液体ヘリウム

ヘリウム：極低温の世界を支える希少ガス

ヘリウムは、周期表18族に属する希ガス元素です。その特異な性質から、科学技術の発展に大きく貢献しています。本稿では、ヘリウムの液体状態、特にその性質、利用、そして歴史的な側面について詳述します。

極低温の世界への扉：ヘリウムの液化

ヘリウムは-269℃という極低温で液体となります。この極低温を実現するために、ジュール＝トムソン効果を利用したハンプソン＝リンデサイクルという特殊な液化方法が用いられます。単純な冷却法では液化できない点が、ヘリウムの特異性を示しています。

ヘリウムの液体化は、1908年、オランダの物理学者ヘイケ・カメルリング・オネスによって初めて達成されました。当時はヘリウム3の存在は知られていませんでしたが、現在ではヘリウム3、ヘリウム4の2つの安定同位体が存在することが分かっています。それぞれの同位体で沸点や臨界点が異なるなど、微妙な物性差が見られます。

液体ヘリウムの驚異的な性質

液体ヘリウムの特筆すべき性質は、その極めて弱い分子間力にあります。ヘリウム原子は単原子分子であり、貴ガスであること自体が分子間力を弱める要因となっていますが、量子力学的効果も加わり、分子間力はさらに小さくなります。このため、液体ヘリウムは、大気圧下では液化温度から絶対零度まで液体状態を保ちます。固体にするには、極低温に加え、超高圧をかける必要があります。

また、液体ヘリウムは超流動という特異な状態を示します。これは、極低温下で粘性ゼロの流体となる現象で、様々な物理現象の解明に繋がっています。液体ヘリウム4とヘリウム3は、0.9K以下の温度では完全に混ざり合わないという性質も持ちます。この相分離は、熱力学的エンタルピーを減少させることで起こり、ヘリウム3がヘリウム4に希釈された状態は、極低温を実現する希釈冷凍法に利用されています。

液体ヘリウムの利用：科学技術を支える冷媒

液体[ヘリウム]]は、その極低温という性質から、様々な科学技術において重要な役割を果たしています。特に、超伝導体の冷却には欠かせない冷媒として広く用いられています。超伝導電磁石は、核磁気共鳴画像法(MRI)、核磁気共鳴]装置、脳磁図(MEG)など医療機器や、高[[磁場を必要とする物理学実験などで利用されています。そのため、大学や研究機関では、液化装置とともに、ヘリウムの回収配管を整備していることが一般的です。液体ヘリウムの密度は、ヘリウム4の場合、1気圧、沸点で約125g/lです。

液体ヘリウムの保管と取り扱い

液体ヘリウムは、真空断熱された特殊な金属容器で保管されます。移送には、専用のトランスファーチューブを用いることで、蒸発による損失を最小限に抑えます。

まとめ：ヘリウム、そして極低温への挑戦

ヘリウムの液体状態は、その特異な性質から、現代科学技術に不可欠な存在となっています。極低温の世界を探求し続ける科学者たちの努力によって、ヘリウムの謎は解き明かされ、私たちの生活を支える技術へと繋がっています。今後ますます発展が期待される極低温技術において、液体ヘリウムは重要な役割を担い続けるでしょう。

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