Isotopen

Er zijn twee isotopen van helium. Een isotoop met twee protonen en één neutron, het helium-3. De andere isotoop, verreweg de meest voorkomende, helium-4 bevat twee protonen en twee neutronen in de kern. We bekijken in dit artikel een aantal eigenschappen van helium-4.

Het Pauli-verbod

Het “Pauli-verbod” is een natuurwet uit de kwantumfysica, die zegt, dat twee elementaire deeltjes bij elkaar nooit dezelfde serie kwantumgetallen kunnen hebben. Dat betekent onder meer dat de twee elektronen in de K-schil antiparallelle (tegengestelde) spin hebben. De bijbehorende kwantumgetallen zijn voor beide elektronen n=1, l=0 en m=0. Maar voor het ene elektron is s=+½ en voor het andere -½.

Ortho-helium en para-helium

Als heliumgas zeer sterk is verhit, zoals nabij het oppervlak van de zon, dan zijn de helium-atomen geïoniseerd. Tijdens de bestudering van het spectrum van de zon ontdekte men spectraallijnen, die met geen enkel toenmalig bekend element overeen kwamen. De onbekende lijnen vormden twee series. Op grond daarvan meende men zelfs twee verschillende gassen te hebben ontdekt: ortho-helium en para-helium. Later zag men in, dat er soms twee elektronen met anti-parallelle spin in een heliumatoom combineerden: dat leidde tot ortho-helium, zeg maar gewoon helium. Maar als twee elektronen met parallelle spins binnen één helium atoom bij elkaar kwamen, dan leidde dat tot een kwantumsprong. Nooit kwamen twee elektronen in de K-schil. Zo kreeg je het spectrum van para-helium. De twee tekeningen tonen beide soorten helium in de laagst mogelijke energietoestand.

Balonnen

Dit edelgas wordt als draaggas voor ballonnen gebruikt. Hoewel de dichtheid tweemaal de dichtheid van waterstof onder dezelfde omstandigheden heeft, waardoor het stijgvermogen duidelijk minder is, wordt het niettemin toch gebruikt, omdat helium onbrandbaar is.

De gasthermometer

Een ideaal gas wordt het beste benadert door helium, vandaar het gebruik van helium als gasvulling in een gasthermometer. Dat apparaat meet een temperatuur door volume-variatie. Dat is gebaseerd op de ideale gaswet pV = nRT met p, n en R als constanten.

Vloeibaar helium

De kooktemperatuur van helium is bij normale druk 4,2 K.. Een liquefactor maakt vloeibare helium bij deze lage temperatuur. Een grote “liquefactor” in vol bedrijf bereidt circa 13 liter vloeibaar helium per uur. Het kookpunt van het helium is zo extreem laag (het laagste kookpunt, dat bestaat) doordat de éénatomige moleculen elkaar zwak aantrekken. Baanbrekend werk op dit gebied is door Heike Kamerlingh Onnes verricht in het naar hem vernoemde laboratorium in Leiden. Vloeibaar helium wordt bewaard in een thermosfles, die meestal een cryostaat wordt genoemd. Die fles wordt voorgekoeld met vloeibare lucht, daarna met vloeibare waterstof en tenslotte door vloeibaar helium zelf; de zogenaamde cascade-methode. Pas als de cryostaat zelf op 4,2 K is gekomen, kan het vloeibare helium in het vat verblijven. Het kookt dan rustig.

Toepassing

Vloeibaar helium wordt alleen gebruikt als een koelvloeistof, net als vloeibare lucht en vloeibare waterstof, bijvoorbeeld om metalen af te koelen. Sommige metalen kunnen supergeleidend worden. Wat ons interesseert, zijn de eigenschappen van het vloeibare helium zelf!

Verder afkoelen

Verdere afkoeling tot circa 1K is mogelijk door de heliumdamp boven de vloeistof weg te pompen. Nog verdere afkoeling is met speciale technieken te realiseren, zoals adiabatische demagnetisatie en door middel van een mengsel-koelmachine. Het lukt niet tijdens het afkoelen om helium vast te krijgen, zelfs vlak bij het absolute nulpunt. Kristallisatie lukt uitsluitend als de druk in de vloeistof minstens 25 bar is.

