Znanstvenici su već neko vrijeme shvatili da su najzastupljeniji elementi u Svemiru jednostavni plinovi poput vodika i helija. Oni čine veliku većinu njegove vidljive mase, nadmašujući sve teže elemente zajedno (i to sa velikom razlikom). A između njih dvoje, helij je drugi najlakši i drugi najzastupljeniji element, prisutan u oko 24% vidljive elementarne mase svemira.
Dok smo skloni razmišljati o heliju kao o urnebesnom plinu koji čini čudne stvari vašem glasu i omogućuje balonima da lebde, on je zapravo ključni dio našeg postojanja. Osim što je ključna komponenta zvijezda, helij je također glavni sastojak plinskih divova. To je dijelom posljedica njegove vrlo visoke nuklearne energije vezanja, plus činjenica da nastaje i nuklearnom fuzijom i radioaktivnim raspadom. Pa ipak, znanstvenici su svjesni njegovog postojanja tek od kasnog 19. stoljeća.
Otkriće i imenovanje:
Prvi dokaz o heliju dobio je 18. kolovoza 1868. godine francuski astronom Jules Janssen. Dok je bio u Gunturu u Indiji, Janssen je promatrao pomrčinu Sunca kroz prizmu, nakon čega je primijetio svijetlo žutu spektralnu liniju (na 587,49 nanometara) koja izvire iz kromosfere Sunca. U to je vrijeme vjerovao da je to natrij, budući da je bio blizu D1 i D2 Fraunhoferove linije .
Fraunhoferove linije su tamne apsorpcijske linije u spektru koje odgovaraju različitim kemijskim elementima. Zasluge: eventbrite.com
Dana 20. listopada iste godine, engleski astronom Norman Lockyer primijetio je žutu liniju u sunčevom spektru (koju je nazvao D3Fraunhoferova linija) za koju je zaključio da je uzrokovana nepoznatim elementom na Suncu. Lockyer i engleski kemičar Edward Frankland dali su naziv elementuhelios, prema grčkoj riječi za Sunce.
Karakteristike:
Helij je drugi najjednostavniji atom kada je u pitanju njegov atomski model, nakon vodika. Sastoji se od jezgre od dva protona i neutrona, te dva elektrona u atomskim orbitama. Najčešći oblik je helij-4, za koji se vjeruje da je proizvod nukleosinteze Velikog praska. Ovaj događaj, koji je trajao od 10 sekundi do 20 minuta nakon Velikog praska, bio je karakteriziran proizvodnjom jezgri koja nije najlakši izotop vodika (tj. vodik-1. koji ima jedan proton i jezgru).
Vjeruje se da je ovaj događaj proizveo većinu helija-4, zajedno s malim količinama izotopa vodika, helija i litija. Svi ostali teži elementi nastali su mnogo kasnije, kao rezultat zvjezdane nukleosinteze. Velike količine novog helija stvaraju se cijelo vrijeme kroz ovaj isti proces, gdje toplina i tlak u jezgri zvijezda uzrokuju spajanje atoma vodika.
Prikaz atomske strukture atoma helija. Zasluge: Wikipedia Commons
Jezgra atoma helija-4 identična je alfa čestici, dva vezana protona i neutrona koji nastaju u procesu alfa raspada (gdje se element raspada, oslobađajući masu i postaje nešto drugo). Inertnost helija je posljedica stabilnosti i niske energije njegovog stanja oblaka elektrona, gdje svi njegovi elektroni u potpunosti zauzimaju 1s orbitale u parovima, niti jedna nema kutni moment i svaki poništava unutarnji spin drugog.
Ova stabilnost također objašnjava nedostatak međusobnog međudjelovanja atoma helija, što dovodi do jedne od najnižih točaka taljenja i vrelišta svih elemenata.
Povijest korištenja:
Neko vrijeme vjerovalo se da helij postoji samo na Suncu. Međutim, 1882. talijanski fizičar Luigi Palmieri otkrio je helij na Zemlji kada je analizirao lavu s Vezuva nakon što je iste godine eruptirala. A 1895. godine, dok je tragao za argonom, škotski kemičar Sir William Ramsay uspio je izolirati helij tretirajući uzorak kleveita mineralnim kiselinama. Nakon obrade elementa sumpornom kiselinom, primijetio je istu apsorpcijsku liniju D3.
