液态氦(卷名：物理学)
liquid helium
氦(He)是在常压下，在沸点以下直至绝对零度仍保持液态的唯一的物质。He原子是球形对称的，原子间的相互作用(范德瓦耳斯力)比任何其他物质都小。氦原子的质量甚轻，因而具有很高的零点能。上述二特性使氦难于液化，更难凝固。大气压下4He的沸点是4.215K，3He的沸点是3.191K（3He和4He是氦的两种稳定的同位素）。4He的相图上没有三相点，在沸点以下直至绝对零度一直保持液态，除非施加25个大气压以上的压力才能凝成固态。4He的临界点是5.20K，临界压力是2.26个大气压。液态氦首先由H.开默林－昂内斯在1908年制得。
液4He 相图 液 4He 具有性质完全不同的两个液态相──HeⅠ和HeⅡ。两相间的转变温度称为 λ点。在饱和蒸气压下λ点为2.172K。对应不同的压力，λ点的数值不同（λ线，图1）。当液氦温度降低至λ点时，沸腾突然停止，液面完全平静。在λ点，比热容值不连续，但潜热为零，所以λ转变是二级相变。液4He 的密度在λ点有极大值， 在λ点以下随着温度的降低略有减小，趋于常数。介电常数在λ点也不连续。λ点以下，传热本领特强。
HeⅡ 的基本特性 HeⅠ 具有普通粘滞流体的性质。HeⅡ 则具有许多非常奇异的性质。最引人注目的是它可以完全无阻地流经极细的管道或狭缝而不损耗其动能，这种性质称为超流动性。 HeⅡ的超流动性是∏.Л.卡皮察在1938年发现的。他发现当 HeⅡ流经间隙小于 10-4cm的狭缝时，粘滞性小于 10-11泊。HeⅡ的另一个奇异性质是喷泉效应。当一开口容器填以极细的金刚砂细粉，置于HeⅡ 池中，通过加热器使容器中的温度略高于外液池温度，这时液He即由氦池进入容器，使内液面升高，若容器另一端开有细嘴，则流体会从上端喷出，犹如喷泉(图2)。此效应亦称热机械效应。它的逆效应是机械热效应。氦膜流动是 HeⅡ超流动性的又一表现。覆盖于与液氦相接触的物体表面的一层极薄的膜称为氦膜（约为50～100个原子厚度）。氦膜可以完全无阻地沿器壁流动。当一容器浸入 HeⅡ液池中，如果一开始液面低于外液池液面，则液体通过氦膜沿器壁流入容器，直到内外液面相平。反之亦然，如果将容器提出液面，则液体沿氦膜流出，直到流尽为止。氦膜的流速几乎与压力差和膜的长度无关。
理论 在4He 的理论方面，早期F.伦敦和L.蒂萨提出玻色-爱因斯坦凝聚理论。4He 原子是玻色子，遵从玻色-爱因斯坦统计（见量子统计法），因此伦敦认为，λ转变是理想玻色气体在低温下的凝聚。由这一理论得到转变温度为3.1K。HeⅡ的唯象理论是Л.Д.朗道提出的二流体模型。这一模型将HeⅡ看做是由相互独立而又互相渗透的两部分流体组成的。一部分为正常流体，熵不为零和有粘滞性，性质与普通粘滞流体相同；另一部分为超流体，熵为零，无粘滞性。两部分流体密度之和等于整个流体密度ρ。即
，式中ρn为正常部分密度，ρs为超流部分密度，超流部分处于基态，正常部分处于激发态。在绝对零度，整个体系处于基态，ρn＝0，随着温度的增加，ρn逐渐增加。至 λ点，整个流体变为正常流体，ρs=0，两部分流体的动量之和为整个流体的动量。即
。由此出发得到HeⅡ的一系列流体力学性质，成功地解释了HeⅡ中的奇特现象。HeⅡ 整个体系的状态可用元激发组成的理想气体的运动来描述，元激发谱由动量能量关系给出。低能元激发为声子，其能量ε与动量p成正比，系数即为声速，即ε＝cp。较高能量的元激发称为旋子，其能量动量关系为
μ为有效质量。在动量p0处能量有一极小值Δ（图3）。在极低温度时，声子是主要的；在1K以上的温度，旋子是主要的。这一套元激发遵从玻色-爱因斯坦统计，由统计力学可以得到体系的宠观热力学性质，同时也可得到正常流体密度ρn的定量表达式。这一模型给出的结果与实验符合得很好。HeⅡ 能谱也为以后的慢中子非弹性散射实验所证实。