De lambda-overgang

Tijdens het afkoelen van 4,2 K tot 2,2 K gedraagt de vloeistof zich normaal, nauwelijks interessant. Maar zodra de temperatuur onder de 2,2 K komt, verandert het gedrag van het vloeibare helium acuut, grondig en bizar. Vrijwel alle eigenschappen veranderen! Die “twee-orde-fase-overgang” heet het lambda-punt en ligt dus bij circa 2,2 K.

Supervloeibaar helium

De stroperigheid of viscositeit neemt onder het lambda-punt dramatisch af. Men spreekt over de superfluïde toestand van helium. Als je in een gewone vloeistof roert of je draait een vat in het rond, dan begint de vloeistof mee te draaien. Superfluïde helium komt niet tot wervelen! Als je een poreuze prop in stromend helium plaatst, dan heeft de vloeistof boven 2,2 K er moeite mee om door de prop heen te stromen, maar onder 2,2 K lijkt het wel of er zelfs geen prop aanwezig is. Zelfs de allerkleinste gaatjes lijken geen belemmering te zijn voor de beweging van superfluïde helium. Men heeft het dan ook over superlekken.

Fontein-effect

Neem twee vaten, die van onderen verbonden zijn door een dun buisje, “communicerende vaten”. In dat buisje plaats je een superprop. Vul het geheel met vloeibaar helium waarven de temperatuur lager is dan 2,2 K. Ga je in één van de vaten het helium flink opwarmen, dan spuit het vloeibare helium in het andere vaatje omhoog, ondanks de aanwezigheid van de prop.

Spontaan hevelen

Als je met een voorgekoeld reageerbuisje superfluïde helium uit een groter vat neemt, dan hevelt de vloeistof zichzelf, spontaan, over de rand van het buisje heen. Onderaan vormt zich een druppel, die in het heliumbad eronder valt, als die te zwaar wordt. Geen enkele ander vloeistof vertoont deze eigenschap.

Warmtegeleiding

Als je naar vloeibaar helium kijkt, dan zie je boven 2,2 K, net als bij elke kokende vloeistof, dampbelletjes ontwijken. Onder 2,2 K wordt de vloeistof volmaakt rustig! Het is zelfs moeilijk de vloeistofspiegel, het boven-oppervlak dus, te zien. Helium is boven 2,2 K een vloeistof, die de warmte betrekkelijk slecht geleidt, maar onder deze sprong-temperatuur is helium een vloeistof, die de warmte beter geleidt dan “de beste” warmtegeleiders zoals zilver en koper. Het is niet mogelijk om een temperatuursverschil binnen vloeibare helium te creëren.

Second souns

In elke vloeistof kun je geluidsgolven opwekken door de vloeistof bloot te stellen aan snelle drukvariaties. In helium onder 2,2 K kun je ook temperatuurgolven opwekken. Dat lukt, dankzij de vrijwel volmaakte warmtegeleiding. Plaats je een kleine elektrische weerstand in het helium (T < 2,2 K) en je laat er een laagfrequente wisselstroom door gaan, dan verandert de temperatuur van die weerstand harmonisch in de tijd: T(t) = T[~gemiddeld ~]+ A sin(omega.t). In het helium ontstaat dan “second sound”, een temperatuurgolf dus. Ga je met een zo klein mogelijke NTC de temperatuur in een willekeurig punt van het heliumbad meten, dan registreer je temperatuurvariaties met dezelfde frequentie als de gebruikte wisselstroom. De golfsnelheid is circa 20 m/s. Bij gewone vloeistoffen is dit onmogelijk, omdat ze traag op temperatuursveranderingen reageren.

Quantumvloeistof

Het bizarre gedrag van superfluïde helium is een gevolg van de extreem lage temperaturen, waarbij thermische bewegingen vrijwel zijn uitgeschakeld. Dan worden de meer fundamentele eigenschappen van helium merkbaar, eigenschappen, die uitsluitend met quantumfysica kunnen worden begrepen. Er is een sterke analogie tussen superfluditeit en supergeleiding van elektrische stroom. Ook supergeleiding is een quantum-fysisch verschijnsel.

Dit artikel is eerder verschenen in nummer 2 uit de jaargang 1999 van het blad Archimedes.