一、液氦物理化學性質

二、液氦用途

液氦最主要的用途是低溫超導技術上應用。如：超導技術和磁共振成像（MRI+NMR），超導粒子加速器超導磁體的冷卻，用於軍事和商業目的的磁流體推進系統，大型強子對撞機裝置、核聚變裝置的冷卻，還有大量科學裝置需要液氦超低溫環境。

三、液氦--永久液體？

在獲得液氦之後，人們隨即期望進一步將其固化。然而當時的人們並不知道，傳統的固化液體的方式，也就是透過不斷抽走蒸氣實現降溫的方法，是註定不會成功的。這剛剛誕生的液體遲遲不能凝固，又成了最後的“永久液體”。

多年以後，人們才意識到，這種方法失敗的根源正是氦原子的量子力學效應。現在我們已經知道，由於量子力學的不確定原理，哪怕溫度到達絕對零度，原子或分子處於能量最低的狀態，它們也並非完全靜止不動。此時這些粒子仍然一刻不停地振動著，因此仍然帶一定的動能，稱為零點能。對於其他絕大部分物質，這個零點能的影響都可以忽略不計。然而對於孤零零的氦原子來說，彼此之間微弱的van der Waals作用力竟敵不過自己的零點能。也就是說，即使沒有一絲熱能從外界輸入，本應該結晶的固體氦也被自身的零點能融化了。在趨近絕對零度時，只有當施加了足夠的壓強（約25個大氣壓）以提供額外的相互作用，液體氦才能被固化。正是因為在壓力不足時液氦能夠一直保持液態，那些其出人意料的量子效應性質才能在溫度足夠低時得以顯現出來。這種量子效應顯著的液體被稱為量子液體。

四、性格迥異的兄弟--氦3、氦4

氦元素有兩種天然同位素——-氦三（3He）和氦四（4He）。氦四（4He），它的原子核內含有兩個質子和兩個中子，而氦四的“四”正是對應了總核子數。其實氦還有一位穩定的同位素兄弟叫氦三（3He），它的原子核內含有兩個質子和一箇中子。雖然同為一家兄弟，而且都不會衰變，但它們的數量對比卻極為懸殊。宇宙中的氦元素絕大多數都是氦四，氦三的丰度只有所有氦元素的大約百萬分之二（2 ppm）。這使得氦三比本已非常昂貴的氦四更加的千金難求。

當溫度低於0。8 K，氦三與氦四的混合液甚至會自發地分離成兩種氦三濃度不同的部分，分別叫氦三的稀釋相（混有少量氦三的氦四）和濃縮相（幾乎全是氦三）。氦元素的這種同位素自發分離的性質也是實現10 mK（毫開爾文，開爾文的千分之一）極低溫的稀釋製冷機的工作基礎。如今稀釋製冷機的技術已經非常成熟，成為各個需要極低溫條件的實驗室的標配。

圖1 氦三（上圖）與氦四（下圖）的壓強-溫度相圖。

注意兩圖在溫度區間上的巨大差別。

五、掀開超低溫世界的大門-液氦

液氦作為直接冷卻液，或是稀釋製冷機的工作物質，為眾多低溫研究提供實驗條件。與此同時，由於其神奇而獨特的低溫性質，氦元素本身也吸引著許多物理學家的好奇心，成為許多基礎科學研究中的重要物件。這還要回到成功液化氦氣之後人們努力獲取固態氦的歷史中去，從那兒說起。

前面我們提到，當時的人們並沒有意識到增加壓強的必要性，僅僅試圖降低氣態氦四的飽和蒸氣壓來降低液態氦的溫度。然而在錯誤的努力方向上卻也有另一扇機緣的大門通向一片全新的領域。在蒸發製冷的過程當中，人們發現，當溫度低於2。2 K的時候，液態氦四出現了前所未有的神奇現象。本來劇烈沸騰的液體突然變風平浪靜，液體的比熱也在這個特徵溫度出現了峰值。如果把這時的液氦置於懸空的器皿中，那麼器皿底部會不斷地滴下液氦小液滴，直到最後容器內的液氦全都消失殆盡了，彷彿器皿是漏的一樣（見圖二）。而如果把液氦匯入毛細管中，它可以毫無阻礙的在管道中流動。當時的人們並沒有立刻意識到，他們得到了一種全新的物質狀態——超流（Superfluid），一種沒有粘滯力的流體。

