一、液氦物理化学性质

二、液氦用途

液氦最主要的用途是低温超导技术上应用。如：超导技术和磁共振成像(MRI+NMR)，超导粒子加速器超导磁体的冷却，用于军事和商业目的的磁流体推进系统，大型强子对撞机设备、核聚变设备的冷却，还有大量科学设备需要液氦超低温环境。

三、液氦--永久液体？

在获得液氦之后，人们随即期望进一步将其固化。然而当时的人们并不知道，传统的固化液体的方式，也就是通过不断抽走蒸气实现降温的方法，是注定不会成功的。这刚刚诞生的液体迟迟不能凝固，又成了最后的“永久液体”。

多年以后，人们才意识到，这种方法失败的根源正是氦原子的量子力学效应。现在我们已经知道，由于量子力学的不确定原理，哪怕温度到达绝对零度，原子或分子处于能量最低的状态，它们也并非完全静止不动。此时这些粒子仍然一刻不停地振动着，因此仍然带一定的动能，称为零点能。对于其他绝大部分物质，这个零点能的影响都可以忽略不计。然而对于孤零零的氦原子来说，彼此之间微弱的vanderWaals作用力竟敌不过自己的零点能。也就是说，即使没有一丝热能从外界输入，本应该结晶的固体氦也被自身的零点能融化了。在趋近绝对零度时，只有当施加了足够的压强（约25个大气压）以提供额外的相互作用，液体氦才能被固化。正是因为在压力不足时液氦能够一直保持液态，那些其出人意料的量子效应性质才能在温度足够低时得以显现出来。这种量子效应显著的液体被称为量子液体。

四、性格迥异的兄弟--氦3、氦4

氦元素有两种天然同位素---氦三（3He）和氦四（4He）。氦四（4He），它的原子核内含有两个质子和两个中子，而氦四的“四”正是对应了总核子数。其实氦还有一位稳定的同位素兄弟叫氦三（3He），它的原子核内含有两个质子和一个中子。虽然同为一家兄弟，而且都不会衰变，但它们的数量对比却极为悬殊。宇宙中的氦元素绝大多数都是氦四，氦三的丰度只有所有氦元素的大约百万分之二（2ppm）。这使得氦三比本已非常昂贵的氦四更加的千金难求。

当温度低于0.8K，氦三与氦四的混合液甚至会自发地分离成两种氦三浓度不同的部分，分别叫氦三的稀释相（混有少量氦三的氦四）和浓缩相（几乎全是氦三）。氦元素的这种同位素自发分离的性质也是实现10mK（毫开尔文，开尔文的千分之一）极低温的稀释制冷机的工作基础。如今稀释制冷机的技术已经非常成熟，成为各个需要极低温条件的实验室的标配。

图1氦三（上图）与氦四（下图）的压强-温度相图。

注意两图在温度区间上的巨大差别。

五、掀开超低温世界的大门-液氦

液氦作为直接冷却液，或是稀释制冷机的工作物质，为众多低温研究提供实验条件。与此同时，由于其神奇而独特的低温性质，氦元素本身也吸引着许多物理学家的好奇心，成为许多基础科学研究中的重要对象。这还要回到成功液化氦气之后人们努力获取固态氦的历史中去，从那儿说起。

前面我们提到，当时的人们并没有意识到增加压强的必要性，仅仅试图降低气态氦四的饱和蒸气压来降低液态氦的温度。然而在错误的努力方向上却也有另一扇机缘的大门通向一片全新的领域。在蒸发制冷的过程当中，人们发现，当温度低于2.2K的时候，液态氦四出现了前所未有的神奇现象。本来剧烈沸腾的液体突然变风平浪静，液体的比热也在这个特征温度出现了峰值。如果把这时的液氦置于悬空的器皿中，那么器皿底部会不断地滴下液氦小液滴，直到最后容器内的液氦全都消失殆尽了，仿佛器皿是漏的一样（见图二）。而如果把液氦导入毛细管中，它可以毫无阻碍的在管道中流动。当时的人们并没有立刻意识到，他们得到了一种全新的物质状态——超流（Superfluid），一种没有粘滞力的流体。

超流的氦四，玻璃皿底部的小液体是玻璃皿中的液体翻过器皿的边缘后流下来而形成的。

到底在2.2K的温度下发生了什么导致了超流相变？现在我们知道，氦四的超流是一种玻色-爱因斯坦凝聚(BEC,Bose-EinsteinCondensate)导致的相变。前面我们提到，由于“大厅规定”，随着温度降低，越来越多的玻色子会转移到能量最低态。那么当温度低于特征温度（即超流相变温度），大量的氦四原子都到聚集到了能量最低态，这些刚刚走到一起，同处在“大厅”里的氦四原子并非一直保持各自独立不相往来的状态。随着温度的进一步降低，它们的运动状态从杂乱无章各自为政变成了和谐统一步调一致，在宏观上就表现为液体的流动失去了粘滞性。

处在能量最低态的这部分液氦（即凝聚相，Condensate）完全没有粘滞阻力，这导致了前面提到的奇异现象。一方面，无粘滞性使得超流液氦拥有非常大的热导率，处在沸点的液氦不需通过沸腾而仅仅利用不动声色的对流，就能够把液体底部的热量传送到平静的表面。另一方面，无粘滞性使得液氦可以利用表面张力毫无阻碍地越过高出液面的容器壁上边缘，流向容器外部的势能更低处。这种粘滞力为零的流体性质也是超流（即超级流体）这个名称的由来。随着温度的进一步降低，更多的氦原子跑到最低态，液氦的超流性质也更加显著。在逼近绝对零度时，几乎所有的氦四原子都在和谐统一不分彼此地做着集体运动。这时，整个体系就如同一个单一而硕大的氦原子那样纯粹简单。前苏联的Kapitsa因为液氦超流体的无粘滞性的发现以及在低温实验技术其他方面的贡献而获得了年的诺贝尔物理学奖。前苏联的Landau则由于提出了解释液氦超流性质的理论以及在其他理论问题上的贡献而获得了年的诺贝尔物理学奖。

玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)的现象不止发生在氦四这一种玻色子身上。比如稀薄的碱金属冷原子气体也能在极低温的状态下发生BEC。科学家们将一团87Ru原子（包含37个质子，50个中子，37个电子，是一个由个费米子组成的复合玻色子）束缚在磁场势阱中。然后利用激光致冷和蒸发致冷的技术，这一小团铷原子被冷却到大约1μK（微开尔文，开尔文的百万分之一）的温度，从而实现了所有原子在能量状态上的聚集，也就是“大厅规定”发挥了作用。有关冷原子的研究成就了两项Nobel物理学奖。美国的朱棣文，Phillips，以及法国的Cohen-Tannoudji因为发展了激光致冷技术而获得了年的Nobel物理学奖。四年后，美国的Cornell，Wieman，以及德国的Ketterle因为在实验上实现了碱金属冷原子的Bose-Einstein凝聚以及其他相关技术获得了年的Nobel物理学奖。

六、小结

从氦的发现，到氦的液化，再到超流体的发现和研究，有关氦的科学活动贯穿了年以来现代科学的发展历程。有关氦的理论突破和技术推进，开拓了许多崭新的科学领域，同时也成就了许多诺贝尔物理学奖。如今对于氦元素的前沿研究依然担负着突破人类认知边界的重任。我们有理由相信，人们会继续从液氦这种神奇的量子液体中发现并破解更多的神奇性质，从而管中窥豹，更深入地理解我们所处的这个宇宙。