Eksperymenty z ciekłym azotem i ciekłym helem

Cykl - Nadciekłość Przyroda Wideo

Doświadczenia z tlenem lub azotem w stanie ciekłym są zawsze ekscytujące. Mamy do czynienia przecież z czymś bardzo specyficznym.

W eksperymentach z ciekłym helem zaś zaczynają się dziać zdarzenia — zwyczajnie niemożliwe. Ciekły hel otwiera dla nas świat fizyki kwantowej.

Hel (He, łac. helium)

jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych pierwiastków we wszechświecie. Na ziemi jednak, mamy go bardzo mało.

Hel udaje się pozyskać z gazu ziemnego dzięki procesowi wielopoziomowej destylacji frakcyjnej (procesowi, w którym mieszanina ciekła rozdzielana jest na różne składniki). Jeśli w gazie ziemnym zawartość helu osiąga 0,5 %, to warto już budować instalacje do rektyfikacji takiego gazu w celu pozyskania między innymi helu czy azotu.
Hel w naturze występuje najczęściej w postaci izotopów:
• helu-4 ( 4He – w jego jądrze znajdują się dwa protony i dwa neutrony) oraz
• helu-3 (3He – o dwóch protonach i jednym neutronie w jądrze).

Helu-3 jest na ziemi znikoma ilość, dlatego jest niezmiernie poszukiwany i cenny. Gdy potocznie mówimy o helu — myślimy więc o 4He.

W Wielkopolsce mamy miejsca, w których w wydobywanym gazie ziemnym znajduje się wystarczająca ilość helu, pozwalająca na jego gospodarcze wykorzystanie. Polska więc jest — pod tym względem — wyjątkowym miejscem w Europie.

Cały czas trwają badania (wykorzystujące pewne niezwykłe właściwości helu) nad coraz bardziej wydajnym pozyskiwaniem 3He z 4He .
Hel-4 wrze w temperaturze 4,2 K (-268,95 °C) w warunkach ciśnienia atmosferycznego. Natomiast hel-3 w temperaturze 3,19 K (-269,96 °C). Gdy ochładzamy 4He jeszcze bardziej, zaczyna on tracić swoje „normalne” właściwości. Poniżej 2,17 K (-270,98 °C) przechodzi w stan nadciekłości. Nadciekły hel m.in. traci lepkość, nie ma tarcia i staje się doskonałym przewodnikiem ciepła.

Hel-3 natomiast przechodzi w stan nadciekłości w temperaturze dużo niższej T<0,0027K. To pozwala na separację tych dwóch izotopów, wykorzystując właściwości stanu nadciekłego.

Hel stosuje się głównie w laboratoriach naukowych do osiągania bardzo niskich temperatur.

Hel-3 wykorzystywany jest w detektorach promieniowania. Przewiduje się też, że wykorzystanie helu-3 w reakcji z deuterem (izotopem wodoru) w reaktorach jądrowych, umożliwi wytworzenie wielkiej energii bez zabójczego promieniowania. Będzie to wówczas doskonałe źródło energii — reaktor jądrowy bez odpadów radioaktywnych.
Dzięki użyciu obu izotopów helu-4 i helu-3 w chłodziarkach rozcieńczalnikowych uzyskuje się dziś temperatury nawet rzędu 0,001 K i jeszcze mniej – czyli w laboratoriach sięgamy już jakby niemożliwego.

Hel jest jednym ze składników gazu ziemnego, z którego w procesie oczyszczania niskotemperaturowego otrzymuje się głównie metan. W takich instalacjach na skalę przemysłową pozyskiwany jest też ciekły azot — podstawowy czynnik używany do szybkiego schładzania produktów, przechowywania ich w stanie zamrożonym lub zmiany właściwości w wybranych materiałach.

W Zakładzie Fizyki Niskich Temperatur Instytutu Fizyki Molekularnej PAN ciągle prowadzone są badania naukowe z wykorzystaniem ekstremalnie niskich temperatur. Latem zaś, naukowcy organizują spotkania z młodzieżą — Warsztaty Naukowe “Lato z helem”, by popularyzować wśród nich naukę i pokazywać zjawiska, którymi się zajmują. Ciekły azot, ciekły hel otwierają, dla nas bowiem, świat — powszechnie niespotykany i trudny do wyobrażenia — świat opisywany przez fizykę kwantową.

Prezentowane w filmie eksperymenty z ciekłym helem przeprowadzono z użyciem układu, którego konstrukcja została sfinansowana w ramach projektu NCBiR: INNOTECH-K1/IN1/11/159127/NCBR/12

Realizację filmu dofinansowała:

Film

Skróty filmu — poszczególne eksperymenty z helem, tlenem i azotem:

Polecane artykuły

Nadpłynność helu – prof. Wojciech Kempiński

Nadpłynność, czasami nazywana nadciekłością, jest zjawiskiem z obszaru fizyki kwantowej, a więc z obszaru, w którym intuicja nie zawsze podpowiada poprawne rozwiązania. Zjawisko to zostało odkryte u początków fizyki kwantowej więc pierwsze próby jego wyjaśnienia z konieczności oparte były o podstawy fizyki klasycznej. Pierwsze badania helu ciekłego możliwe były oczywiście po jego skropleniu, a to zawdzięczamy Heike Kamerligh-Onnesowi – rok 1908. Za datę powstania fizyki kwantowej uznaje się natomiast dzień 14 grudnia 1900 roku, gdy na posiedzeniu Niemieckiego Towarzystwa Fizycznego w Berlinie Max Planck przedstawił wyprowadzenie prawa promieniowania ciała doskonale czarnego.

czytaj dalej

Różnorodność biologiczna

Jednym z organizmów żywych, który jest ważną częścią różnorodności biologicznej Ziemi, jest drzewo. Na nim, przede wszystkim skupiliśmy, się realizując cykl dotyczący bioróżnorodności.

czytaj dalej

Czysta energia

Z pojęciem energii związany jest współcześnie zespół zagadnień dotyczących jej źródeł, produkcji, przesyłu, handlu i wykorzystania w wielu przestrzeniach ludzkiej codzienności. Połączone są z nią zagadnienia technologii jej wytwarzania, transportu i racjonalnego...

czytaj dalej