Question

как разделить смесь состоящую из гелия-3(³He), гелия-4, дейтерия(D), аргона(Ar), неона(Ne),азота(N2) и водорода(H2)? (при этом на выходе должна собираться смесь гелия-3 и дейтерия, остальные продукты нужно удалить из смеси)

Answer 1

Такое разделение позволят осуществить фракционная дистилляция при помощи низкотемпературного дефлегматора.

Важно понимать, что перечисленные в задании газы имеют различную температуру сжижения/кипения $T_S$ и кристаллизации/плавления $T_F .$ Эти температуры составляют, соответственно:

$H_2 : : : T_S approx 20.28 K ; T_F approx 14.01 K ;$ водород
$He^3 : : : T_S approx 3.19 K ; ~$ гелий-3 – сверхтекучее вещество.
$He : : : T_S approx 4.215 K ; ~$ гелий – сверхтекучее вещество.
$D_2 : : : T_S approx 23.65 K ; T_F approx 18.65 K ;$ дейтерий в форме тяжёлого молекулярного водорода.
$Ne : : : T_S approx 27.1 K ; T_F approx 24.55 K ;$ неон.
$N_2 : : : T_S approx 77 K ; T_F approx 63 K ;$ азот.
$Ar : : : T_S approx 87 K ; T_F approx 83 K ;$ аргон.

1. После снижения температуры камеры дефлегматора до $24 K$ – неон $Ne ,$ азот $N_2$ и аргон $Ar$ кристаллизуются и из камеры можно будет выпустить в отдельный отсек смесь газов, состоящую из водорода $H_2 ,$ гелия-3 $He^3 ,$ обычного гелия $He$ и молекулярного дейтерия $D_2 .$

2. Новую смесь, полученную в первой перегонке необходимо охладить в камере дефлегматора до температуры около $16 K .$ Дейтерий $D_2$ при этом превратиться в кристаллы, а обычный водород $H_2$ – станет жидким. Остаётся слить жидкий водород из камеры и переходить к третьей перегонке.

3. Почти готовую смесь дейтерия $D_2 ,$ гелия-3  $He^3$ и обычного гелия $He$ в третьей стадии низкотемпературной дефлегмации необходимо охладить до $4 K ,$ после чего обычный, более тяжёлый, гелий окажется сжиженным, и его можно будет слить, так что в камере останутся только кристаллы дейтерия $D_2 ,$ и газообразный гелий-3  $He^3 ,$ что и требуется по условию задачи.

Далее смесь можно перевести к необходимым температурам.

Необходимо понимать, что достижение столь низких температур – высоко-энерго-затратно.