超流的氦四，玻璃皿底部的小液體是玻璃皿中的液體翻過器皿的邊緣後流下來而形成的。

到底在2。2 K的溫度下發生了什麼導致了超流相變？現在我們知道，氦四的超流是一種玻色-愛因斯坦凝聚（BEC， Bose-Einstein Condensate）導致的相變。前面我們提到，由於“大廳規定”，隨著溫度降低，越來越多的玻色子會轉移到能量最低態。那麼當溫度低於特徵溫度（即超流相變溫度），大量的氦四原子都到聚集到了能量最低態，這些剛剛走到一起，同處在“大廳”裡的氦四原子並非一直保持各自獨立不相往來的狀態。隨著溫度的進一步降低，它們的運動狀態從雜亂無章各自為政變成了和諧統一步調一致，在宏觀上就表現為液體的流動失去了粘滯性。

處在能量最低態的這部分液氦（即凝聚相，Condensate）完全沒有粘滯阻力，這導致了前面提到的奇異現象。一方面，無粘滯性使得超流液氦擁有非常大的熱導率，處在沸點的液氦不需透過沸騰而僅僅利用不動聲色的對流，就能夠把液體底部的熱量傳送到平靜的表面。另一方面，無粘滯性使得液氦可以利用表面張力毫無阻礙地越過高出液麵的容器壁上邊緣，流向容器外部的勢能更低處。這種粘滯力為零的流體性質也是超流（即超級流體）這個名稱的由來。隨著溫度的進一步降低，更多的氦原子跑到最低態，液氦的超流性質也更加顯著。在逼近絕對零度時，幾乎所有的氦四原子都在和諧統一不分彼此地做著集體運動。這時，整個體系就如同一個單一而碩大的氦原子那樣純粹簡單。前蘇聯的Kapitsa因為液氦超流體的無粘滯性的發現以及在低溫實驗技術其他方面的貢獻而獲得了1978年的諾貝爾物理學獎。前蘇聯的Landau則由於提出瞭解釋液氦超流性質的理論以及在其他理論問題上的貢獻而獲得了1962年的諾貝爾物理學獎。

玻色-愛因斯坦凝聚（BEC）的現象不止發生在氦四這一種玻色子身上。比如稀薄的鹼金屬冷原子氣體也能在極低溫的狀態下發生BEC。科學家們將一團87Ru原子（包含37個質子，50箇中子，37個電子，是一個由124個費米子組成的複合玻色子）束縛在磁場勢阱中。然後利用鐳射致冷和蒸發致冷的技術，這一小團銣原子被冷卻到大約1 µK（微開爾文，開爾文的百萬分之一）的溫度，從而實現了所有原子在能量狀態上的聚集，也就是“大廳規定”發揮了作用。有關冷原子的研究成就了兩項Nobel物理學獎。美國的朱棣文，Phillips，以及法國的Cohen-Tannoudji因為發展了鐳射致冷技術而獲得了1997年的Nobel物理學獎。四年後，美國的Cornell，Wieman，以及德國的Ketterle因為在實驗上實現了鹼金屬冷原子的Bose-Einstein凝聚以及其他相關技術獲得了2001年的Nobel物理學獎。

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從氦的發現，到氦的液化，再到超流體的發現和研究，有關氦的科學活動貫穿了150年以來現代科學的發展歷程。有關氦的理論突破和技術推進，開拓了許多嶄新的科學領域，同時也成就了許多諾貝爾物理學獎。如今對於氦元素的前沿研究依然擔負著突破人類認知邊界的重任。我們有理由相信，人們會繼續從液氦這種神奇的量子液體中發現並破解更多的神奇性質，從而管中窺豹，更深入地理解我們所處的這個宇宙。