Гелий

Определение "Гелий" в Большой Советской Энциклопедии

Диаграмма состояния изотопа гелия

Гелий (лат. Helium), символ Не, химический элемент VIII группы периодической системы, относится к инертным газам; порядковый номер 2, атомная масса 4,0026; газ без цвета и запаха. Природный Гелий состоит из 2 стабильных изотопов: ³He и ⁴He (содержание ⁴He резко преобладает).

Плотность жидкого изотопа гелия

Впервые Гелий был открыт не на Земле, где его мало, а в атмосфере Солнца. В 1868 француз Ж. Жансен и англичанин Дж. Н. Локьер исследовали спектроскопически состав солнечных протуберанцев. Полученные ими снимки содержали яркую жёлтую линию (т. н. D₃-линию), которую нельзя было приписать ни одному из известных в то время элементов. В 1871 Локьер объяснил её происхождение присутствием на Солнце нового элемента, который и назвали гелием (от греч. helios — Солнце). На Земле Гелий впервые был выделен в 1895 англичанином У. Рамзаем из радиоактивного минерала клевеита. В спектре газа, выделенного при нагревании клевеита, оказалась та же линия.

Теплоёмкость жидкого изотопа гелия

Гелий в природе. На Земле Гелий мало: 1 м³ воздуха содержит всего 5,24 см³ Гелий, а каждый килограмм земного материала — 0,003 мг Гелий По распространённости же во Вселенной Гелий занимает 2-е место после водорода: на долю Гелий приходится около 23% космической массы.

На Земле Гелий (точнее, изотоп ⁴He) постоянно образуется при распаде урана, тория и других радиоактивных элементов (всего в земной коре содержится около 29 радиоактивных изотопов, продуцирующих ⁴He).

Примерно половина всего Гелий сосредоточена в земной коре, главным образом в её гранитной оболочке, аккумулировавшей основные запасы радиоактивных элементов. Содержание Гелий в земной коре невелико — 3 · 10^-7% по массе. Гелий накапливается в свободных газовых скоплениях недр и в нефтях; такие месторождения достигают промышленных масштабов. Максимальные концентрации Гелий (10—13%) выявлены в свободных газовых скоплениях и газах урановых рудников и (20—25%) в газах, спонтанно выделяющихся из подземных вод. Чем древнее возраст газоносных осадочных пород и чем выше в них содержание радиоактивных элементов, тем больше Гелий в составе природных газов. Вулканическим газам свойственно обычно низкое содержание Гелий

Добыча Гелий в промышленных масштабах производится из природных и нефтяных газов как углеводородного, так и азотного состава. По качеству сырья гелиевые месторождения подразделяются: на богатые (содержание Не > 0,5% по объёму); рядовые (0,10—0,50) и бедные < 0,10). В СССР природный Гелий содержится во многих нефтегазовых месторождениях. Значительные его концентрации известны в некоторых месторождениях природного газа Канады, США (шт. Канзас, Техас, Нью-Мексико, Юта).

В природном Гелий любого происхождения (атмосферном, из природных газов, из радиоактивных минералов, метеоритном и т.д.) преобладает изотоп ⁴He. Содержание ³He обычно мало (в зависимости от источника Гелий оно колеблется от 1,3 · 10^-4 до 2 · 10^-8%) и только в Гелий, выделенном из метеоритов, достигает 17—31,5%. Скорость образования ⁴He при радиоактивном распаде невелика: в 1 т гранита, содержащего, например, 3 г урана и 15 г тория, образуется 1 мг Гелий за 7,9 млн. лет; однако, поскольку этот процесс протекает постоянно, за время существования Земли он должен был бы обеспечить содержание Гелий в атмосфере, литосфере и гидросфере, значительно превышающее наличное (оно составляет около 5 · 10¹⁴ м³). Такой дефицит Гелий объясняется постоянным улетучиванием его из атмосферы. Лёгкие атомы Гелий, попадая в верхние слои атмосферы, постепенно приобретают там скорость выше 2-й космической и тем самым получают возможность преодолеть силы земного притяжения. Одновременное образование и улетучивание Гелий приводят к тому, что концентрация его в атмосфере практически постоянна.

