ಶೈತ್ಯಜನಕ ಶಾಸ್ತ್ರವು (Cryogenies) ಭೌತ ವಿಜ್ಞಾನದ ಒಂದು ಭಾಗ. ಈ ಭಾಗವನ್ನು ‘ಶೈತ್ಯ ಭೌತವಿಜ್ಞಾನ’ ಎಂದು ಸಹ ಕರೆಯಬಹುದು. ಶೈತ್ಯವೆಂದರೆ ಸಾಮಾನ್ಯವಾಗಿ ನೆನಪಿಗೆ ಬರುವುದು, ಮಂಜುಗಡ್ಡೆ (O°C)ಮತ್ತು ಘನೀಕೃತ ಕಾರ್ಬನ್ ಡೈ ಆಕ್ಸೈಡ್ (-57°C),  ಇಂದಿನ ರಾಕೆಟ್‌ನಲ್ಲಿ ಬಳಸುವ ದ್ರವ ಆಕ್ಸಿಜನ್ (-183°C)ಮತ್ತು ದ್ರವ ಹೈಡ್ರೊಜನ್ (-253°C). ಹೀಲಿಯಂ ಅನಿಲವನ್ನು ಅಷ್ಟು ಸುಲಭವಾಗಿ ದ್ರವೀಕರಿಸಲಾಗುವುದಿಲ್ಲ. ದ್ರವೀಕರಿಸಲು ಅದನ್ನು 4 K (ಕೆಲ್ವಿನ್) ತಾಪಮಾನಕ್ಕೆ ಇಳಿಸಬೇಕು. ದ್ರವ ಹೀಲಿಯಂನ ಗುಣ ಮತ್ತು ವರ್ತನೆಗಳು ವಿಚಿತ್ರವಾಗಿವೆ. ಅವುಗಳನ್ನು ತಿಳಿಯೋಣ.

ಅತಿ ಶೈತ್ಯ, ಅಂದರೆ -150°C ಗಿಂತ ಕೆಳಗಿನ ತಾಪದಲ್ಲಿ ವಸ್ತುಗಳು ಹೇಗೆ ವರ್ತಿಸುತ್ತವೆ ಮತ್ತು ಹೇಗೆ ಬದಲಾವಣೆಯಾಗುತ್ತವೆ ಎಂದು ತಿಳಿಯುವ ಭೌತವಿಜ್ಞಾನಕ್ಕೆ ‘ಶೈತ್ಯಜನಕಶಾಸ್ತ್ರ’ (Cryogenies) ಎಂದು ದೀವಾರ್ (Dewar) ಎಂಬ ವಿಜ್ಞಾನಿ ಹೆಸರಿಸಿದನು.  ಇಂದೂ ಸಹ ಆ ಹೆಸರೇ ಬಳಕೆಯಲ್ಲಿದೆ.

ಸಾಮಾನ್ಯವಾಗಿ ಅನಿಲವನ್ನು ತಣಿಸಿದಾಗ ಅದು ದ್ರವ ರೂಪಕ್ಕೆ ಬರುತ್ತದೆ. ದ್ರವವನ್ನು ಮತ್ತೂ ತಣಿಸಿದಾಗ ಘನರೂಪಕ್ಕೆ ಬರುತ್ತದೆ. ಉದಾ: ಆವಿ-ನೀರು-ಮಂಜುಗಡ್ಡೆ. ಇದು ನಮ್ಮ ಅನುಭವಕ್ಕೆ ಬಂದಿರುವ ವಿಚಾರ. ಆದರೆ ಕೆಲವು ವಸ್ತುಗಳು, ಅನಿಲದಿಂದ ನೇರವಾಗಿ ಘನ ರೂಪಕ್ಕೆ ಬರುತ್ತವೆ, ಹಾಗೆಯೇ ಘನರೂಪದಿಂದ ನೇರವಾಗಿ ಅನಿಲರೂಪಕ್ಕೆ ಬರುತ್ತವೆ.  ಉದಾ: ಕರ್ಪೂರ, ಅಯೊಡಿನ್. ಇಂತಹ ಕ್ರಿಯೆಗೆ ‘ಉತ್ಪತನ’ (Sublimation) ಎಂದು ಹೆಸರು.

