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液氦,是氦氣在極低溫下凝結而成的神秘液體,其沸點僅為4.215K(約-268.935℃),在標準大氣壓下呈現出無色、無味的形態。作為自然界中最難液化的氣體之一,氦的液化標志著人類對低溫極限的征服。1908年,荷蘭物理學家海克·卡末林·昂內斯首次成功將氦氣液化,開啟了低溫物理的新紀元,也為超導、量子現象的研究鋪就了道路。
液氦最引人入勝之處在于其在極低溫下展現出的奇異量子現象。當溫度降至2.18K時,液態?He發生相變,進入被稱為HeⅡ的超流態。此時,它表現出近乎零粘滯的“超流動性”——能沿容器壁向上爬行,甚至穿過極細微的毛細管而無能量損耗。這種現象源于玻色-愛因斯坦凝聚:大量氦原子聚集于最低能量態,形成宏觀量子態。朗道的“二流體模型”進一步解釋了HeⅡ的特性:它由無粘滯、零熵的超流成分與有粘滯性的正常流體共同構成,二者共存卻行為迥異。
更令人驚嘆的是液氦的熱學性質。HeⅡ的熱導率極高,可達銅的800倍,是目前已知最佳的熱導體之一。它通過“第二聲波”——即溫度波或熵波——傳遞熱量,這是普通流體中不存在的獨特機制。此外,液氦還展現出“機-熱效應”與“熱-機效應”,如“噴泉效應”,為低溫工程提供了精妙的調控手段。
液氦的應用貫穿現代科技命脈。在醫療領域,它為核磁共振成像(MRI)中的超導磁體提供穩定低溫環境;在前沿科研中,大型強子對撞機、量子計算機和紅外天文望遠鏡均依賴液氦制冷。稀釋制冷技術更利用3He與?He在極低溫下的相分離特性,實現毫開爾文級的超低溫,支撐起量子計算與凝聚態物理的探索。
盡管氦資源有限且主要源于天然氣提純,但其不可替代性使其成為戰略級物資。2025年我國萬瓦級氦制冷機的研制成功,標志著我們在大型低溫系統自主化上邁出關鍵一步,為核廢料處理、高端醫療與基礎科研提供了堅實支撐。
液氦不僅是低溫的象征,更是人類探索自然極限的見證。它將宏觀世界與量子世界連接,讓我們得以窺見物質在接近絕對零度時的奇妙本質,繼續照亮科學前行的道路。
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