Ramsey je poslao uzorke plina Sir Williamu Crookesu i Sir Normanu Lockyeru, koji su potvrdili da se radi o heliju. Neovisno su ga izolirali od kleveita iste godine od strane kemičara Per Teodora Clevea i Abrahama Langleta u Uppsali u Švedskoj, koji su uspjeli točno odrediti njegovu atomsku težinu. Tijekom sljedećih nekoliko godina slični eksperimenti dali su iste rezultate.
3D shema atoma helija. Zasluge: Wikipedia Commons/BruceBlaus
U narednim godinama otkriveno je nekoliko zanimljivih svojstava helija. Godine 1907. Ernest Rutherford i Thomas Royds demonstrirali su da je alfa čestica zapravo jezgra helija. Godine 1908. helij je prvi ukapnio nizozemski fizičar Heike Kamerlingh Onnes hlađenjem plina na manje od jednog kelvina. Element je na kraju učvrstio 1926. njegov učenik Willem Hendrik Keesom, koji je podvrgao element pritisku od 25 atmosfera.
Helij je bio jedan od prvih elemenata za koje je otkriveno da imaju superfluidnost. Godine 1938. ruski fizičar Pyotr Leonidovich Kapitsa otkrio je da helij-4 nema gotovo nikakvu viskoznost na temperaturama blizu apsolutne nule (superfluidnost). Godine 1972. isti su fenomen u heliju-3 primijetili američki fizičari Douglas D. Osheroff, David M. Lee i Robert C. Richardson.
Moderna upotreba:
Danas se helij plin koristi u širokom rasponu industrijskih, komercijalnih i rekreacijskih primjena. Najpoznatiji je možda let, gdje plin helij (koji je lakši od zraka) prirodno osigurava uzgon zračnim brodovima i balonima. U usporedbi s vodikom, koji se također koristio u zračnim brodovima, helij ima dodatnu prednost jer je nezapaljiv i otporan na vatru.
Zbog svojih jedinstvenih svojstava – koja uključuju nisku točku vrelišta, nisku gustoću, nisku topljivost, visoku toplinsku vodljivost i inertnost – helij se koristi za širok raspon znanstvenih i medicinskih primjena. Najveća upotreba je u kriogenim aplikacijama, gdje tekući helij djeluje kao rashladno sredstvo za supravodljive magnete u MRI skenerima i spektrometrima.
Veliki hadronski sudarač u CERN-u. Zasluga: CERN/LHC
Druga upotreba je u raketnoj industriji, gdje se helij koristi kao pufer za istiskivanje goriva i oksidatora u spremnicima. Također se koristi za kondenzaciju vodika i kisika u raketno gorivo i prethodno hlađenje tekućeg vodika u svemirskim vozilima. The Veliki hadronski sudarač u CERN-u se također oslanja na tekući helij za održavanje konstantne temperature od 1,9 kelvina.
Zahvaljujući iznimno niskom indeksu loma i načinu na koji smanjuje narušavanje utjecaja temperaturnih varijacija, helij se također koristi u solarnim teleskopima, plinskoj kromatografiji, te u “helijskom datiranju” – tj. određivanju starosti stijena koje sadrže radioaktivne tvari (npr. uran i torij). Osim svoje inertnosti, toplinskih svojstava, velike brzine zvuka i visoke vrijednosti omjera toplinskog kapaciteta, također se koristi u nadzvučnim aerotunelima i postrojenjima za aerodinamička ispitivanja. Također se koristi u lučnom zavarivanju i za industrijsko otkrivanje curenja.
Napisali smo mnogo zanimljivih članaka vezanih za helij ovdje na Universe Today. evo Spajanje bijelih patuljaka stvara helijeve zvijezde , i Mogu li Jupiter i Saturn sadržavati helij u tekućem metalu .
Astronomy Cast također ima dobru epizodu na tu temu – Epizoda 139: Energetske razine i spektri .