ಹೀಲಿಯಂ ಅನಿಲವನ್ನು ಸಹ ದ್ರವರೂಪಕ್ಕೆ ತರಬಹುದು. ದ್ರವ ಹೀಲಿಯಂ ಕೆಲವು ವಿಶೇಷ ಗುಣಲಕ್ಷಣಗಳನ್ನು ಪ್ರದರ್ಶಿಸುತ್ತದೆ. ಹೀಲಿಯಂ ಒಂದು ಜಡ ಅನಿಲ. ಅದರ ಪರಮಾಣುಗಳು ಒಂದಕ್ಕೊಂದು ಅಂಟಿಕೊಳ್ಳುವುದಿಲ್ಲ. ಇದಕ್ಕೆ ಕಾರಣ ಅದರ ಪರಮಾಣು ರಚನೆ. ಹೀಲಿಯಂ ಪರಮಾಣುವಿನ, ಮೊದಲನೆಯ ಪರಿಧಿಯಲ್ಲಿ ಎರಡು ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್‌ಗಳು ಇರುತ್ತವೆ. ಅಂದರೆ ಅದು ಪರ್ಯಾಪ್ತ ಸ್ಥಿತಿಯಲ್ಲಿರುವ ಪರಿಧಿ. ಆದ್ದರಿಂದ ಇದರ ಪರಮಾಣುಗಳ ನಡುವೆ ಸಾಮಾನ್ಯ ರೀತಿಯ ಬಂಧಗಳು ಏರ್ಪಡುವುದಿಲ್ಲ. ಹೀಗೆ ಹೀಲಿಯಂ ಅನಿಲವನ್ನು ದ್ರವೀಕರಿಸುವುದು ಅಷ್ಟು ಸುಲಭವಲ್ಲ. ಉಷ್ಣತೆಯನ್ನು 4 K (4 ಕೆಲ್ವಿನ್= –269.16°c)ಗೆ ಇಳಿಸಿದಾಗ, ಹೀಲಿಯಂ ಅನಿಲವು ದ್ರವ ರೂಪಕ್ಕೆ ಬರುತ್ತದೆ.  ಮತ್ತಷ್ಟು ತಣಿಸಿದಾಗ ಸುಮಾರು 2.2K ಉಷ್ಣತೆಯಲ್ಲಿ ದ್ರವ ಹೀಲಿಯಂ ಕೆಲವು ವಿಶೇಷ ಗುಣಗಳನ್ನು ಪ್ರದರ್ಶಿಸುತ್ತದೆ. ದ್ರವ ಹೀಲಿಯಂ ಅನ್ನು ಸುಮಾರು 1K ತಾಪಮಾನಕ್ಕೆ ಇಳಿಸಿದಾಗ ಘನರೂಪದ ಹೀಲಿಯಂ ದೊರೆಯುತ್ತದೆ. ಅಂದರೆ, ಹೀಲಿಯಂ ಮೂರು ಸ್ಥಿತಿಗಳನ್ನೂ ಪ್ರದರ್ಶಿಸುತ್ತದೆ.

ದ್ರವ ಹೀಲಿಯಂ, ಅನೇಕ ವಿಚಿತ್ರ ಗುಣಲಕ್ಷಣಗಳನ್ನು ಪ್ರದರ್ಶಿಸುವುದರಿಂದ, ವಿಜ್ಞಾನಿಗಳಿಗೆ ಅದರ ಅಧ್ಯಯನ ಬಹಳ ಕುತೂಹಲಕಾರಿಯಾಗಿದೆ. ಇಂತಹ ವಿಶೇಷ ಗುಣಗಳಲ್ಲಿ ‘ವಿಶಿಷ್ಟ ಪ್ರಸರಣ’ (Super fluidity) ಒಂದು. ಈ ವಿಚಾರವಾಗಿ ನೆದರ್‌ಲೆಂಡಿನ ಡಬ್ಲ್ಯು.ಎಚ್. ಕೀಸಮ್ (W.H.Keesom) ಎಂಬ ವಿಜ್ಞಾನಿಯು ಅಧ್ಯಯನ ಮಾಡಿದನು. ಅದರ ವಿಶಿಷ್ಟ ಪ್ರಸರಣವನ್ನು ವಸ್ತುವಿನ ಐದನೆಯ ಸ್ಥಿತಿ ಎಂದು ಕರೆಯಬಹುದು (ವಸ್ತುವಿನ ನಾಲ್ಕು ಸ್ಥಿತಿಗಳು ಘನ, ದ್ರವ, ಅನಿಲ ಮತ್ತು ಪ್ಲಾಸ್ಮಾ).

