氦-3

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氦(He)屬于元素周期表中的0族元素，總共存在8種同位素，從He-3到He-10，其中只有He-3及He-4較穩定，其他同位素都具有放射性。地球上氦元素中屬He-4的含量最多，約占99.9%；He-3的含量極小，空氣中氦氣成分里He-3和He-4的比例大約為10-6：1。He-3和He-4在物理和化學性質上表現出較多的一致性，在室溫和大氣壓力下都是無色、無味、無毒、不燃燒的惰性氣體，化學性質極為穩定；都具有極低的臨界溫度和正常沸點，都不存在三相點，都屬于量子流體，存在超流現象等。但是原子結構的不同，使得它們在物理性質上也存在很大的差異，尤其在低溫下差異更加明顯。

根據量子粒子的特性，He-4的核自旋為偶數，是玻色子；而He-3的核自旋為奇自旋，是費米子。在接近絕對零度的低溫下，這兩種同位素都服從量子力學的原理，但兩者遵循的統計規律是不同的，He-4遵循玻色一愛因斯坦(BE)統計，在2.172K下發生玻色愛因斯坦凝聚轉變為超流態；而He-3遵循費米--狄拉克(FD)統計， 在2.6mK下才能發生類似超導體的BCS型凝聚而轉變為超流態， 這個溫度比He-4的入轉變溫度低了3個數量級。在宏觀上，相同溫度下He-3蒸氣壓比He-4要大許多，例如在1K時，He-3的飽和蒸氣壓比He-4大80倍，在0.5K時兩者則相差近10000倍。

氦-3的應用

氦-3在低溫制冷領域的應用

He-3的獨特性質引起低溫物理和低溫工程領域研究者的極大興趣，其中最令人注目的

是He-3在獲取1K以下低溫環境所扮演的獨一無二的角色，而這個溫度區間正是基礎物理

學等現代高新科學研究的重要領域。He-3具有低沸點、低密度、高比熱容、高熱導率等性質，這些性質使它成為低溫工程中極為特殊的一種制冷工質，尤其是在接近絕對零度的極低溫下。

1956年，瓦爾特斯（G. K. Walters）和費爾班克斯（W. M. Fairbanks）發現，溫度在0.87K以下時，3He和4He混合液分成兩個完全不同的相，較輕的富3He相浮在上層，而較重的富4He相沉在下層。富3He相也稱濃縮相，在0.3K以下時幾乎是純3He。富4He相則稱為稀釋相，它含有6.4%的3He，即使接近絕對零度也仍有6.4%的3He溶解在4He中。這一特性成為可連續獲得毫開溫度的稀釋制冷機的基礎。

1962年，H．倫敦和門德爾松（KurtMendelssohn）等人再次提出稀釋制冷實用技術方案。稀釋制冷原理與蒸發制冷有相似之處。低溫下4He呈超流態，是惰性液體，而3He仍為正常流體，是個活躍成分。因此，若一個容器中盛有3He-4He混合液，下層的富4He相對于上層富3He相來說，可以認為是只起支撐或“機械真空”的作用。只要采取某種方式除去一些富4He相中溶解的3He，下層富4He相中3He濃度降低，勢必破壞兩相間的平衡，富3He相中的3He原子將穿過分界層擴散到富4He相中去。從界面上看，這相當于3He蒸發，只不過3He分子不是蒸發進入氣相空間，而是“蒸發”進入液相的超流態4He中。這個過程實際上是3He不斷被稀釋的過程，若稀釋持續下去，液體就不斷被冷卻。因此這種制冷方式稱為稀釋制冷。

當然3He-4He稀釋制冷與3He的蒸發制冷還是有很大區別。前面已經提到，在蒸發制冷過程中，隨著溫度下降，3He蒸氣壓急劇降低，最終無氣可抽而不得不終止制冷過程，這限制3He蒸發制冷的極限溫度是0.25K。稀釋制冷則不同，富4He相中3He的含量不變，不管溫度多低，抽氣機總可以維持恒定的3He循環量，因此可以得到比3He蒸發制冷低得多的溫度。

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