誰知道氦氣的平均自由程爲多少?

題目：

誰知道氦氣的平均自由程爲多少?
空氣爲70NM左右,氦好象不到70NM ,這兩種氣體混合後,在標準狀態下,起平均自由程會大於70NM嗎?我看到文章,隨氦比率上升,混合氣的MEAN FREE PATH 會接近200NM的,很難相信.THANK LOT

解答：

在極低溫度下氣態氦轉變爲液態氦 .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爲5.20K和2.26大氣壓,一個大氣壓下的溫度爲4.215K .在常壓下,溫度從臨界溫度下降至絕對零度時,氦始終保持爲液態,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 ,分別稱爲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間的轉變溫度稱爲λ點,飽和蒸氣壓下的λ點爲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爲一直線,稱爲λ線(圖1).
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 ,其數值約爲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爲超流動性.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原子是自旋爲整數的玻色子,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）,稱爲凝聚,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,以上現象稱爲玻色-愛因斯坦凝聚 .L.蒂薩認爲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.二流體模型認爲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爲超流體,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,全部流體均爲超流體.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轉變爲HeⅡ時,液氦從很壞的熱導體突然變爲到目前爲止最好的熱導體.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轉變爲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,稱爲氦膜.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爲機-熱效應 .機-熱效應的逆過程稱爲熱-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.
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,稱爲溫度波或熵波（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爲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,分別稱爲3He-A和3He-B,它們均爲超流態.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爲濃相（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原子的電子總自旋爲零,核自旋爲1／2,故與電子一樣屬費米子,遵守費米-狄拉克統計,液態3He稱爲費米液體,正常態的液態3He的性質可用朗道的費米液體理論描述.