（2）高压风险

• 汽化后体积膨胀 760倍，密闭容器可能爆炸。

（3）氦气窒息

• 虽无毒，但会置换空气（尤其在地下实验室等密闭空间）。

（4）储存挑战

• 蒸发损失：需定期补充（现代零蒸发技术仍处研发阶段）。

• 绝热容器：必须使用 超真空多层绝热杜瓦瓶。

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5. 与其他低温液体的对比

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6. 有趣事实

• 氦短缺危机：全球氦资源有限，回收率低（MRI每年消耗全球30%液氦）。

• 量子现象：超流氦可攀爬容器壁（“氦膜爬行”），甚至 滴穿容器。

• 宇宙中的氦：太阳核心通过核聚变每秒产生 6亿吨氦，但地球氦主要来自放射性α衰变。