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Io Il Genio della Matematica

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L’Elio e lo strano comportamento in fase condensata (solido e liquido).

Quando questo gas nobile inerte viene raffreddato a temperature bassissime, acquista delle proprietà quasi fantascientifiche, che sono tutto fuorché intuitive:

  • l’elio è l’unica sostanza nota a rimanere un liquido fino allo zero assoluto se non viene applicata una pressione esterna. Infatti solidifica soltanto se raffreddato a 1K e contemporaneamente viene applicata una pressione di 25 bar. Questo è un diretto effetto della meccanica quantistica, perché l’energia di punto zero è comunque troppo alta per permetterne la solidificazione.
  • L’elio solido è quasi impossibile da distinguere dall’elio liquido, perché hanno quasi lo stesso indice di rifrazione. Se in un contenitore avete sia l’uno che l’altro potreste tranquillamente non accorgervene.
  • L’elio solido è comprimibile fino a meno del 70% del suo volume iniziale, e questa cosa è assurda visto che tutti ti insegnano che i solidi e i liquidi non sono comprimibili! Ovviamente non stiamo parlando di un solido poroso come potrebbe essere il polistirene espanso, l’elio solido è un solido cristallino come potrebbe essere il ghiaccio d’acqua, che in pratica non è assolutamente comprimibile. L’elio solido è 100 volte più comprimibile dell’acqua solida.
  • L’elio liquido sopra i 2,17K è chiamato elio-I, e ha un indice di rifrazione molto simile a quello dell’aria, tant’è che per riuscire a vedere il pelo del liquido si utilizzano dei galleggianti polistirenici ultraleggeri.
  • Sotto i 2,17K l’elio liquido diventa il cosiddetto elio II, ed è qui che le cose iniziano a diventare fantascientifiche. L’elio-II è un superfluido, e come tale non ha una viscosità misurabile. Anzi, ha esattamente viscosità ZERO! Questa proprietà gli consente di uscire da solo da qualunque contenitore che non sia ermeticamente sigillato. Ma non evaporando oppure se il contenitore ha un buco sul fondo. L’elio-II risale le pareti del contenitore contro la gravità, fino a svuotare completamente il contenitore! Se mettete una cannuccia nell’elio II una fontana di elio inizierà a uscire dall’estremità opposta della cannuccia.
  • La conducibilità termica dell’elio-II è 1 milione di volte quella dell’elio-I, e centinaia di volte quella del rame, e la cosa è molto strana perché solitamente tutti i materiali che conducono bene il calore hanno degli elettroni di valenza liberi che servono per condurre il calore. L’elio-II non ha questi elettroni eppure conduce il calore incredibilmente bene. Questa proprietà è data dalla copresenza di elio-I ed elio-II, che trasportano il calore a flusso inverso. L’elio-II conduce così bene il calore che al punto di ebollizione non bolle, ma evapora direttamente dalla superficie.

 

conversione superfluido

  • A basse temperature elio-4 ed elio-3 (due isotopi dello stesso elemento, da non confondere con elio-I ed elio-II) non sono miscibili, e l’elio-3 galleggia sopra l’elio-4. Anche questa cosa è estremamente insolita, soprattutto perché entrambi gli isotopi sono lo stesso elemento!
  • Se l’elio-II viene messo dentro un contenitore rotante succede una cosa molto strana. Un liquido normale inizierebbe a ruotare e formerebbe un grosso vortice al centro. L’elio-II invece forma diversi vortici quantizzati, ovvero tutti uguali e distribuiti in modo perfettamente uniforme nel contenitore, a seconda della velocità di rotazione.

Le incredibili proprietà dell’elio liquido e solido sono una manifestazione macroscopica delle proprietà quantistiche degli atomi, ed è uno dei pochissimi casi in cui ciò avviene. In pratica, a causa del bassissimo punto di ebollizione, l’energia termica degli atomi non è sufficiente a mascherarne le proprietà quantistiche anche a livello macroscopico. Infatti la maggior parte delle strane proprietà dell’elio condensato non trovano una spiegazione nella meccanica classica, ma sono nella meccanica quantistica.

 

 

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