Wissenschaftler haben seit einiger Zeit verstanden, dass die am häufigsten vorkommenden Elemente im Universum einfache Gase wie Wasserstoff und Helium sind. Diese machen die überwiegende Mehrheit seiner beobachtbaren Masse aus und stellen alle schwereren Elemente zusammen (und mit großem Abstand) in den Schatten. Und zwischen den beiden ist Helium das zweitleichteste und am zweithäufigsten vorkommende Element, das in etwa 24% der Elementmasse des beobachtbaren Universums vorhanden ist.

Während wir dazu neigen, Helium als das urkomische Gas zu betrachten, das seltsame Dinge mit Ihrer Stimme macht und Ballons schweben lässt, ist es tatsächlich ein entscheidender Teil unserer Existenz. Helium ist nicht nur eine Schlüsselkomponente von Sternen, sondern auch ein Hauptbestandteil von Gasriesen. Dies ist zum Teil auf seine sehr hohe Kernbindungsenergie zurückzuführen, plus die Tatsache, dass es sowohl durch Kernfusion als auch durch radioaktiven Zerfall erzeugt wird. Und doch wissen Wissenschaftler erst seit dem späten 19.

Entdeckung und Benennung:

Der erste Nachweis von Helium wurde am 18.August 1868 vom französischen Astronomen Jules Janssen erbracht. In Guntur, Indien, beobachtete Janssen eine Sonnenfinsternis durch ein Prisma, woraufhin er eine hellgelbe Spektrallinie (bei 587,49 Nanometern) bemerkte, die von der Chromosphäre der Sonne ausging. Zu dieser Zeit glaubte er, es sei Natrium, da es sich in der Nähe der Fraunhofer-Linien D1 und D2 befand.

Am 20.Oktober desselben Jahres beobachtete der englische Astronom Norman Lockyer eine gelbe Linie im Sonnenspektrum (die er die D3-Fraunhofer-Linie nannte), von der er schloss, dass sie durch ein unbekanntes Element in der Sonne verursacht wurde. Lockyer und der englische Chemiker Edward Frankland nannten das Element Helios, nach dem griechischen Wort für die Sonne.

Eigenschaften:

Helium ist nach Wasserstoff das zweiteinfachste Atom, wenn es um sein Atommodell geht. Es besteht aus einem Kern aus zwei Protonen und Neutronen und zwei Elektronen in Atombahnen. Die häufigste Form ist Helium-4, von dem angenommen wird, dass es das Produkt der Urknall-Nukleosynthese ist. Dieses Ereignis, das 10 Sekunden bis 20 Minuten nach dem Urknall dauerte, war durch die Produktion anderer Kerne als des leichtesten Wasserstoffisotops (d. H. Wasserstoff-1) gekennzeichnet. welches ein einzelnes Proton und einen Kern hat).Es wird angenommen, dass dieses Ereignis den Großteil von Helium-4 zusammen mit kleinen Mengen der Wasserstoff-, Helium- und Lithiumisotope produziert hat. Alle anderen schwereren Elemente wurden viel später als Ergebnis der stellaren Nukleosynthese erzeugt. Große Mengen an neuem Helium werden ständig durch denselben Prozess erzeugt, bei dem die Hitze und der Druck im Kern der Sterne dazu führen, dass Wasserstoffatome verschmelzen.

Der Kern des Helium-4-Atoms ist identisch mit einem Alphateilchen, zwei gebundenen Protonen und Neutronen, die während des Alpha-Zerfalls entstehen (wobei ein Element zerfällt, Masse freisetzt und zu etwas anderem wird). Die Trägheit von Helium beruht auf der Stabilität und niedrigen Energie seines Elektronenwolkenzustands, in dem alle seine Elektronen paarweise 1s-Orbitale vollständig besetzen, wobei keines einen Drehimpuls besitzt und jedes den intrinsischen Spin des anderen aufhebt.

Diese Stabilität erklärt auch die fehlende Wechselwirkung der Heliumatome miteinander, was zu einem der niedrigsten Schmelz- und Siedepunkte aller Elemente führt.