Изотоп ³He, в частности, образуется в атмосфере при бета-распаде тяжёлого изотопа водорода  — трития (Т), возникающего, в свою очередь, при взаимодействии нейтронов космического излучения с азотом воздуха:

Ядра атома ⁴He (состоящие из 2 протонов и 2 нейтронов), называют альфа-частицами или гелионами, — самые устойчивые среди составных ядер. Энергия связи нуклонов (протонов и нейтронов) в ⁴He имеет максимальное по сравнению с ядрами других элементов значение (28,2937 Мэв); поэтому образование ядер ⁴He из ядер водорода (протонов) ¹Н сопровождается выделением огромного количества энергии. Считают, что эта ядерная реакция: 4¹H = ⁴He +2b⁺ + 2n [одновременно с ⁴He образуются 2 позитрона (b ⁺) и 2 нейтрино (n)] служит основным источником энергии Солнца и других схожих с ним звёзд. Благодаря этому процессу и накапливаются весьма значительные запасы Гелий во Вселенной.

Физические и химические свойства. При нормальных условиях Гелий — одноатомный газ без цвета и запаха. Плотность 0,17846 г/л, t_kип — 268,93°С. Гелий — единственный элемент, который в жидком состоянии не отвердевает при нормальном давлении, как бы глубоко его ни охлаждали. Наименьшее давление перехода жидкого Гелий в твёрдый 2,5 Мн/м2 (25 am), t_пл при этом равна — 272,1°С. Теплопроводность (при 0°С) 143,8 · 10^-3 вт/см (K [343,4 · 10^-6 кал/(см (град (сек)]. Радиус атома Гелий, определённый различными методами, составляет от 0,85 до 1,33 . В 1 л воды при 20°С растворяется около 8,8 мл Гелий Энергия первичной ионизации Гелий больше, чем у любого другого элемента, — 39,38 · 10^-13дж (24,58 эв); сродством к электрону Гелий не обладает. Жидкий Гелий, состоящий только из ⁴He, проявляет ряд уникальных свойств (см. ниже).

До настоящего времени попытки получить устойчивые химические соединения Гелий оканчивались неудачами (см. Инертные газы). Спектроскопически доказано существование в разряде иона He₂+. В 1967 советские исследователи В. П. Бочин, Н. В. Закурин, В. К. Капышев сообщили о синтезе в зоне дугового разряда за счёт реакции Гелий с фтором, с BF₃ или с RuF₅ ионов HeF⁺, HeF₂²⁺ и HeF₂⁺. Согласно расчёту, величина энергии диссоциации иона HeF⁺ равна 2,2 эв.

Получение и применение. В промышленности Гелий получают из гелийсодержащих природных газов (в настоящее время эксплуатируются главным образом месторождения, содержащие > 0,1% Гелий). От других газов Гелий отделяют методом глубокого охлаждения, используя то, что он сжижается труднее всех остальных газов.

Благодаря инертности Гелий широко применяют для создания защитной атмосферы при плавке, резке и сварке активных металлов. Гелий менее электропроводен, чем другой инертный газ — аргон, и поэтому электрическая дуга в атмосфере Гелий даёт более высокие температуры, что значительно повышает скорость дуговой сварки. Благодаря небольшой плотности в сочетании с негорючестью Гелий применяют для наполнения стратостатов. Высокая теплопроводность Гелий, его химическая инертность и крайне малая способность вступать в ядерную реакцию с нейтронами позволяют использовать Гелий для охлаждения атомных реакторов. Жидкий Гелий — самая холодная жидкость на Земле, служит хладагентом при проведении различных научных исследований. На определении содержания Гелий в радиоактивных минералах основан один из методов определения их абсолютного возраста (см. Геохронология). Благодаря тому что Гелий очень плохо растворим в крови, его используют как составную часть искусственного воздуха, подаваемого для дыхания водолазам (замена азота на Гелий предотвращает появление кессонной болезни). Изучаются возможности применения Гелий и в атмосфере кабины космического корабля.
С. С. Бердоносов, В. П. Якуцени.

  Гелий жидкий. Относительно слабое взаимодействие атомов Гелий приводит к тому, что он остаётся газообразным до более низких температур, чем любой другой газ. Максимальная температура, ниже которой он может быть сжижен (его критическая температура T_K), равна 5,20 К. Жидкий Гелий — единственная незамерзающая жидкость: при нормальном давлении (рис. 1) Гелий остаётся жидким при сколь угодно низких температурах и затвердевает лишь при давлениях, превышающих 2,5 Мн/м² (25 am).

