Superflu´d 'helium' is geen helium


De λ-overgang
Vloeibaar helium vertoont normaal, klassiek gedrag tussen het normale kookpunt bij 4,21 K en 2,17 K.
Beneden die laatste temperatuur, aan te geven met Tλ, zijn alle eigenschappen drastisch veranderd.
De meest opmerkelijke veranderingen zijn die van de viscositeit (helium is supervloeibaar), de warmtegeleiding,
spontaan hevelen en de mogelijkheid om door de kleinste gaatjes heen te dringen.
De gebruikelijke manier van beschrijven was met het twee-flu´damodel van Tisza.

Pro memorie: het twee-flu´damodel van Tisza
Als helium pal onder de Tλ komt, dus als helium supervloeibaar wordt, is helium puur helium I.
Helium I is de 'normale' component. Als de temperatuur (verder) daalt, wordt geleidelijk steeds meer helium I
in helium II omgezet. De neutrale ionen van He II, de superflu´de component, zijn Bose-Einstein-gecondenseerd.
Helium I en II vormen een homogeen mengsel, hoewel het alleen maar lijkt alsof er twee vloeistoffen zijn.

Een gedetailleerde beschrijving geeft J. Wilks in 1970 met
'An introduction to Liquid helium' publisher Oxford Library of the Physical Science.

Waarom iets anders?
Pal onder de Tλ zou er vrijwel alleen helium I, de normale component van het mengsel, zijn
terwijl de vloeistof al direct een verbijsterend goede warmtegeleider is geworden. Dat is strijdig.

Evenmin is het duidelijk, waarom helium dankzij de Bose-Einstein-condensatie door super kleine gaatjes
heen kan dringen.

De waterstof-neutralium-theorie
Postulaat; bij de λ-overgang (in de richting van de dalende temperatuur) vangen alle aanwezige
helium-4-ionkernen ÚÚn van de K-elektronen. Het neutrale helium-4-ion is dan ingeplopt tot de nog
onbekende waterstofisotoop waterstof-4.



Tot nu toe is K-vangst alleen bekend als een incidenteel toevalsgebeuren.
Maar bij dit postulaat is er sprake van een echte faseovergang.
De veronderstelling is nu, dat het waterstof-4 in het twee-vloeistoffen-model van Tisza helium-I is.
Ten gevolge van de extreem lage temperatuur associŰren de neutrale H-4- ionen niet of nauwelijks tot
H2-moleculen.

Terwijl de temperatuur verder daalt, zijn er steeds meer 1H4-ionen die het laatste elektron
uit de K-schil vangen. Afkoeling van 2,17 naar 0,00 K geeft steeds meer K-vangst.
Dus als de temperatuur vanaf Tλ = 2,17 K daalt,
verdwijnen zo de neutrale waterstof-4- ionen geleidelijk aan:



Er ontstaat dan een isotoop van een nog niet als zodanig (h)erkend element: neutralium en het gaat
om de isotoop neutralium-4. Dit nieuwe element krijgt nummer nul in de lijst van elementen: Z = 0.
De positie van neutralium in het periodiek systeem der elementen van Mendelejev in de kolom van de
edelgassen voor helium. Dit neutralium-4 is in het oude twee-vloeistoffenmodel het helium II.
Sinds enige jaren is het bestaan van deze 'neutrale ionen' bekend.

Referenties over Nt-4
  • NewScientist.com news service, Michael Brooks 19 March 2005.
    See http://www.newscientistspace.com/article.ns?id=mg18524911.600
  • Press release: 'Can a nucleus be made up of neutrons only?', Paris, April 25, 2002 IN2P7 contact: GeneviŔve Edelheit Tel: +331 4496 4760
    e-mail: edelheit@admin.in2p7.fr
  • CNRS press contact: Martine Hasler Tel: +331 4496 4635
    e-mail: martine.hasler@cnrs-dir.fr
  • J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 29 No 2 (February 2003)
    L9-L14 PII: S0954-3899(03)56964-X
  • Physics Department, University of Surrey, Guildford,
    Surrey GU2 7XH, UK. Published 10 January 2003
Hoe lager de temperatuur wordt, hoe meer neutralium-4 je krijgt ten koste van de waterstof-4.
Bij elke temperatuur onder Tλ = 2,17 K vormen de waterstof-4 en
het neutralium-4 een homogeen mengsel. Bij het absolute nulpunt is het oorspronkelijke helium
volledig omgezet in neutralium.

Een neutraal neutraliumion is een kern zonder schilelektronen.
Dat nieuwe element heeft nummer nul in de lijst van elementen: Z = 0.
De positie van neutralium in het periodieke systeem van elementen
van Mendelejev is in de kolom van de edelgassen en wel voor helium.

Vergelijk
In het twee vloeistoffenmodel van Tisza lijkt het, of er twee vloeistoffen zijn en de neutrale ionen
veranderen individueel niet. In de waterstof-neutralium-theorie zijn er echt twee verschillende
vloeistoffen tussen 0 K en Tλ = 2,17 K, anders dan helium.
De neutrale ionen kunnen reversibel in elkaar overgaan door in- of uitploppen.
Bij stijgende temperatuur heeft het Ĺuitploppenĺ de overhand.