HeⅡ中的声传播 在HeⅡ中传播的声波，除去普通的密度波（称为第一声）外，还有第二声（B.丕希科夫，1944），即流体总密度不变，但正常流体和超流体相对运动，是一种温度波或称为熵波。第三声是氦膜中的表面波。在器壁表面，由于粘滞性的存在，正常流体部分是静止的；没有粘滞性的超流部分的振动引起超流密度在各点的变化，从而形成各点温度的波动。第四声存在于极细的填以多孔介质的超流管道中，也是正常部分静止，但由于没有自由表面，所以同时也伴随总密度的波动。
HeⅡ 中的涡旋态 HeⅡ 完全无摩擦的持续流动只在速度很小时存在，当速度大于某一临界速度时，超流部分的运动也不再是完全无耗散的。这时，HeⅡ 出现涡旋态。涡旋线中心有一个超流部分为零的芯子，超流部分环绕芯子的速度随着离芯子距离的增加而反比地减小。速度的环流强度是量子化的，R.P.费因曼从他假定的HeⅡ 的量子波函数出发推断出涡旋运动的存在和环流强度量子化。HeⅡ中宏观数目的原子处于同一量子态上，这就导致了宏观物理量的量子化效应，称为“宏观量子效应”。涡旋态时超流部分与正常部分之间的相互作用称为“内相互摩擦”。
液3He 3He是4He 的同位素，在绝对零度要施加34个大气压才能固化。3He原子核的自旋为半整数，是费密子，遵从费密-狄喇克统计。在0.1K以下，正常液体3He 的性质可以用朗道的费密液体理论来很好地描述:液体3He可以看成是一些3He 准粒子的集合，准粒子之间的相互作用可用推广的分子场来表示，当温度降低时，准粒子的平均自由程按1/T2增加，费密液体理论预言，即使在一个周期之内，准粒子之间没有任何碰撞，内部分子场的存在，仍然可以传播疏密波，但其衰减常数不同于普通的声波(第一声)，不是正比于1/T2，而是正比于T2，称为零声波，这已为实验所证实。
1972年D.D.奥舍罗夫等人在 2mK的低温下发现了两个新的3He相，即3He-A相和3He－B相，均为超流相。在超流相中，3He原子结成相对角动量量子数l＝1总自旋量子数S=1的P波对，一共有三个超流相：温度较高时先出现的A相，A相中有自旋都向上或都向下的两种对：在磁场中A相分裂成A1相及A相，A1相只有一种自旋方向的对；温度较低时，A相相变到B相，B相中有P波对中所有可能的三种对。这些超流相有许多不寻常的性质。
稀释致冷机 实验发现，当温度高于0.87K时，3He和4He 是完全互溶的溶液；当温度低于0.87K时，溶液则分离成两相：即稀3He相（稀释相）和浓3He相(浓缩相)。两相分离后，3He 原子从浓缩相进入稀释相是一个熵增加的过程，会产生致冷效果。利用这一原理制做的稀释致冷机，是获得极低温的重要手段（见超低温技术）。3He-4He混合液在物理上也是个很有趣的体系，如稀3He溶液中3He原子在施加磁场时较易于极化，混合液中3He原子在温度降低时也可能有配对的相变发生等等。
参考书目
F.London， Superfluids， Vo1.2，John Wiley & Sons，New York， 1954.
K.R.Atkins，Liquid Helium，Cambridge Univ. Press，London， 1959.
I.M.Khalatnikov，Introduction to the Theory ofSuperfluidity， Benjamin， New York， 1965.
W. E. Keller， Hellium-3 and Hellium-4， Plenum Press，New York， 1969.