「冷」知识：氦在绝对零度下也不会冻住

源济

「冷」知识：氦在绝对零度下也不会冻住

有哪些很有趣的冷知识？

作者 / 知乎用户

分享一个字面意义上的“冷”知识：氦在绝对零度下也不会冻住。

大家都知道物质有气液固三态。例如常压的水在 100℃以上是气态的水蒸气，0-100℃时是液态的水，降温至 0℃以下后就凝固成了固态的冰。大部分物质都和水一样，随着温度的降低会凝固成固体。

不过事无绝对，氦就是一个例外。即使把温度降低至绝对零度（0K），常压的氦也不能凝固成为固体，只能保持液体状态。

氦的相图，横坐标为温度，纵坐标为压力。低压下，即使温度降低至绝对零度，氦也保持液体状态，不会凝固成固体。

简单的说，氦之所以不凝固，可以归咎于两个原因：

1. 作为惰性元素，氦 - 氦之间的吸引力十分微弱，维持固态的束缚力较弱。
2. 氦原子太轻，量子不确定性太强。即使在 0K 下，氦也能保持一定的运动，从而破坏有序的固态结构。

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先不管氦，我们先来说说普通物质是如何凝固的。

两个原子之间的能量（纵坐标）随距离（横坐标）的变化，距离太远或太近都会导致能量升高。

我们知道，所有物体都是由原子构成的，相互之间靠的太近或离得太远时能量都会升高。因此，原子之间在近距离处排斥，远距离处吸引，倾向于在一定距离处保持平衡。

另外，这些原子还处于不停的随机运动中，运动的剧烈程度其实就是温度。

温度较高时，原子的运动十分剧烈，原子之间的作用力不足以束缚住周围的原子，因此体系呈现为无序的液态或气态。

当温度降低时，原子的运动幅度降低，仅仅在平衡距离处做微小的振动。每个原子都和它周围的原子束缚在一起，从而排列成有序的固体结构。

固体、液体、气体的原子排布方式

所以想要让物体凝固，就要把原子的随机运动剧烈程度降低，使得原子间作用力能够将原子互相束缚住。

原子间的相互作用力取决于其化学性质，氦是一种惰性气体，相互之间的束缚力非常微弱。因此要将氦凝固，就要把原子的运动速度降到非常低才行。

但是，氦原子的质量很小，量子效应比较显著。由于微观粒子的不确定性原理，氦原子的位置和动量具有不确定性。因此即使在绝对零度下，束缚态的氦原子振动能量也不为零。这个能量一般称为零点振动能。

谐振子的基态能量不为 0

在这种量子效应的作用下，即使把温度降低到绝对零度，氦的零点振动能也足以把氦融化成液体。因此，常压下氦是不会凝固的。

想要得到固态的氦，只能把压力加的特别大，把氦原子都挤压在一起，才能使其凝固。