tutkijat ovat jo jonkin aikaa ymmärtäneet, että maailmankaikkeuden runsaimmat alkuaineet ovat yksinkertaisia kaasuja, kuten vetyä ja heliumia. Nämä muodostavat valtaosan sen havaittavasta massasta, ja ne tekevät kaikki raskaammat alkuaineet yhteenlaskettuina (ja laajalla marginaalilla) kääpiöiksi. Ja näiden kahden välissä helium on toiseksi kevyin ja toiseksi runsain alkuaine, sillä sitä on noin 24% havaittavan maailmankaikkeuden alkuainemassasta.

siinä missä meillä on tapana ajatella heliumia hulvattomana kaasuna, joka tekee outoja asioita äänellesi ja sallii ilmapallojen leijua, se on itse asiassa olennainen osa olemassaoloamme. Sen lisäksi, että helium on Tähtien keskeinen aineosa, se on myös kaasujättiläisten tärkeä aineosa. Tämä johtuu osittain sen erittäin suuresta ydinenergiasta sekä siitä, että sitä tuotetaan sekä ydinfuusiossa että radioaktiivisessa hajoamisessa. Silti tutkijat ovat olleet tietoisia sen olemassaolosta vasta 1800-luvun lopulta lähtien.

löytö ja nimeäminen:

ensimmäisen todisteen heliumista sai ranskalainen tähtitieteilijä Jules Janssen 18.elokuuta 1868. Ollessaan Gunturissa Intiassa Janssen havaitsi auringonpimennyksen prisman läpi, jolloin hän huomasi kirkkaankeltaisen spektriviivan (587,49 nanometriä), joka säteili auringon kromosfääristä. Tuolloin hän uskoi sen olevan natriumia, koska se oli lähellä D1-ja D2 Fraunhofer-linjoja.

saman vuoden lokakuun 20.päivänä englantilainen tähtitieteilijä Norman Lockyer havaitsi Auringon spektrissä keltaisen viivan (jonka hän nimesi D3 Fraunhofer-viivaksi), jonka hän päätteli johtuvan tuntemattomasta alkuaineesta auringossa. Lockyer ja englantilainen kemisti Edward Frankland nimesivät alkuaineen Heliokseksi kreikkalaisen aurinkoa tarkoittavan sanan mukaan.

ominaisuudet:

Helium on atomimallinsa toiseksi yksinkertaisin atomi vedyn jälkeen. Se koostuu kahden protonin ja neutronien muodostamasta ytimestä sekä kahdesta atomiorbitaaleilla olevasta elektronista. Yleisin muoto on helium-4, jonka uskotaan olevan alkuräjähdyksen nukleosynteesin tuote. Tälle tapahtumalle, joka kesti alkuräjähdyksen jälkeen 10 sekunnista 20 minuuttiin, oli ominaista muiden ytimien kuin vedyn kevyimmän isotoopin (eli vety-1: n) tuottaminen. jolla on yksi protoni ja ydin).

tämän tapahtuman uskotaan tuottaneen suurimman osan helium-4: stä sekä pieniä määriä vedyn, heliumin ja litiumin isotooppeja. Kaikki muut raskaammat alkuaineet syntyivät paljon myöhemmin tähtien nukleosynteesin seurauksena. Suuria määriä uutta heliumia syntyy koko ajan tässä samassa prosessissa, jossa tähtien ytimen lämpö ja paine saavat vetyatomit fuusioitumaan.

helium-4-atomin ydin on identtinen alfahiukkasen, kahden sitoutuneen protonin ja neutronien kanssa, jotka syntyvät alfahajoamisprosessissa (jossa jokin alkuaine hajoaa vapauttaen massaa ja muuttuen joksikin muuksi). Heliumin inerttisyys johtuu sen elektronipilven tilan vakaudesta ja alhaisesta energiasta, jossa kaikki sen elektronit miehittävät täysin 1s-orbitaalit pareittain, yksikään niillä ei ole kulmamomenttia ja jokainen kumoaa toisen luontaisen Spinin.

tämä stabiilisuus selittää myös heliumatomien keskinäisen vuorovaikutuksen puutteen, mikä johtaa kaikkien alkuaineiden yhteen alhaisimmista sulamis-ja kiehumispisteistä.

käyttöhistoria:

jonkin aikaa heliumia uskottiin olevan vain auringossa. Vuonna 1882 italialainen fyysikko Luigi Palmieri kuitenkin havaitsi heliumia maapallolla analysoidessaan Vesuvius-vuoren laavaa sen purkaututtua samana vuonna. Ja vuonna 1895 etsiessään argonia skotlantilainen kemisti Sir William Ramsay onnistui eristämään heliumin käsittelemällä kleveiittinäytettä mineraalihapoilla. Käsiteltyään alkuainetta rikkihapolla hän huomasi saman D3-absorptiolinjan.