Verwendungsgeschichte:

Für einige Zeit glaubte man, dass Helium nur in der Sonne existiert. Im Jahr 1882 entdeckte der italienische Physiker Luigi Palmieri Helium auf der Erde, als er Lava vom Vesuv analysierte, nachdem er in diesem Jahr ausgebrochen war. Und 1895 gelang es dem schottischen Chemiker Sir William Ramsay auf der Suche nach Argon, Helium zu isolieren, indem er eine Probe Cleveit mit Mineralsäuren behandelte. Nachdem er das Element mit Schwefelsäure behandelt hatte, bemerkte er die gleiche D3-Absorptionslinie.Ramsey schickte Proben des Gases an Sir William Crookes und Sir Norman Lockyer, die bestätigten, dass es sich um Helium handelte. Es wurde im selben Jahr von den Chemikern Per Teodor Cleve und Abraham Langlet in Uppsala, Schweden, unabhängig von Cleveit isoliert, die in der Lage waren, sein Atomgewicht genau zu bestimmen. Im Laufe der nächsten Jahre ergaben ähnliche Experimente die gleichen Ergebnisse.

In den folgenden Jahren wurden mehrere interessante Eigenschaften von Helium entdeckt. 1907 zeigten Ernest Rutherford und Thomas Royds, dass ein Alphateilchen tatsächlich ein Heliumkern ist. 1908 wurde Helium erstmals von der niederländischen Physikerin Heike Kamerlingh Onnes verflüssigt, indem das Gas auf weniger als ein Kelvin abgekühlt wurde. Das Element wurde schließlich 1926 von seinem Schüler Willem Hendrik Keesom verfestigt, der das Element 25 Atmosphären Druck aussetzte.

Helium war eines der ersten Elemente, das Suprafluidität aufwies. 1938 entdeckte der russische Physiker Pjotr Leonidowitsch Kapitsa, dass Helium-4 bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (Suprafluidität) fast keine Viskosität aufweist. 1972 wurde das gleiche Phänomen in Helium-3 von den amerikanischen Physikern Douglas D. Osheroff, David M. Lee und Robert C. Richardson beobachtet.

Moderne Anwendungen:

Heliumgas wird heute in einer Vielzahl von industriellen, kommerziellen und Freizeitanwendungen eingesetzt. Das bekannteste ist vielleicht der Flug, bei dem Heliumgas (das leichter als Luft ist) natürlich Auftrieb für Luftschiffe und Ballons bietet. Im Vergleich zu Wasserstoff, der auch in Luftschiffen verwendet wurde, hat Helium den zusätzlichen Vorteil, nicht brennbar und feuerhemmend zu sein.Aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften – zu denen ein niedriger Siedepunkt, eine geringe Dichte, eine geringe Löslichkeit, eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Inertheit gehören – wird Helium für eine breite Palette von wissenschaftlichen und medizinischen Anwendungen verwendet. Die größte Verwendung findet sich in kryogenen Anwendungen, wo flüssiges Helium als Kühlmittel für supraleitende Magnete in MRT-Scannern und Spektrometern wirkt.

Eine weitere Verwendung findet sich in der Raketentechnik, wo Helium als Puffer zur Verdrängung von Brennstoff und Oxidationsmitteln in Lagertanks verwendet wird. Es wird auch verwendet, um Wasserstoff und Sauerstoff zu Raketentreibstoff zu kondensieren und flüssigen Wasserstoff in Raumfahrzeugen vorzukühlen. Der Large Hadron Collider am CERN setzt ebenfalls auf flüssiges Helium, um eine konstante Temperatur von 1,9 Kelvin aufrechtzuerhalten.Dank seines extrem niedrigen Brechungsindex und der Art und Weise, wie es die verzerrenden Effekte von Temperaturschwankungen reduziert, wird Helium auch in Sonnenteleskopen, in der Gaschromatographie und bei der „Heliumdatierung“ verwendet – d. H. Bei der Bestimmung des Alters von Gesteinen, die radioaktive Substanzen enthalten (wie Uran und Thorium). Neben seiner Trägheit, seinen thermischen Eigenschaften, seiner hohen Schallgeschwindigkeit und dem hohen Wert des Wärmekapazitätsrations wird es auch in Überschallwindkanälen und aerodynamischen Testeinrichtungen eingesetzt. Es wird auch beim Lichtbogenschweißen und zur industriellen Lecksuche eingesetzt.

Wir haben viele interessante Artikel über Helium hier bei Universe Today geschrieben. Hier verschmelzen weiße Zwerge zu Heliumsternen, und Jupiter und Saturn könnten flüssiges Metallhelium enthalten.Astronomy Cast hat auch eine gute Episode zu diesem Thema – Episode 139: Energieniveaus und Spektren.