małe białe karły helowe mogą być spowodowane przez podwójnego partnera. Źródło: NASA

naukowcy zrozumieli od pewnego czasu, że najliczniejszymi pierwiastkami we wszechświecie są proste gazy, takie jak wodór i hel. Stanowią one zdecydowaną większość jego obserwowalnej masy, przyćmiewając wszystkie cięższe pierwiastki razem wzięte (i to z dużym marginesem). Pomiędzy nimi hel jest drugim najlżejszym i drugim najliczniejszym pierwiastkiem, występującym w około 24% obserwowalnej masy pierwiastków wszechświata.

podczas gdy mamy tendencję do myślenia o helu jako przezabawnym gazie, który robi dziwne rzeczy twojemu głosowi i pozwala balonom unosić się, jest to w rzeczywistości kluczowa część naszego istnienia. Oprócz tego, że jest kluczowym składnikiem gwiazd, hel jest również głównym składnikiem gazowych olbrzymów. Wynika to po części z bardzo wysokiej energii wiązania jądrowego, a także z faktu, że jest wytwarzany zarówno przez fuzję jądrową, jak i rozpad promieniotwórczy. A jednak naukowcy byli świadomi jego istnienia dopiero od końca XIX wieku.

Odkrycie i nazewnictwo:

pierwsze dowody na istnienie helu zostały uzyskane 18 sierpnia 1868 roku przez francuskiego astronoma Jules ’ a Janssena. Podczas pobytu w Guntur w Indiach, Janssen zaobserwował zaćmienie Słońca przez pryzmat, po czym zauważył jasnożółtą linię spektralną (na 587,49 nanometrów) emanującą z chromosfery słońca. Uważał wówczas, że jest to sód, gdyż znajduje się on w pobliżu linii Fraunhofera D1 i D2.

20 października tego samego roku angielski astronom Norman Lockyer zaobserwował żółtą linię w widmie słonecznym (którą nazwał linią D3 Fraunhofera), która według niego była spowodowana nieznanym pierwiastkiem w słońcu. Lockyer i angielski chemik Edward Frankland nazwał pierwiastek helios, od greckiego słowa oznaczającego Słońce.

charakterystyka:

Hel jest drugim najprostszym atomem, jeśli chodzi o model atomowy, po wodorze. Składa się z jądra dwóch protonów i neutronów oraz dwóch elektronów na orbitach atomowych. Najczęstszą formą jest hel-4, który uważa się za produkt nukleosyntezy Wielkiego Wybuchu. Wydarzenie to, trwające od 10 sekund do 20 minut po Wielkim Wybuchu, charakteryzowało się wytwarzaniem jąder innych niż najlżejszy izotop wodoru (tj. Wodór-1. który ma pojedynczy proton i jądro).

uważa się, że to zdarzenie wytworzyło większość helu-4, wraz z niewielkimi ilościami izotopów wodoru, helu i litu. Wszystkie inne cięższe pierwiastki powstały znacznie później, w wyniku gwiezdnej nukleosyntezy. Przez cały czas powstają duże ilości nowego helu w tym samym procesie, w którym ciepło i ciśnienie w jądrze gwiazd powodują fuzję atomów wodoru.

jądro atomu helu-4 jest identyczne z cząstką Alfa, dwoma związanymi protonami i neutronami, które powstają w procesie rozpadu alfa (w którym element rozpada się, uwalniając masę i stając się czymś innym). Bezwładność helu wynika ze stabilności i niskiej energii jego stanu chmury elektronowej, gdzie wszystkie jego elektrony w pełni zajmują orbitale 1s w parach, żaden nie posiada momentu pędu i każdy anuluje wewnętrzny spin drugiego.

stabilność ta wynika również z braku interakcji atomów helu ze sobą, co prowadzi do jednego z najniższych punktów topnienia i wrzenia wszystkich pierwiastków.

