Jak już pisałem wcześniej hel jest bardzo trudno skroplić ale udaje się to zrobić w bardzo niskiej temperaturze równej 4,18 K (- 269 ^oC). Do jego przechowywania, ze względu na niską temperaturę nie wystarczy zwykłe naczynie Dewara. Stosuje się naczynie z dwiema komorami oddzielającymi (zdjęcie obok). W pierwszej zewnętrznej komorze jest wysoka próżnia, a w kolejnej ciekły azot, który wstępnie schładza naczynie by różnica temperatur nie była tak duża. Dopiero w środkowym naczyniu przechowuje się ciekły hel. O tym jak otrzymuje się ciekły hel opowiem podczas wizyty w pracowni (ostatnia, 4 strona), w której pracuje tzw. skraplarka sublimacyjna. Teraz zobaczymy kilka ciekawych własności helu w stanie ciekłym i w stanie nadciekłym - ale po kolei.

Właściwości płynnego helu nie można od tak poznawać wlewając go po prostu do otwartego termosu jak w przypadku azotu - natychmiast by wyparował. Do badań stosuje się tzw. Kriostat, urządzenie bardzo podobne do naczynia z powyższego zdjęcia lecz umożliwiające przeprowadzenie badań.

Szklany kriostat przedstawia zdjęcie obok, jego schemat narysowany jest na tablicy na drugim planie. Składa się z zewnętrznej komory próżniowej, kolejne naczynie wypełnia się ciekłym azotem a po schłodzeniu przelewa się ciekły hel. Dodatkowo dla bezpieczeństwa cały kriostat otoczony jest rurą z pleksy, która osłoni badacza w razie pęknięcia któregoś z naczyń.

Do wnętrza kriostatu wprowadzone zostały dwa przewody na końcu których podłączona jest elektryczna grzałka. Gdy ciekły azot schłodzi wewnętrzne naczynie i zostanie ono wypełnione helem azot zaczął by zamarzać i całkowicie zasłonił by naczynie z helem. Dlatego po wprowadzeniu helu grzałka zostanie połączona z zasilaniem i posłuży do odparowania azotu. W ten sposób będzie możliwa obserwacja zachowania płynnego helu.





Na schemacie narysowane jest jeszcze jedno naczynie zanurzone w helu, w środku kriostatu ale będzie ono potrzebne w dalszej części eksperymentu.


Pierwszym etapem eksperymentu będzie połączenie zbiornika helu płynnego z kriostatem, służy do tego specjalna rura mieszkowa, która w rzeczywistości jest również termosem. Do momentu schłodzenia kriostatu przez azot koniec rury, który podłączony jest do zbiornika nie będzie miał kontaktu z płynnym helem, na razie będzie przepływał przez nią tylko hel gazowy.

Pierwsze z powyższych zdjęć przedstawia zalewanie ciekłym azotem naczynia schładzającego wstępnie kriostat. Na zdjęciu drugim widzimy dokładnie wszystkie warstwy kriostatu: zewnętrzną rurę z pleksy, komorę próżniową, w kolejnym naczyniu jest już trochę ciekłego azotu i widać przewody oraz samą grzałkę. Naczynie helowe jest jeszcze puste, widać tylko mały pojemnik o którym powiemy więcej w dalszej części.

Po schłodzeniu kriostatu azotem, można już pompować płynny hel, rurka, która wystaje dość wysoko ze zbiornika zostaje wsunięta tak, by zanurzyła się w płynnym helu. W zbiorniku zamknięty zostaje zawór odgazowujący i zbierające się ciśnienie parującego helu wypycha ciecz przez wsuniętą rurkę do kriostatu. Po zakończonym przepompowaniu górny wlot kriostatu trzeba rozmrozić by możliwym było wysunięcie rurki (zdjęcie 2).

Płynny hel już znajduje się w kriostacie, wrze podobnie jak ciekły azot ogrzewany już włączoną grzałką. Teraz w komorze, w której znajduje się hel obniżymy ciśnienie za pomocą pompy próżniowej. Ale zanim to zrobimy obniżymy w analogiczny sposób ciśnienie w probówce w której znajduje się zwykła woda. Przedstawia to powyższe zdjęcie Nr 2. po chwili widzimy że woda zaczyna wrzeć choć jej temperatura wcale się nie zwiększa, następnie woda zamarza a temperatura cały czas jest równa 24 ^oC. Dzieje się tak dlatego, że obniżenie ciśnienia powoduje obniżenie temperatury wrzenia wody.

A co się stanie z płynnym helem ?, czy również zamarznie ?. Zaczynamy obniżać ciśnienie nad cieczą i zobaczymy co się stanie. Po chwili zauważamy coś bardzo dziwnego - ciecz która do tej pory wrzała ze względu na zwykłą różnice temperatur nagle przestała wrzeć i o dziwo podczas dalszego obniżania ciśnienia nie zamarza jak woda. Dalej pozostaje w stanie płynnym. Jest spokojna i nic się z nią nie dzieje. Co się właściwie stało ?

Odpowiedź jest już trochę bardziej skomplikowana. Gdy obniżaliśmy ciśnienie temperatura ciekłego helu spadła z 4,18 K poniżej 2,18 K i w tym momencie wrzenie ustało. Zaprzestanie wrzenia tłumaczy się tym, że ciecz w takim stanie może przewodzić ciepło praktyczne bez oporu (wzrost przewodnictwa cieplnego następuje o około 10⁶ razy. W tej chwili płynny hel, który jest praktycznie cieczą klasyczną przeszedł w tzw. stan nadciekły (Hel II).

Część helu pozostała w swoim pierwotnym stanie, można powiedzieć że cała objętość cieczy zawiera składową nadciekłą.
Hel w stanie nadciekłym ma kilka bardzo ciekawych własności, jedną z nich jest praktycznie zerowa lepkość. Hel w takim stanie może również wspinać się w postaci cienkiej błony po ściankach schłodzonego naczynia. Prędkość tego ruchu może być rzędu 30 cm / s . He I jest najpierw absorbowany na całej powierzchni chłodnego naczynia tworząc cieniutką błonę. Następnie błona działa prawie jak syfon, przez który ciecz przepływa prawie bez lepkości.

Teraz w kolejnym eksperymencie wykorzystamy bańkę, o której wcześniej już wspominałem, jest to bańka na dnie której znajduje się bardzo drobny tlenek żelaza a nad nim węgiel drzewny.
Tlenek jest bardzo rozdrobniony, jego drobinki mają wielkości rzędu kilku nm. Gdy bańka znalazła się w nadciekłym helu wspina się on pomiędzy drobinkami tlenku aż dociera do węgla drzewnego. Teraz wystarczy włączyć źródło światła i kierować je na węgiel, który będzie się ogrzewał, nadciekły hel, który dotrze tam przez tlenek również się ogrzeje i wytryśnie przez kapilarę.

Efekt ten znany jest dość dobrze pod nazwą: Fontanna helowa i opisywany jest w wielu podręcznikach do fizyki.

Niestety nie udało mi się sfotografować samej fontanny, ciecz jest przezroczysta i aparat jej nie uchwycił. Mogę tylko zapewnić, że eksperyment się udał i fontanna wytryskiwała kilka minut. Na zdjęciu poniżej zafascynowani młodzi uczestnicy wykładu obserwują piękną fontannę.


Poniżej zamieszczam zdjęcie fontanny uzyskanej w innym laboratorium.

Pierwsze zdjęcie przedstawia kriostat, w którym uzyskano fontannę ze zdjęcia poniżej.

Na kolejnej stronie odwiedzimy pracownie, w której otrzymuje się ciekły hel.