Eksperymenty z ciekłym azotem i ciekłym helem
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
Powiązane treści:
Film
Skróty filmu — oddzielnie zaprezentowane poszczególne eksperymenty z helem, tlenem i azotem, czyli – Pająk Kapicy, skraplanie tlenu i efekt Meissnera oraz ich opisy:
Realizację filmu dofinansowała:
Polecane artykuły
Różnorodność biologiczna – Cykl – Edycja III
Różnorodność i zmienność są elementarną przyczyną czegokolwiek na ziemi. Nieprzerwany ruch, ciągłe łączenie się i rozpadanie jest naturą wszystkiego. I choć wydaje nam się, że wielka cześć tego co obserwujemy jest jakby niezmienna, to jednak jest inaczej
Bioróżnorodność zakodowana w genach
Chcąc chronić bioróżnorodność otaczającego nas świata, musimy najpierw poznać i zrozumieć mechanizmy, które odpowiadają za ciągłość życia na Ziemi.
Różnorodność genetyczna jako podstawa bioróżnorodności
Człowiek od niepamiętnych czasów, choć początkowo nieświadomie, wykorzystywał genetykę do własnych celów. Ochrona różnorodności genetycznej jest szczególnie ważna w obliczu prognozowanych zmian klimatycznych.
Czysta energia – edycja II (2022)
W cyklu filmów popularno-naukowych pod wspólnym tytułem “Czysta energia” naukowcy opowiadają o słońcu, ziemi, wodzie, biomasie i wodorze jako o naturalnych źródłach energii niezwiązanej z emisją zanieczyszczeń ani spalaniem paliw kopalnych, co sprawia, że jest bardziej przyjazna dla środowiska.
Różnorodność biologiczna – Cykl – Edycja II
Nie można mówić o różnorodności biologicznej, nie poddając refleksji zjawiska życia. Życie zakłada mnogość przejawów, nigdy nie występuje w pojedynkę.
Życie determinuje wszystko na naszej planecie – jest lasem, łąką i miastem
Biała energia w Rosko
Biała energia – to energia odnawialna, pozyskiwana z energii wody. Ma przede wszystkim olbrzymie znaczenie w kontekście ekologicznym, gdyż ogranicza emisję zanieczyszczeń do środowiska.
Fizyka procesu widzenia – prof. Ryszard Naskręcki
Przekazywanie informacji wzrokowej jest procesem niezwykle złożonym i pomimo postępu nauki nadal trudnym do fizycznego modelowania. System wzrokowy jest bowiem wieloparametrowym układem detekcyjnym, pozwalającym na odbiór informacji docierającej do oka za pomocą fal elektromagnetycznych
Wzrok, widzenie, okulary …
Zestaw krótkich filmów definiujących najważniejsze pojęcia związane ze zmysłem wzroku, z widzeniem, z okularami,
Park Zamku Kórnickiego – najważniejsze polskie Arboretum
Cztery pory roku w Arboretum Kórnickim — specjalnym miejscu Instytutu Dendrologii — jakby muzeum, bo od niego rozpoczęły się dzieje naukowego podejścia do drzew i krzewów, przynajmniej w Wielkopolsce. Ciągle też, mimo iż, drzewa bada się dziś głównie poprzez mikroskopy lub analizy ich genotypów, Arboretum jest terenem badawczym i edukacyjnym, lubianym przez wszystkich odwiedzających.
Dobre widzenie
O tym, jak ważny jest komfort widzenia, jak rozwija się nasz wzrok, kiedy należy zbadać o 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?
Drzewo z bliska
Drzewa to jedne z najwspanialszych roślin na Ziemi. Są to rośliny wieloletnie i między innymi dzięki temu do nich zaliczają się te najstarsze i największe – jak sekwoje czy daglezje w Kalifornii sięgające 100 metrów wysokości, czy nawet jodły i świerki w Polsce, mające po 50 i 60 metrów.
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.