Historia użycia:

przez pewien czas uważano, że hel istnieje tylko w słońcu. Jednak w 1882 roku włoski fizyk Luigi Palmieri wykrył Hel na ziemi podczas analizy lawy z Wezuwiusza po jej erupcji w tym roku. W 1895 roku, podczas poszukiwań argonu, szkockiemu chemikowi Sir Williamowi Ramsayowi udało się wyizolować Hel, traktując próbkę kleveitu kwasami mineralnymi. Po potraktowaniu pierwiastka kwasem siarkowym zauważył tę samą linię absorpcji D3.

Ramsey wysłał próbki gazu do Sir Williama Crookesa i Sir Normana Lockyera, którzy potwierdzili, że to hel. Został on niezależnie wyizolowany z kleveitu w tym samym roku przez chemików Pera Teodora Cleve ’ a i Abrahama Langleta w Uppsali w Szwecji, którzy byli w stanie dokładnie określić jego masę atomową. W ciągu następnych kilku lat podobne eksperymenty przyniosły takie same wyniki.

w następnych latach odkryto kilka interesujących właściwości helu. W 1907 Ernest Rutherford i Thomas Royds wykazali, że cząstka alfa jest w rzeczywistości jądrem helu. W 1908 roku Hel został po raz pierwszy skroplony przez holenderskiego fizyka Heike Kamerlingha onnesa poprzez ochłodzenie gazu do mniej niż jednego Kelvina. Pierwiastek został ostatecznie zestalony w 1926 roku przez jego studenta Willema Hendrika Keesoma, który poddał pierwiastek 25 atmosferom ciśnienia.

Hel był jednym z pierwszych pierwiastków wykazujących nadpłynność. W 1938 roku rosyjski fizyk Piotr Leonidowicz Kapitsa odkrył, że hel-4 nie ma prawie żadnej lepkości w temperaturach zbliżonych do zera bezwzględnego (nadciekłość). W 1972 roku to samo zjawisko zaobserwowali amerykańscy fizycy Douglas D. Osheroff, David M. Lee i Robert C. Richardson.

nowoczesne zastosowania:

obecnie hel jest używany w szerokim zakresie zastosowań przemysłowych, handlowych i rekreacyjnych. Najbardziej znany jest być może lot, w którym gaz Hel (będąc lżejszy od powietrza) naturalnie zapewnia pływalność sterowców i balonów. W porównaniu z wodorem, który był również stosowany w sterownikach, Hel ma dodatkową zaletę, że jest łatwopalny i ognioodporny.

dzięki swoim unikalnym właściwościom – które obejmują niską temperaturę wrzenia, niską gęstość, niską rozpuszczalność, wysoką przewodność cieplną i bezwładność – hel jest stosowany w szerokim zakresie zastosowań naukowych i medycznych. Największe zastosowanie ma w zastosowaniach kriogenicznych, gdzie ciecz-Hel działa jako chłodziwo dla magnesów nadprzewodzących w skanerach MRI i spektrometrach.

inne zastosowanie ma w rocketry, gdzie hel jest używany jako bufor do wypierania paliwa i utleniaczy w zbiornikach magazynowych. Jest również używany do skraplania wodoru i tlenu do paliwa rakietowego i wstępnego chłodzenia ciekłego wodoru w pojazdach kosmicznych. Duży Zderzacz Hadronów w CERN również opiera się na ciekłym helu, aby utrzymać stałą temperaturę 1,9 Kelvina.

ze względu na bardzo niski współczynnik załamania światła i sposób, w jaki zmniejsza Zniekształcające efekty zmiany temperatury, hel jest również stosowany w teleskopach słonecznych, chromatografii gazowej oraz w „datowaniu helowym” – czyli określaniu wieku skał zawierających substancje radioaktywne (takie jak uran i Tor). Oprócz bezwładności, właściwości termicznych, dużej prędkości dźwięku i wysokiej wartości racji pojemności cieplnej, jest również stosowany w naddźwiękowych tunelach aerodynamicznych i obiektach do badań aerodynamicznych. Jest również stosowany w spawaniu łukowym i do wykrywania nieszczelności przemysłowych.