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(wěn)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(xué)性質(zhì)上表現(xiàn)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(xué)性質(zhì)極為穩(wěn)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(xiàn)象等。但是原子結(jié)構(gòu)的不同，使得它們在物理性質(zhì)上也存在很大的差異，尤其在低溫下差異更加明顯。

根據(jù)量子粒子的特性，He-4的核自旋為偶數(shù)，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(xué)的原理，但兩者遵循的統(tǒng)計規(guī)律是不同的，He-4遵循玻色一愛因斯坦(BE)統(tǒng)計，在2.172K下發(fā)生玻色愛因斯坦凝聚轉(zhuǎn)變?yōu)槌鲬B(tài)；而He-3遵循費米--狄拉克(FD)統(tǒng)計， 在2.6mK下才能發(fā)生類似超導(dǎo)體的BCS型凝聚而轉(zhuǎn)變?yōu)槌鲬B(tài)， 這個溫度比He-4的入轉(zhuǎn)變溫度低了3個數(shù)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(yīng)用

氦-3在低溫制冷領(lǐng)域的應(yīng)用

He-3的獨特性質(zhì)引起低溫物理和低溫工程領(lǐng)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(huán)境所扮演的獨一無二的角色，而這個溫度區(qū)間正是基礎(chǔ)物理

學(xué)等現(xiàn)代高新科學(xué)研究的重要領(lǐng)域。He-3具有低沸點、低密度、高比熱容、高熱導(dǎo)率等性質(zhì)，這些性質(zhì)使它成為低溫工程中極為特殊的一種制冷工質(zhì)，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(fā)現(xiàn)，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(xù)獲得毫開溫度的稀釋制冷機的基礎(chǔ)。

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(shù)方案。稀釋制冷原理與蒸發(fā)制冷有相似之處。低溫下4He呈超流態(tài)，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(rèn)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(dāng)于3He蒸發(fā)，只不過3He分子不是蒸發(fā)進(jìn)入氣相空間，而是“蒸發(fā)”進(jìn)入液相的超流態(tài)4He中。這個過程實際上是3He不斷被稀釋的過程，若稀釋持續(xù)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(dāng)然3He-4He稀釋制冷與3He的蒸發(fā)制冷還是有很大區(qū)別。前面已經(jīng)提到，在蒸發(fā)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(fā)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(huán)量，因此可以得到比3He蒸發(fā)制冷低得多的溫度。