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

Śnieżycowy Jar

Śnieżycowy Jar – rezerwat przyrody założony w 1975 roku dla ochrony jednego z nielicznych w Wielkopolsce (i w ogóle na niżu polskim) stanowiska śnieżycy wiosennej (Leucoium vernum).

czytaj dalej

Dobre widzenie

O tym jak ważny jest komfort widzenia, jak rozwija się nasz wzrok, kiedy należy zbadać wzrok dziecka, kiedy dorośli powinni wykonywać badania, czy nasz wzrok ma wpływ na naszą pracę, hobby, jazdę samochodem, cóż to jest persbiopia i czy należy się jej bać i trochę...

czytaj dalej

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