Gli scienziati hanno capito da tempo che gli elementi più abbondanti nell’Universo sono gas semplici come idrogeno ed elio. Questi costituiscono la stragrande maggioranza della sua massa osservabile, sminuendo tutti gli elementi più pesanti combinati (e con un ampio margine). E tra i due, l’elio è il secondo elemento più leggero e il secondo più abbondante, essendo presente in circa il 24% della massa elementale dell’Universo osservabile.

Mentre tendiamo a pensare all’elio come al gas esilarante che fa cose strane alla tua voce e permette ai palloncini di galleggiare, in realtà è una parte cruciale della nostra esistenza. Oltre ad essere un componente chiave delle stelle, l’elio è anche un costituente importante nei giganti gassosi. Ciò è dovuto in parte alla sua altissima energia di legame nucleare, oltre al fatto che è prodotta sia dalla fusione nucleare che dal decadimento radioattivo. Eppure, gli scienziati sono stati a conoscenza della sua esistenza solo dalla fine del 19 ° secolo.

Scoperta e denominazione:

La prima prova di elio fu ottenuta il 18 agosto 1868 dall’astronomo francese Jules Janssen. Mentre si trovava a Guntur, in India, Janssen osservò un’eclissi solare attraverso un prisma, dopo di che notò una linea spettrale gialla brillante (a 587,49 nanometri) che emanava dalla cromosfera del Sole. A quel tempo, credeva che fosse sodio, poiché era vicino alle linee D1 e D2 Fraunhofer.

Il 20 ottobre dello stesso anno, l’astronomo inglese Norman Lockyer osservò una linea gialla nello spettro solare (che chiamò linea D3 Fraunhofer) che concluse fosse causata da un elemento sconosciuto nel Sole. Lockyer e chimico inglese Edward Frankland chiamato l’elemento helios, dopo la parola greca per il Sole.

Caratteristiche:

L’elio è il secondo atomo più semplice quando si tratta del suo modello atomico, dopo l’idrogeno. Consiste di un nucleo di due protoni e neutroni e due elettroni in orbite atomiche. La forma più comune è l’elio-4, che si ritiene sia il prodotto della nucleosintesi del Big Bang. Questo evento, che è durato da 10 secondi a 20 minuti dopo il Big Bang, è stato caratterizzato dalla produzione di nuclei diversi dall’isotopo più leggero dell’idrogeno (cioè idrogeno-1. che ha un singolo protone e nucleo).

Si ritiene che questo evento abbia prodotto la maggior parte dell’elio-4, insieme a piccole quantità di isotopi di idrogeno, elio e litio. Tutti gli altri elementi più pesanti furono creati molto più tardi, come risultato della nucleosintesi stellare. Grandi quantità di nuovo elio vengono create tutto il tempo attraverso questo stesso processo, dove il calore e la pressione al centro delle stelle stanno causando la fusione degli atomi di idrogeno.

Il nucleo dell’atomo di elio-4 è identico a una particella alfa, due protoni e neutroni legati che vengono prodotti nel processo di decadimento alfa (dove un elemento decade, rilasciando massa e diventando qualcos’altro). L’inerzia dell’elio è dovuta alla stabilità e alla bassa energia del suo stato di nube di elettroni, dove tutti i suoi elettroni occupano completamente gli orbitali 1s in coppie, nessuno possiede momento angolare e ciascuno annulla lo spin intrinseco dell’altro.

Questa stabilità spiega anche la mancanza di interazione degli atomi di elio tra loro, che porta a uno dei più bassi punti di fusione e ebollizione di tutti gli elementi.

Storia d’uso:

Per qualche tempo si è creduto che l’elio esistesse solo al Sole. Tuttavia, nel 1882, il fisico italiano Luigi Palmieri rilevò l’elio sulla Terra analizzando la lava dal Vesuvio dopo che eruttò in quell’anno. E nel 1895, mentre cercava l’argon, il chimico scozzese Sir William Ramsay riuscì a isolare l’elio trattando un campione di cleveite con acidi minerali. Dopo aver trattato l’elemento con acido solforico, ha notato la stessa linea di assorbimento D3.

Ramsey inviò campioni del gas a Sir William Crookes e Sir Norman Lockyer, che verificarono che si trattava di elio. Fu isolato indipendentemente dalla cleveite lo stesso anno dai chimici Per Teodor Cleve e Abraham Langlet a Uppsala, in Svezia, che furono in grado di determinare con precisione il suo peso atomico. Nel corso dei prossimi anni, esperimenti simili hanno prodotto gli stessi risultati.

Diverse proprietà interessanti dell’elio sono state scoperte negli anni successivi. Nel 1907, Ernest Rutherford e Thomas Royds dimostrarono che una particella alfa è in realtà un nucleo di elio. Nel 1908, l’elio fu liquefatto per la prima volta dal fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes raffreddando il gas a meno di un kelvin. L’elemento fu infine solidificato nel 1926 dal suo allievo Willem Hendrik Keesom, che sottopose l’elemento a 25 atmosfere di pressione.

L’elio è stato uno dei primi elementi ad avere superfluidità. Nel 1938, il fisico russo Pyotr Leonidovich Kapitsa scoprì che l’elio-4 non ha quasi nessuna viscosità a temperature vicine allo zero assoluto (superfluidità). Nel 1972, lo stesso fenomeno fu osservato nell’elio-3 dai fisici americani Douglas D. Osheroff, David M. Lee e Robert C. Richardson.

Usi moderni:

Oggi, il gas dell’elio è utilizzato in una vasta gamma di applicazioni industriali, commerciali e ricreative. Il più noto è forse il volo, dove il gas elio (essendo più leggero dell’aria) fornisce naturalmente galleggiabilità per dirigibili e palloncini. Rispetto all’idrogeno, che è stato utilizzato anche nei dirigibili, l’elio ha il vantaggio di essere infiammabile e ignifugo.

Grazie alle sue proprietà uniche – che includono un basso punto di ebollizione, bassa densità, bassa solubilità, alta conducibilità termica e inerzia – l’elio viene utilizzato per una vasta gamma di applicazioni scientifiche e mediche. Il più grande uso è nelle applicazioni criogeniche, dove l’elio liquido funge da refrigerante per i magneti superconduttori negli scanner e negli spettrometri MRI.

Un altro uso è in missilistica, dove l’elio viene utilizzato come tampone per spostare carburante e ossidanti nei serbatoi di stoccaggio. Viene anche usato per condensare idrogeno e ossigeno in carburante per razzi e pre-raffreddare l’idrogeno liquido nei veicoli spaziali. Il Large Hadron Collider del CERN si basa anche sull’elio liquido per mantenere una temperatura costante di 1,9 kelvin.

Grazie al suo indice di rifrazione estremamente basso e al modo in cui riduce gli effetti distorsivi della variazione di temperatura, l’elio viene utilizzato anche nei telescopi solari, nella gascromatografia e nella “datazione dell’elio”, cioè nel determinare l’età delle rocce che contengono sostanze radioattive (come uranio e torio). Oltre alla sua inerzia, alle sue proprietà termiche, all’alta velocità del suono e all’alto valore della razione di capacità termica, viene utilizzato anche nelle gallerie del vento supersoniche e negli impianti di test aerodinamici. Viene anche utilizzato nella saldatura ad arco e per il rilevamento di perdite industriali.