forskare har förstått under en tid att de vanligaste elementen i universum är enkla gaser som väte och helium. Dessa utgör den stora majoriteten av sin observerbara massa och dvärgar alla tyngre element tillsammans (och med stor marginal). Och mellan de två är helium det näst lättaste och näst vanligaste elementet, som finns i cirka 24% av observerbart universums elementära massa.

medan vi tenderar att tänka på helium som den lustiga gasen som gör konstiga saker till din röst och låter ballonger flyta, är det faktiskt en viktig del av vår existens. Förutom att vara en nyckelkomponent i stjärnor är helium också en viktig beståndsdel i gasjättar. Detta beror delvis på dess mycket höga kärnbindningsenergi, plus det faktum som produceras av både kärnfusion och radioaktivt sönderfall. Och ändå har forskare bara varit medvetna om dess existens sedan slutet av 19-talet.

upptäckt och namngivning:

det första beviset på helium erhölls den 18 augusti 1868 av den franska astronomen Jules Janssen. Medan han var i Guntur, indien, observerade Janssen en solförmörkelse genom ett prisma, varpå han märkte en ljusgul spektrallinje (vid 587,49 nanometer) som härrör från solens kromosfär. Vid den tiden trodde han att det var natrium, eftersom det var nära D1-och D2 Fraunhofer-linjerna.

den 20 oktober samma år observerade den engelska astronomen Norman Lockyer en gul linje i solspektret (som han kallade D3 Fraunhofer-linjen) som han avslutade orsakades av ett okänt element i solen. Lockyer och engelsk kemist Edward Frankland namngav elementet helios, efter det grekiska ordet för solen.

egenskaper:

Helium är den näst enklaste atomen när det gäller dess atommodell, efter väte. Den består av en kärna av två protoner och neutroner och två elektroner i atombanor. Den vanligaste formen är helium-4, som tros vara produkten av Big Bang nukleosyntes. Denna händelse, som varade från 10 sekunder till 20 minuter efter Big Bang, kännetecknades av produktion av andra kärnor än den lättaste isotopen av väte (dvs. väte-1. som har en enda proton och kärna).

denna händelse tros ha producerat majoriteten av helium-4, tillsammans med små mängder väte -, helium-och litiumisotoper. Alla andra tyngre element skapades mycket senare, som ett resultat av stellar nukleosyntes. Stora mängder nytt helium skapas hela tiden genom samma process, där värmen och trycket i kärnan av stjärnor orsakar väteatomer att smälta samman.

kärnan i helium – 4-atomen är identisk med en alfapartikel, två bundna protoner och neutroner som produceras i processen med alfaförfall (där ett element sönderfall, frigör massa och blir något annat). Heliums inertitet beror på stabiliteten och den låga energin i dess elektronmolnstillstånd, där alla dess elektroner helt upptar 1s orbitaler i par, ingen som har vinkelmoment och var och en avbryter den andras inneboende spinn.

denna stabilitet står också för bristen på interaktion mellan heliumatomer med varandra, vilket leder till en av he lägsta smält-och kokpunkter för alla element.

användningshistoria:

under en tid troddes helium endast existera i solen. Men 1882 upptäckte den italienska fysikern Luigi Palmieri helium på jorden när han analyserade lava från Vesuvius efter att den utbröt det året. Och 1895, när han letade efter argon, lyckades skotsk kemist Sir William Ramsay isolera helium genom att behandla ett prov av cleveit med mineralsyror. Efter att ha behandlat elementet med svavelsyra märkte han samma D3-absorptionslinje.

Ramsey skickade prover av gasen till Sir William Crookes och Sir Norman Lockyer, som verifierade att det var helium. Det isolerades oberoende från cleveite samma år av kemister Per Teodor Cleve och Abraham Langlet i Uppsala, Sverige, som kunde exakt bestämma dess atomvikt. Under de närmaste åren gav liknande experiment samma resultat.

flera intressanta egenskaper hos helium upptäcktes under de följande åren. 1907 visade Ernest Rutherford och Thomas Royds att en alfapartikel faktiskt är en heliumkärna. 1908 kondenserades helium först av holländsk fysiker Heike Kamerlingh Onnes genom att kyla gasen till mindre än en kelvin. Elementet stelnades så småningom 1926 av hans student Willem Hendrik Keesom, som utsatte elementet för 25 atmosfärer av tryck.

Helium var ett av de första elementen som visade sig ha superfluiditet. År 1938 upptäckte den ryska fysikern Pyotr Leonidovich Kapitsa att helium-4 nästan inte har någon viskositet vid temperaturer nära absolut noll (superfluiditet). 1972 observerades samma fenomen i helium-3 av amerikanska fysiker Douglas D. Osheroff, David M. Lee och Robert C. Richardson.

moderna användningsområden:

idag används heliumgas i ett brett spektrum av industriella, kommersiella och rekreationsapplikationer. Den mest kända är kanske flyg, där heliumgas (som är lättare än luft) naturligtvis ger flytkraft för luftskepp och ballonger. Jämfört med väte, som också användes i luftskepp, har helium den extra fördelen att vara brandfarlig och brandhämmande.på grund av dess unika egenskaper – som inkluderar en låg kokpunkt, låg densitet, låg löslighet, hög värmeledningsförmåga och inertitet – helium används för ett brett spektrum av vetenskapliga och medicinska tillämpningar. Den största användningen är i kryogena applikationer, där flytande helium fungerar som kylvätska för superledande magneter i MR-skannrar och spektrometrar.

en annan användning är i raketry, där helium används som buffert för att förskjuta bränsle och oxidationsmedel i lagringstankar. Det används också för att kondensera väte och syre till raketbränsle och förkylt flytande väte i rymdfordon. Large Hadron Collider vid CERN förlitar sig också på flytande helium för att upprätthålla en konstant temperatur på 1, 9 kelvin.

tack vare dess extremt låga brytningsindex och hur det minskar de snedvridande effekterna av temperaturvariation används helium också i solteleskop, gaskromatografi och i ”heliumdating” – dvs bestämning av åldern på stenar som innehåller radioaktiva ämnen (som uran och torium). Förutom dess inertitet, dess termiska egenskaper, hög ljudhastighet och det höga värdet av värmekapacitetsrationen används den också i supersoniska vindtunnlar och aerodynamiska testanläggningar. Den används också vid bågsvetsning och för industriell läckagedetektering.