Ramsey lähetti näytteitä kaasusta Sir William Crookesille ja Sir Norman Lockyerille, jotka varmistivat sen olevan heliumia. Sen eristivät itsenäisesti kleveiitistä samana vuonna Ruotsin Uppsalassa toimineet kemistit Per Teodor Cleve ja Abraham Langlet, jotka pystyivät määrittämään tarkasti sen atomipainon. Seuraavien vuosien aikana vastaavanlaiset kokeet tuottivat samat tulokset.

heliumista löydettiin seuraavina vuosina useita mielenkiintoisia ominaisuuksia. Vuonna 1907 Ernest Rutherford ja Thomas Royds osoittivat, että alfahiukkanen on todellisuudessa heliumydin. Vuonna 1908 heliumia nesteytti ensimmäisenä Hollantilainen fyysikko Heike Kamerlingh Onnes jäähdyttämällä kaasun alle yhden kelvinin. Alkuaineen jähmettyi lopulta vuonna 1926 hänen oppilaansa Willem Hendrik Keesom, joka alisti alkuaineen 25 ilmakehän paineelle.

Helium oli ensimmäisiä alkuaineita, joilla havaittiin olevan superfluenssaa. Vuonna 1938 venäläinen fyysikko Pjotr Leonidovitš Kapitsa havaitsi, että helium-4: llä ei ole juuri lainkaan viskositeettia lähellä absoluuttista nollapistettä (superfluiditeetti). Vuonna 1972 saman ilmiön havaitsivat Helium-3: ssa yhdysvaltalaiset fyysikot Douglas D. Osheroff, David M. Lee ja Robert C. Richardson.

Nykykäyttö:

nykyään heliumkaasua käytetään monenlaisissa teollisissa, kaupallisissa ja virkistyssovelluksissa. Tunnetuin lienee lento, jossa heliumkaasu (joka on ilmaa kevyempää) tarjoaa luonnollisesti kelluvuutta ilmalaivoille ja ilmapalloille. Verrattuna vetyyn, jota käytettiin myös ilmalaivoissa, heliumin etuna on se, että se on syttyvää ja palonestoainetta.

heliumia käytetään sen ainutlaatuisten ominaisuuksien – joita ovat alhainen kiehumispiste, alhainen tiheys, alhainen liukoisuus, korkea lämmönjohtavuus ja inerttisyys – vuoksi monenlaisiin tieteellisiin ja lääketieteellisiin sovelluksiin. Eniten käyttöä on kryogeenisissä sovelluksissa, joissa neste-helium toimii suprajohtavien magneettien jäähdytysnesteenä MRI-skannereissa ja spektrometreissä.

toinen käyttökohde on rocketry, jossa heliumia käytetään puskurina polttoaineiden ja hapettimien syrjäyttämiseksi varastosäiliöissä. Sitä käytetään myös tiivistämään vetyä ja happea rakettien polttoaineeksi ja esikylmäksi nestemäiseksi vedyksi avaruusaluksissa. Cernin Large Hadron Collider luottaa myös nestemäiseen heliumiin 1,9 kelvinin vakiolämpötilan ylläpitämiseksi.

äärimmäisen alhaisen taitekertoimen indeksin ja lämpötilan vaihtelun vääristävien vaikutusten vähentämisen ansiosta heliumia käytetään myös aurinkoteleskoopeissa, kaasukromatografiassa ja ”helium – iänmäärityksessä” eli radioaktiivisia aineita (kuten uraania ja toriumia) sisältävien kivien iän määrittämisessä. Inertteytensä, lämpöominaisuuksiensa, suuren äänennopeutensa ja lämpökapasiteettirehunsa suuren arvon lisäksi sitä käytetään myös yliäänisissä tuulitunneleissa ja aerodynaamisissa testauslaitoksissa. Sitä käytetään myös kaarihitsauksessa ja teollisuuden vuotojen havaitsemiseen.