Warmtegeleiding Je zou bijna zeggen, dat superflu´d helium een 'warmtesupergeleider' is, want in een heliumcryostaat
zijn geen blijvende temperatuurverschillen te handhaven. Met metallische waterstof is dat probleemloos
te begrijpen. Een metaal is immers een goede warmtegeleider.
Mogelijk bestaat er supergeleiding voor warmte.

Elektrische geleiding??
Experimenteel is het bekend, dat vloeibaar helium onder alle omstandigheden een elektrische isolator
is. Anderzijds is het te verwachten, dat het metallische waterstof een uitstekende stroomgeleider is,
misschien zelfs wel een supergeleider.
Mogelijk wordt het metallische waterstof, 'gestoord' door de aanwezigheid van vaste stof. Vlakbij die
vaste stof plopt H-4 uit tot gewoon helium-4. Er is dan een isolerende laag vloeibaar helium met een dikte
van 'een paar duizend' neutrale ionen tussen het metallische waterstof-4 en de vaste stof.
Het geleidingsvermogen wordt dan gemaskeerd door een oppervlakte-effect.

Experimentele toetsing
Het is mogelijk om de elektrische geleiding door 'helium' onder Tλ = 2,17 K, dus door
metallisch waterstof-4, te onderzoeken. Omdat een normaal elektrisch circuit niet haalbaar is
ten gevolge van de isolerende vloeibare heliumlaag, is er maar ÚÚn mogelijkheid om de geleiding te toetsen:
wek inductief elektrische wervelstromen op. Dat kan twee effecten hebben:
warmtedissipatie en een begeleidend magneetveld. Als het metallische waterstof een supergeleider is,
krijg je natuurlijk geen warmteontwikkeling.
Omdat de concentratie van het metallische waterstof bij dalende temperatuur afneemt, is het te verwachten,
dat het elektrische geleidingsvermogen dan ook afneemt. Neutralium kan immers geen geleiding verzorgen.

Uitdaging
Hier is het verzoek aan experimentoren, of zij daadwerkelijk willen proberen wervelstromen op te
wekken in superflu´d 'helium' en te trachten het erdoor opgewekte magneetveld te detecteren.
Wellicht is er toch ook wat opwarming te bespeuren.

Elektrische supergeleiding van metalen
Als de temperatuur van sommige metalen voldoende laag was, trad er supergeleiding op:
de weerstand werd onmeetbaar klein. Sommige metalen bevonden zich in vloeibaar helium.
Zou in sommige gevallen het helium, eigenlijk waterstof-4, de stroomgeleider geweest zijn?

Superlekken
Neutraliumkernen zijn bosonen. Neutralium-4 zal daarom BEC kunnen vertonen. Maar dat maakt het
niet zomaar begrijpelijk hoe het 'supervloeibare helium' door de kleinste lekken, superlekken,
kan heendringen. Hoewel waterstof-4 in de directe omgeving van een vaste stof uitplopt tot helium-4,
doet neutralium-4 dat niet als het een gaatje in een vaste stof passeert. Zoĺn deeltje heeft geen
schilelektronen en is daardoor ruwweg honderdduizend maal zo klein als een neutraal waterstofion en
dat maakt glashelder, dat dit deeltje door elk gaatje kan gaan.

In- en uitplopenergie
Als in het algemeen een elektron van een hogere naar lagere schil springt, zendt het neutraal ion
een foton uit. De theorie kan niet met zekerheid verklaren waardoor er geen
foton lijkt te worden uitgezonden als het elektron door de kern wordt gevangen.

Mogelijk, dat de energie wordt opgeslagen als trillingsenergie in de kern. De energie van het
ingeplopte K-elektron is ten opzichte van de kern in de orde van grootte van een paar MeV.

De grafiek die de soortelijke warmte van helium tegen de
temperatuur rondom Tλ laat zien,
heeft de vormTλ van de Griekse letter λ.
Vandaar de naam λ-overgang.
Deze grafiek is mogelijk altijd verkeerd ge´nterpreteerd.
Daar is het netto energie-effect van het collectieve inploppen
van helium-4 naar waterstof-4 zichtbaar. Wie de inploptheorie
niet kent, kan daar natuurlijk niet aan denken.

Van heet naar koud
Naarmate de temperatuur van zeer hoog tot zeer laag daalt, zie je de materie een tendens vertonen
tot steeds verdere samenklontering en mede daardoor tot verhoging van orde of, zo je wilt, tot
vermindering van chaos.
Als je begint bij extreem hoge temperatuur en je gaat afkoelen, dan zie je achtereenvolgens:
  • het samenklonteren van p- en e-deeltjes tot grotere trioĺs en kernen;
  • het 'uitregenen' van elektronen naar de kernen, waardoor ionen en neutrale ionen ontstaan;
  • het associŰren van ionen tot moleculen of kristallen;
  • dampen condenseren;
  • vloeistoffen stollen en
  • aan dit rijtje faseovergangen wordt inploppen van neutrale ionen toegevoegd.
    Inploppen past er netjes in.



Andere lichte elementen
Het is te verwachten, dat He-3 kan inploppen naar H-3 of tritium en verder naar trineutralium Nt-3,
deuterium naar dineutralium Nt-2 en H-1 naar Nt-1, elk met hun eigen overgangswaarschijnlijkheden,
mits de temperatuur laag genoeg is. Hier kan naar gezocht worden.

Fysica Wetenschappen