ಹೀಲಿಯಂ ಅನಿಲವನ್ನು ತಣಿಸುತ್ತಾ ಹೋದರೆ ಸುಮಾರು 4.2 K ಉಷ್ಣತೆಯಲ್ಲಿ ದ್ರವರೂಪಕ್ಕೆ ಬರುತ್ತದೆ. ದ್ರವ ಹೀಲಿಯಂ ಮೇಲೆ ಸುಮಾರು 30 ವಾತಾವರಣ ಒತ್ತಡವನ್ನು ಹೇರಿ, ತಣಿಸುತ್ತಾ ಹೋದರೆ 1K ಉಷ್ಣತೆಯಲ್ಲಿ ಘನರೂಪಕ್ಕೆ ಬರುತ್ತದೆ. ಶೈತ್ಯದ ಜತೆಗೆ ಒತ್ತಡವನ್ನು ಪ್ರಯೋಗಿಸಿದಾಗ ಮಾತ್ರ ಹೀಲಿಯಂ ಪರಮಾಣುಗಳು ಒಂದಕ್ಕೊಂದು ಅಂಟಿಕೊಳ್ಳುವ ಸಾಧ್ಯತೆ ಇದೆ. ಅಂದರೆ ಹೀಲಿಯಂ ಪರಮಾಣುಗಳನ್ನು ಅತಿ ಶೈತ್ಯದಲ್ಲಿಯೂ ಸಹ ಪರಸ್ಪರ ಸೇರದಂತೆ ವಿಕಸಿಸುವ ಯಾವುದೋ ಶಕ್ತಿ ಇರಬೇಕು. ಇದನ್ನು ‘ಶೂನ್ಯಬಿಂದು ಶಕ್ತಿ’ (Zero point energy) ಎಂದು ಗುರ್ತಿಸಲಾಗಿದೆ.

ದ್ರವಹೀಲಿಯಂನ ಎರಡು ಸ್ಥಿತಿಗಳೂ

ದ್ರವ ಹೀಲಿಯಂನ್ನು ಎರಡು ವಿಧಗಳಾಗಿ ವಿಂಗಡಿಸಬಹುದು. 2.2 K ಉಷ್ಣತೆಗಿಂತ ಮೇಲ್ಪಟ್ಟು ದ್ರವ ಹೀಲಿಯಂನ್ನು ಹೀಲಿಯಂ I (ಹೀಲಿಯಂ ಒಂದು) ಎಂದೂ 2.2K ಉಷ್ಣತೆಗಿಂತ ಕೆಳಗೆ ಇರುವ ದ್ರವ ಹೀಲಿಯಂನ್ನು, ಹೀಲಿಯಂII (ಹೀಲಿಯಂ ಎರಡು) ಎಂದೂ ಕರೆಯಬಹುದು. ಆ ಬದಲಾವಣೆಯಾಗುವ ನಿಖರವಾದ ಉಷ್ಣತೆ 2.17 K. ಈ ಉಷ್ಣತೆಯನ್ನು ಲ್ಯಾಂಬ್ಡ ಬಿಂದು ಎಂದು ಕರೆಯುತ್ತಾರೆ. ಹೀಲಿಯಂ II ಕೆಲವು ವಿಶಿಷ್ಟ ಗುಣಗಳನ್ನು ಪ್ರದರ್ಶಿಸುತ್ತದೆ.

ಹೀಲಿಯಂII ವೈಶಿಷ್ಟ್ಯ

ದ್ರವ ಹೀಲಿಯಂII ಸ್ನಿಗ್ಧತೆಯನ್ನು (Viscosity)  ಸಂಪೂರ್ಣವಾಗಿ ಕಳೆದುಕೊಂಡಿರುತ್ತದೆ.  ಇಂತಹ ಸ್ಥಿತಿಯಲ್ಲಿ ಅದರ ಪರಮಾಣುಗಳು ಕ್ರಮಬದ್ಧವಾಗಿ ಜೋಡಿಸಲ್ಪಟ್ಟು ಶಿಸ್ತಿನ ಸಿಪಾಯಿಗಳಂತೆ ವರ್ತಿಸುತ್ತವೆ. ಆಗ ಅದರ ಪಸರಿಸುವಿಕೆ (ಹರಿಯುವಿಕೆ) ಬಹಳ ಅಚ್ಚರಿಯ ರೀತಿಯಲ್ಲಿರುತ್ತದೆ. ಸೂಜಿ ಮೊನೆಯಷ್ಟು ಸಣ್ಣ ರಂಧ್ರದ ಮೂಲಕ ಸಲೀಸಾಗಿ ಹಾದು ಹೋಗಬಲ್ಲದು. ಹೀಲಿಯಂ ಅನಿಲ ಹಾದು ಹೋಗಲಾರದ ಸಂದುಗಳಲ್ಲಿಯೂ ಸಹ ದ್ರವ ಹೀಲಿಯಂII ನುಸುಳಿ ಹೋಗಬಲ್ಲದು.