При температуре T_l =2,19 К и нормальном давлении жидкий Гелий испытывает фазовый переход второго рода. Гелий выше этой температуры называется Не I, ниже — Не II. При температуре фазового перехода наблюдаются аномальное возрастание теплоёмкости (т. н. l-точка, рис. 2), излом кривой температурной зависимости плотности Гелий (рис. 3) и др. характерные явления.

В 1938 П. Л. Капица открыл у Не II сверхтекучесть — способность течь практически без вязкости. Объяснение этого явления было дано Л. Д. Ландау (1941) на основе квантовомеханических представлений о характере теплового движения в жидком Гелий

При низких температурах это движение описывается как существование в жидком Гелий элементарных возбуждений — фононов (квантов звука), обладающих энергией e·= hv (v — частота звука, h — постоянная Планка) и импульсом р = e/c (с = 240 м/сек — скорость звука). Число и энергия фононов растут с повышением температуры Т. При T > 0,6 К появляются возбуждения с большими энергиями (ротоны), для которых зависимость e(p) имеет нелинейный характер. Фононы и ротоны (см. Квазичастицы) обладают импульсом и, следовательно, массой. Отнесённая к 1 см, эта масса определяет плотность r_n т. н. нормальной компоненты жидкого Гелий При низких температурах r_n стремится к нулю при Т ® 0. Движение нормальной компоненты, как и обычного газа, имеет вязкостный характер. Остальная часть жидкого Гелий, т. н. сверхтекучая компонента, движется без трения; её плотность r_s = r — r_n. При Т ® T_l r_n ® r, так что в l-точке r_s обращается в нуль и сверхтекучесть исчезает (Не I — обычная вязкая жидкость).
Т. о., в жидком Гелий одновременно могут происходить два движения с различными скоростями.

На основе этих представлений удаётся объяснить ряд наблюдаемых эффектов: при вытекании He II из сосуда через узкий капилляр температура в сосуде повышается, т.к. вытекает главным образом сверхтекучая компонента, не несущая с собой теплоты (т. н. механокалорический эффект); при создании разности температур между концами закрытого капилляра с Не II в нём возникает движение (термомеханический эффект) — сверхтекучая компонента движется от холодного конца к горячему и там превращается в нормальную, которая движется навстречу, при этом суммарный поток отсутствует. В жидком Гелий может распространяться звук двух видов — обычный и т. н. второй звук. При распространении второго звука в местах сгущения нормальной компоненты происходит разрежение сверхтекучей.

Всё сказанное относится к обычному Гелий, состоящему в основном из изотопа ⁴He. Более редкий изотоп ³He имеет иные, чем у ⁴He, квантовые свойства (см. Квантовая жидкость). Жидкий ³He — также незамерзающая жидкость (T_K = 3,33 К), но не обладающая сверхтекучестью: вязкость ³He неограниченно возрастает с понижением температуры.
  Л. П. Питаевский.
 

Лит.: Кеезом В., Гелий, пер. с англ., М., 1949; Фастовский В. Гелий, Ровинский А. Е., Петровский Ю. В., Инертные газы, М., 1964; Халатников И. М., Введение в теорию сверхтекучести, М., 1965; Смирнов Ю. Н., Гелий вблизи абсолютного нуля, «Природа», 1967, № 10, с. 70; Якуцени В. П., Геология гелия, Л., 1968. См. также лит. к ст. Инертные газы.

He вблизи l-точки. Кривая имеет характерную форму, напоминающую греческую букву l." href="/a_pictures/18/10/260326089.jpg">He вблизи l-точки. Кривая имеет характерную форму, напоминающую греческую букву l."http://helium.atomistry.com/">He вблизи l-точки. Кривая имеет характерную форму, напоминающую греческую букву l." src="a_pictures/18/10/th_260326089.jpg">
Рис. 2. Теплоёмкость жидкого 4He вблизи l-точки. Кривая имеет характерную форму, напоминающую греческую букву l.

He." href="/a_pictures/18/10/261431508.jpg">He."http://helium.atomistry.com/">He." src="a_pictures/18/10/th_261431508.jpg">
Рис. 1. Диаграмма состояния 4He.

He вблизи l-точки." href="/a_pictures/18/10/281837248.jpg">He вблизи l-точки."http://helium.atomistry.com/">He вблизи l-точки." src="a_pictures/18/10/th_281837248.jpg">
Рис. 3. Плотность r жидкого 4He вблизи l-точки.