liquidhelium
在極低溫度下氣態氦轉變為液態氦。由於氦原子間的相互作用（范德瓦耳斯力）和原子質量都很小，很難液化，更難凝固。富同位素4He的氣液相變曲線如圖1。4He的臨界溫度和臨界壓強分別為5.20K和2.26大氣壓，一個大氣壓下的溫度為4.215K。在常壓下，溫度從臨界溫度下降至絕對零度時，氦始終保持為液態，不會凝固，只有在大於25大氣壓時才出現固態。普通液氦是一種很易流動的無色液體，其表面張力極小，折射率和氣體差不多，因而不易看到它。液態4He包括性質不同的兩個相，分別稱為HeⅠ和HeⅡ，在兩個相之間的轉變溫度處，液氦的密度、電容率和比熱容均呈現反常的增大。兩個液相HeⅠ和HeⅡ間的轉變溫度稱為λ點，飽和蒸氣壓下的λ點為2.172K，壓強增加時，λ點移向較低的溫度，兩個液相的相變曲線為一直線，稱為λ線(圖1)。
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圖1 液態氨 |
液氦具有一系列引人注目的特點，主要表現在以下幾方面。
超流動性普通液體的粘滯度隨溫度的下降而增高，與此不同，HeⅠ的粘滯度在溫度下降到2.6K左右時，幾乎與溫度無關，其數值約為3×10-6帕秒，比普通液體的粘滯度小得多。在2.6K以下，HeⅠ的粘滯度隨溫度的降低而迅速下降。HeⅡ的粘滯度在λ點以下的溫度時立刻降至非常小的值（＜10-12帕秒），這種幾乎沒有粘滯性的特性稱為超流動性。用粗細不同的毛細管做實驗時，發現流管愈細，超流動性就愈明顯，在直徑小於10-5厘米的流管中，流速與壓強差和流管長度幾乎無關，而僅取決於溫度，流動時不損耗動能。
對HeⅡ性質的理論研究首先由F.倫敦作出。4He原子是自鏇為整數的玻色子，倫敦把HeⅡ看成是由玻色子組成的玻色氣體，遵守玻色統計規律，玻色統計允許不同粒子處於同一量子態中。倫敦證明了存在一個臨界溫度Tc，當溫度低於Tc時，一些粒子會同時處於零點振動能狀態（即基態），稱為凝聚，溫度愈低，凝聚到零點振動能狀態的粒子數就愈多，在絕對零度時，全部粒子都凝聚到零點振動能狀態，以上現象稱為玻色-愛因斯坦凝聚。L.蒂薩認為HeⅡ的超流動性起因於玻色-愛因斯坦凝聚。由於已凝聚到基態的HeⅡ原子具有最低的零點振動能，故有極大的平均自由程，能夠幾乎無阻礙地通過極細的毛細管。蒂薩首先提出二流體型，後來L.D.朗道修正和補充了此模型。二流體模型認為HeⅡ由兩部分獨立的、可互相滲透的流體組成，一種是處於基態的凝聚部分，熵等於零，無粘滯性，是超流體；另一種是處於激發態（未凝聚）的正常流體，熵不等於零，有粘滯性。兩種流體的密度之和等於HeⅡ的總密度，溫度降至λ點時，正常流體開始部分地轉變為超流體，溫度愈低，超流體的密度愈大，而正常流體的密度則愈小，在絕對零度時，所有原子都處於凝聚狀態，全部流體均為超流體。利用這個二流體模型可解釋關於液氦的許多力學和熱學性質。
熱傳導HeⅠ具有普通流體的導熱率，因而當減小壓強時，液氦出現激烈的沸騰現象。HeⅡ的導熱率要比HeⅠ高出106倍，比銅高出104倍。當溫度越過λ點，HeⅠ轉變為HeⅡ時，液氦從很壞的熱導體突然變為到目前為止最好的熱導體。由於HeⅡ的導熱率異乎尋常地高，其內部不可能出現溫差，因而內部不可能汽化，即不能沸騰。當利用抽氣方法減低蒸氣壓時，開始階段出現激烈的沸騰，溫度降低至λ點以下時，HeⅠ轉變為HeⅡ，沸騰突然停止，液面平靜如鏡，汽化只發生在液面。正常流體的導熱率與溫度梯度無關，純粹是反映物質性質的量，但HeⅡ的導熱率卻與溫度梯度甚至容器的幾何形狀有關。
氦膜任何與HeⅡ接觸的器壁上覆蓋一層液膜，液膜中只包含無粘滯性的超流體成分，稱為氦膜。氦膜的存在使液氦能沿器壁向儘可能低的位置移動。將空的燒杯部分地浸於HeⅡ中時，燒杯外的液氦將沿燒杯外壁爬上杯口，並進入杯內，直至杯內和杯外液面持平。反之，將盛有液氦的燒杯提出液氦面時，杯內液氦將沿器壁不斷轉移到杯外並滴下。液氦的這種轉移的速率與液面高度差、路程長短和障壁高度無關。
熱效應包括機-熱和熱-機兩種效應。如圖2a，盛有液氦的兩個容器用極細的毛細管C連通，注入液氦，溫度低於λ點，右側液面高於左側，形成壓強差Δp。液氦中低熵超流成分能從右側通過毛細管轉移到左側，而高熵的正常成分不能通過毛細管。這導致右側液氦的熵增加，左側的熵減少，這意味著右側溫度升高而左側溫度降低。這種由機械力引起的熱量遷移稱為機-熱效應。機-熱效應的逆過程稱為熱-機效應，如圖2b所示。右側液氦受熱後（吸熱Q），低熵的超流成分減少，左側液氦中的超流成分通過毛細管流向右側，而正常成分不能通過毛細管，這導致右側液面升高形成壓強差。圖2c是演示熱-機效應的“噴泉”裝置。帶毛細管噴嘴的無底玻璃管的填充金剛砂粉末P，用棉花C塞住底部，浸入液氦中。用光照射玻璃管，使管內的液氦溫度升高，超流成分激發成正常成分。管外的超流成分通過棉花塞向管內轉移，形成內外壓強差，液氦從噴嘴噴出。
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圖2 |
第二聲波普通流體中的聲波是由密度交替變化形成的，稱密度波。1941年朗道發展了量子液體的流體動力學，預言在HeⅡ中除普通密度波（稱第一聲波）外，還存在另一種聲波，它是由液氦中超流成分（低熵，溫度較低）與正常流體成分（高熵，溫度較高）的相對運動形成的，稱為溫度波或熵波（第二聲波）。實驗證實了溫度波的存在。
3He是4He的同位素，在天然氦中所占比例小於10-7，通過人工核反應可得足夠數量的3He。3He的臨界溫度和臨界壓強分別為3.34K和1.17大氣壓。與4He一樣，在常壓下液態3He不會固化，在絕對零度附近需加34個大氣壓才能固化。1972年，D.D.奧舍羅夫等人在2mK低溫下發現了兩個3He的液態新相，分別稱為3He-A和3He-B，它們均為超流態。液態3He和4He在0.87K以上溫度時完全互溶，在該溫度以下則分離成兩相，按3He所占比例的多少分別稱為濃相（含3He較多）和稀相(含3He較少)，濃相浮於稀相之上（因3He比4He輕）。3He原子從濃相通過界面進入稀相時要吸熱，這就是稀釋致冷機的工作原理（見超低溫技術)。3He原子的電子總自鏇為零，核自鏇為1／2，故與電子一樣屬費米子，遵守費米-狄拉克統計，液態3He稱為費米液體，正常態的液態3He的性質可用朗道的費米液體理論描述。