ಪ್ರಯೋಗ–1

A ಎಂಬುದು ಒಂದು ಗಾಜಿನ ಪಾತ್ರೆ. ಇದನ್ನು ಚಿತ್ರದಲ್ಲಿರುವಂತೆ ನೇತು ಹಾಕಿದೆ. ಅದರಲ್ಲಿ ಸುಮಾರು ಅರ್ಧಕ್ಕಿಂತ ಹೆಚ್ಚಾಗಿ ಹೀಲಿಯಂII ದ್ರವವನ್ನು ತೆಗೆದುಕೊಂಡಿದೆ. ಅದರ ತಳಭಾಗದಲ್ಲಿ B ಎಂಬ ದೊಡ್ಡದಾದ ಖಾಲಿ ಪಾತ್ರೆಯನ್ನು ಇಟ್ಟಿದೆ (ಚಿತ್ರ‑­­1).

ಹೀಲಿಯಂ II ನಿಧಾನವಾಗಿ A ಪಾತ್ರೆಯ ಒಳಗೋಡೆಯ ಮೇಲೆ ಏರಿ ಪಾತ್ರೆಯ ಹೊರ ಗೋಡೆಯ ಮೇಲ್ಮೆಯಲ್ಲಿ ಪಸರಿಸಿ, ಕೆಳಕ್ಕೆ ಹರಿದು, ಕೆಳಗಡೆ ಇರುವ ಪಾತ್ರೆಗೆ ತೊಟ್ಟಿಕ್ಕುತ್ತದೆ. ಹೀಗೆ ಹೀಲಿಯಂ ದ್ರವ A ಪಾತ್ರೆಯು ಬರಿದಾಗುವವರೆಗೂ ತೆಳುವಾದ, ಅಗೋಚರವಾದ ಪದರದ ರೂಪದಲ್ಲಿ ಹರಿದು ಬರುತ್ತದೆ.

ಪ್ರಯೋಗ–2

ಪ್ರಯೋಗ ಒಂದರಂತೆಯೇ A ಎಂಬ ಗಾಜಿನ ಪಾತ್ರೆಯಲ್ಲಿ ಅರ್ಧಕ್ಕಿಂತ ಹೆಚ್ಚಾಗಿ ಹೀಲಿಯಂII ದ್ರವವನ್ನು ತುಂಬಿದೆ. B ಎಂಬ ಪಾತ್ರೆಯಲ್ಲಿ ಅದರ ಅರ್ಧದಷ್ಟು ಮಟ್ಟಕ್ಕೆ ಹೀಲಿಯಂII ದ್ರವವನ್ನು ತೆಗೆದುಕೊಂಡಿದೆ. A ಪಾತ್ರೆಯು, Bಯಲ್ಲಿರುವ ಹೀಲಿಯಂ ದ್ರವದಲ್ಲಿ ಸ್ವಲ್ಪಭಾಗ ಮುಳುಗುವಂತೆ ನೇತು ಹಾಕಿ. A ಪಾತ್ರೆಯಲ್ಲಿನ ಹೀಲಿಯಂ ದ್ರವದ ಮಟ್ಟವು B ಪಾತ್ರೆಯಲ್ಲಿನ ದ್ರವದ ಮಟ್ಟಕ್ಕಿಂತ ಮೇಲಿರಲಿ. ಹೀಲಿಯಂ  Aಪಾತ್ರೆಯಿಂದ B ಪಾತ್ರೆಗೆ ತೆಳುವಾದ ಪದರದ ರೂಪದಲ್ಲಿ ಒಳಗೋಡೆಯನ್ನು ಏರಿ ಹರಿದು ಬರುತ್ತದೆ. ಹೀಗೆ ದ್ರವದ ಮಟ್ಟವು ಎರಡು ಪಾತ್ರೆಗಳಲ್ಲಿಯೂ ಒಂದೇ ಆಗುವವರೆಗೆ ಹರಿದು ಬರುತ್ತದೆ. ಹಾಗೆಯೇ B ಪಾತ್ರೆಯಲ್ಲಿನ ದ್ರವದ ಮಟ್ಟವು, A ಪಾತ್ರೆಯಲ್ಲಿನ ಮಟ್ಟಕ್ಕಿಂತ ಹೆಚ್ಚಾಗಿದ್ದರೆ, ಹೀಲಿಯಂ ದ್ರವವು B ಪಾತ್ರೆಯಿಂದ A ಪಾತ್ರೆಗೆ, ಹರಿದು ಬರುತ್ತದೆ (ಚಿತ್ರ-2).

