El helio líquido es un estado físico del helio a temperaturas muy bajas y presiones atmosféricas estándar . El helio líquido puede presentar superfluidez .
A presión estándar, el elemento químico helio existe en forma líquida solo a la temperatura extremadamente baja de −269 °C (−452,20 °F; 4,15 K). Su punto de ebullición y punto crítico dependen de qué isótopo de helio esté presente: el isótopo común helio-4 o el isótopo raro helio-3 . Estos son los únicos dos isótopos estables del helio. Consulte la tabla a continuación para ver los valores de estas cantidades físicas. La densidad del helio-4 líquido en su punto de ebullición y una presión de una atmósfera (101,3 kilopascales ) es de aproximadamente 125 g/L (0,125 g/ml), o aproximadamente un octavo de la densidad del agua líquida . [1]
El helio fue licuado por primera vez el 10 de julio de 1908 por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes en la Universidad de Leiden en los Países Bajos . [2] En ese momento, el helio-3 era desconocido porque el espectrómetro de masas aún no se había inventado. En décadas más recientes, el helio líquido se ha utilizado como refrigerante criogénico (que se utiliza en crioenfriadores ), y el helio líquido se produce comercialmente para su uso en imanes superconductores como los que se utilizan en la resonancia magnética (MRI), la resonancia magnética nuclear (NMR), la magnetoencefalografía (MEG) y los experimentos en física , como la espectroscopia Mössbauer de baja temperatura . El Gran Colisionador de Hadrones contiene imanes superconductores que se enfrían con 120 toneladas de helio líquido. [3]
Un átomo de helio-3 es un fermión y, a temperaturas muy bajas, forman pares de Cooper de dos átomos que son bosónicos y se condensan en un superfluido . Estos pares de Cooper son sustancialmente mayores que la separación interatómica.
La temperatura necesaria para producir helio líquido es baja debido a la debilidad de las atracciones entre los átomos de helio. Estas fuerzas interatómicas en el helio son débiles para empezar porque el helio es un gas noble , pero las atracciones interatómicas se reducen aún más por los efectos de la mecánica cuántica . Estos son significativos en el helio debido a su baja masa atómica de aproximadamente cuatro unidades de masa atómica . La energía del punto cero del helio líquido es menor si sus átomos están menos confinados por sus vecinos. Por lo tanto, en el helio líquido, su energía del estado fundamental puede disminuir por un aumento natural en su distancia interatómica promedio. Sin embargo, a distancias mayores, los efectos de las fuerzas interatómicas en el helio son aún más débiles. [4]
Debido a las fuerzas interatómicas muy débiles en el helio, el elemento permanece líquido a presión atmosférica desde su punto de licuefacción hasta el cero absoluto . A temperaturas inferiores a sus puntos de licuefacción, tanto el helio-4 como el helio-3 experimentan transiciones a superfluidos . (Véase la tabla siguiente.) [4] El helio líquido puede solidificarse sólo a temperaturas muy bajas y presiones altas . [5]
El helio-4 líquido y el raro helio-3 no son completamente miscibles . [6] Por debajo de 0,9 kelvin a su presión de vapor saturada , una mezcla de los dos isótopos experimenta una separación de fases en un fluido normal (principalmente helio-3) que flota en un superfluido más denso que consiste principalmente en helio-4. [7] Esta separación de fases ocurre porque la masa total de helio líquido puede reducir su entalpía termodinámica al separarse.
A temperaturas extremadamente bajas, la fase superfluida, rica en helio-4, puede contener hasta un 6% de helio-3 en solución. Esto hace posible el uso a pequeña escala del refrigerador de dilución , que es capaz de alcanzar temperaturas de unos pocos milikelvins . [6] [8]
El helio-4 superfluido tiene propiedades sustancialmente diferentes del helio líquido ordinario.
En 1908, Kamerlingh-Onnes logró licuar una pequeña cantidad de helio. En 1923, asesoró al físico canadiense John Cunningham McLennan , quien fue el primero en producir cantidades de helio líquido prácticamente a demanda. [9]
En 1932, Einstein informó que el helio líquido podría ayudar a crear una bomba atómica.
Un importante trabajo temprano sobre las características del helio líquido fue realizado por el físico soviético Lev Landau , ampliado posteriormente por el físico estadounidense Richard Feynman .
En 1961, Vignos y Fairbank informaron de la existencia de una fase diferente del helio-4 sólido, denominada fase gamma, que existe en un estrecho intervalo de presiones entre 1,45 y 1,78 K. [10]
