Helium cecair

Unsur kimia helium wujud dalam bentuk cecair hanya pada suhu yang sangat rendah iaitu -269 °C (kira-kira 4.15 Kelvin atau -452.2 °Fahrenheit). Takat didih dan takat kritikalnya bergantung kepada isotop helium yang mana yang wujud: sama ada isotop helium-4 yang biasa atau isotop helium-3 yang jarang. Kedua-dua ini sahaja isotop helium yang stabil. Lihat jadual di bawah bagi nilai kuantiti-kuantiti fizikal ini. Ketumpatan helium-4 cecair pada takat didihnya dan dalam tekanan 1 atmosfera (101.3 kilopascal) ialah kira-kira 125 gram per liter.^[1]

Helium cecair dalam cawan.

Pencecairan

Helium telah dicecairkan buat kali pertama pada 10 Julai 1908 oleh ahli fizik Belanda, Heike Kamerlingh Onnes di Belanda.^[2] Pada masa itu, helium-3 tidak diketahui kerana spektrometer jisim belum lagi dicipta. Dalam dekad baru-baru ini, helium cecair telah digunakan sebagai bahan penyejuk kriogenik, dan helium cecair dihasilkan secara komersial untuk kegunaan dalam magnet pengalir lampau seperti yang digunakan dalam imejan resonans magnet (MRI), resonans magnet nuklear (NMR), magnetoensefalografi (MEG) dan ujikaji-ujikaji dalam fizik seperti spektroskopi Mössbauer bersuhu rendah. Helium hanya boleh dicecairkan dengan kitaran Hampson-Linde yang eksotik dan tidak dengan kaedah yang lebih mudah.^[3]

Ciri-ciri

Suhu yang diperlukan untuk menghasilkan helium cecair adalah rendah kerana kelemahan daya tarikan antara atom-atom helium. Untuk permulaan, daya antara atom helium adalah lemah kerana helium merupakan sejenis gas adi, tetapi tarikan antara atom dikurangkan lebih lagi oleh kesan mekanik kuantum. Kesan-kesan ini adalah penting bagi helium kerana jisim atomnya yang rendah iaitu sebanyak kira-kira 4 unit jisim atom (amu). Tenaga titik sifar helium cecair adalah kurang sekiranya atom-atomnya kurang terkurung oleh atom-atom di sekelilingnya. Oleh itu, dalam helium cecair, tenaga keadaan asas boleh menurun apabila jarak antara atom purata meningkat secara semula jadi. Namun, pada jarak yang lebih jauh kesan daya antara atom helium adalah jauh lebih lemah.^[4]

Oleh sebab daya antara atom yang sangat lemah dalam heliu, unsur ini akan kekal dalam bentuk cecair daripada takat pencecairannya sehinggalah ke sifar mutlak (suhu yang teramat rendah). Helium cecair membeku hanya pada suhu yang sangat rendah dan dalam tekanan yang tinggi. Pada suhu sejurus di bawah takat pencecairannya, helium-4 dan helium-3 melalui peralihan kepada bendalir lampau. (Lihat jadual di bawah.)^[4]

Pada suhu di bawah 0.9 kelvin dan tekanan wap tepu mereka, helium-4 dan helium-3 cecair tidak terlarut campur sepenuhnya. Di bawah suhu ini, campuran kedua-dua isotop ini melalui pemisahan fasa kepada bendalir biasa (kebanyakannya helium-3) yang terapung di atas bendalir lampau yang lebih tumpat yang kebanyakannya terdiri daripada helium-4. (Pemisahan fasa ini berlaku kerana jisim keseluruhan helium cecair boleh menurunkan entalpi termodinamiknya dengan pengasingan).

Pada suhu yang sangat rendah, fasa bendalir lampau yang kaya dengan helium-4 boleh mengandungi 6% helium-3 dalam larutan. Ini membolehkan penggunaan skala kecil peti sejuk pencairan, yang mampu mencapai suhu sehingga beberapa milikelvin.^[5][6]

Data

Ciri-ciri helium cecair	Helium-4	Helium-3
Suhu kritikal[4]	5.2 K	3.3 K
Takat didih pada satu atmosfera[4]	4.2 K	3.2 K
Tekanan pencairan minimum[7]	25 atm	29 atm pada 0.3 K
Suhu peralihan bendalir lampau pada tekanan wap tepu	2.17 K[8]	1 mK jika tiada medan magnet[9]

Galeri

• 
  Helium cecair (dalam botol vakum) pada 4.2 K dan 1 atm, mendidih dengan perlahan.
• 
  Peralihan titik lambda: apabila cecair ini disejukkan sehingga 2.17 K, pendidihan tiba-tiba menjadi pantas buat seketika, kemudian ia berhenti seolah-olah sepenuhnya. Dalam fasa bendalir lampau, keberaliran terma adalah sangat tinggi. Ini menyebabkan haba dalam jasad itu dipindahkan ke permukaannya dengan sangat pantas sehinggakan pengewapan hanya berlaku di permukaan bebas cecair tersebut.
• 
  Fasa bendalir lampau pada suhu di bawah 2.17 K (tanpa pendidihan yang nyata, lihat kapsyen gambar di sebelah kiri).

Lihat juga

• Gas industri
• Kriogenik
• Bendalir lampau
• Nisbah pengembangan
• Nitrogen cecair
• Oksigen cecair
• Hidrogen cecair
• Udara cecair