ಪ್ರಯೋಗ 3 (ಚಿಲುಮೆ ಪ್ರಯೋಗ)

J ಆಕಾರದ ಒಂದು ಗಾಜಿನ ಲೋಮನಾಳದ ತಳದಲ್ಲಿ ಎಮೆರಿ (Emery powder) ಪುಡಿಯ ಬೆಣೆಯನ್ನು ಅಳವಡಿಸಿದೆ. J ನಾಳದ ನೀಳಭಾಗದ (A ಭಾಗ) ಮೇಲ್ತುದಿಯನ್ನು, ಸಣ್ಣಮೊನಚಾದ ಮೂತಿಯಂತೆ ಮಾಡಿದೆ. J ನಾಳದ ತಳಭಾಗವನ್ನು, ಹೀಲಿಯಂII ದ್ರವದಲ್ಲಿ ಮುಳುಗಿಸಿದೆ (B ಭಾಗ). ಈಗ ಹೊರಗಡೆಯಿಂದ ಎಮೆರಿ ಬೆಣೆಯ ಮೇಲೆ ಬೆಳಕಿನ ಕಿರಣಗಳನ್ನು ಹಾಯಿಸಿದರೆ, ಹೀಲಿಯಂ ದ್ರವವು J ನಾಳದಲ್ಲಿ ಮೇಲೇರಿ A ಮೂತಿಯಿಂದ, ಚಿಲುಮೆಯ ರೂಪದಲ್ಲಿ ಸುಮಾರು 30 ಸೆಂ.ಮೀ. ಎತ್ತರದವರೆಗೂ ಹೋಗಬಲ್ಲದು (ಚಿತ್ರ-3).

ಹೀಲಿಯಂ ಅನಿಲದ ಮೇಲೆ ಒತ್ತಡವನ್ನು ಪ್ರಯೋಗಿಸಿ, ತಣಿಸುತ್ತಾ ಹೋದಾಗ 2.17 K ಉಷ್ಣತೆಯಲ್ಲಿ ದ್ರವ ಹೀಲಿಯಂ ದೊರೆಯುತ್ತದೆ. ಇಂತಹ ಸ್ಥಿತಿಯಲ್ಲಿ ಹೀಲಿಯಂ ಪರಮಾಣುಗಳು ಸ್ನಿಗ್ಧತೆಯನ್ನು ಸಂಪೂರ್ಣವಾಗಿ ಕಳೆದುಕೊಂಡು, ನಿಯಮ ಬದ್ಧವಾಗಿ ವರ್ತಿಸುತ್ತವೆ. ಉಷ್ಣತೆ ಇಳಿದ ಹಾಗೆಲ್ಲಾ ಪರಮಾಣುಗಳ ಅಡ್ಡಾದಿಡ್ಡಿ ಚಲನೆ ಕಡಿಮೆಯಾಗುತ್ತಾ ಹೋಗುತ್ತದೆ.

2.17 K ಉಷ್ಣತೆಯಲ್ಲಿ ಪರಮಾಣುಗಳು ಬಹಳ ಕೆಳಮಟ್ಟದ ಅಂದರೆ ಶೂನ್ಯ ಬಿಂದು ಶಕ್ತಿಯನ್ನು ಮಾತ್ರ ಪಡೆದಿರುತ್ತವೆ. ಆದರೆ ಹೀಲಿಯಂII ದ್ರವವನ್ನು ಪಾತ್ರೆಯ ಗೋಡೆಯ ಮೇಲೆ ಏರಿಸಲು ಇದು ಸಾಕು.

ಚಿಲುಮೆ ಪ್ರಯೋಗದಲ್ಲಿ, ಶೂನ್ಯಬಿಂದು ಶಕ್ತಿಯ ಜತೆಗೆ ಸ್ವಲ್ಪ ಹೊರಗಿನಿಂದ ದೊರೆತ ಬೆಳಕಿನ ಶಕ್ತಿಯೂ ಚಿಲುಮೆ ಮೇಲೇರಲು ಸಾಕಾಗುತ್ತದೆ.