Los científicos han entendido durante algún tiempo que los elementos más abundantes en el Universo son gases simples como el hidrógeno y el helio. Estos constituyen la gran mayoría de su masa observable, eclipsando todos los elementos más pesados combinados (y por un amplio margen). Y entre los dos, el helio es el segundo elemento más ligero y el segundo más abundante, estando presente en aproximadamente el 24% de la masa elemental del Universo observable.

Mientras que tendemos a pensar en el helio como el gas hilarante que hace cosas extrañas a tu voz y permite que los globos floten, en realidad es una parte crucial de nuestra existencia. Además de ser un componente clave de las estrellas, el helio también es un componente importante en los gigantes gaseosos. Esto se debe en parte a su muy alta energía de unión nuclear, además del hecho de que se produce tanto por fusión nuclear como por desintegración radiactiva. Y, sin embargo, los científicos solo han sido conscientes de su existencia desde finales del siglo XIX.

Descubrimiento y denominación:

La primera evidencia de helio fue obtenida el 18 de agosto de 1868 por el astrónomo francés Jules Janssen. Mientras estaba en Guntur, India, Janssen observó un eclipse solar a través de un prisma, con lo cual notó una línea espectral de color amarillo brillante (a 587,49 nanómetros) que emanaba de la cromosfera del Sol. En ese momento, creía que era sodio, ya que estaba próximo a las líneas Fraunhofer D1 y D2.

El 20 de octubre de ese mismo año, el astrónomo inglés Norman Lockyer observó una línea amarilla en el espectro solar (a la que llamó la línea Fraunhofer D3) que concluyó que fue causada por un elemento desconocido en el Sol. Lockyer y el químico inglés Edward Frankland llamaron al elemento helios, por la palabra griega para el Sol.

Características:

El helio es el segundo átomo más simple en su modelo atómico, después del hidrógeno. Consiste en un núcleo de dos protones y neutrones, y dos electrones en órbitas atómicas. La forma más común es el Helio-4, que se cree que es el producto de la nucleosíntesis del Big Bang. Este evento, que duró de 10 segundos a 20 minutos después del Big Bang, se caracterizó por la producción de núcleos distintos del isótopo de hidrógeno más ligero (es decir, hidrógeno-1). que tiene un único protón y núcleo).

Se cree que este evento produjo la mayoría del helio-4, junto con pequeñas cantidades de isótopos de hidrógeno, helio y litio. Todos los demás elementos más pesados se crearon mucho más tarde, como resultado de la nucleosíntesis estelar. Se crean grandes cantidades de helio nuevo todo el tiempo a través de este mismo proceso, donde el calor y la presión en el núcleo de las estrellas están causando que los átomos de hidrógeno se fusionen.

El núcleo del átomo de helio-4 es idéntico a una partícula alfa, dos protones y neutrones unidos que se producen en el proceso de desintegración alfa (donde un elemento se descompone, liberando masa y convirtiéndose en algo más). La inercia del helio se debe a la estabilidad y la baja energía de su estado de nube de electrones, donde todos sus electrones ocupan completamente orbitales 1s en pares, ninguno posee momento angular y cada uno cancela el espín intrínseco del otro.

Esta estabilidad también explica la falta de interacción de los átomos de helio entre sí, lo que conduce a uno de los puntos más bajos de fusión y ebullición de todos los elementos.

Historia de uso:

Durante algún tiempo, se creía que el helio existía solo en el Sol. Sin embargo, en 1882, el físico italiano Luigi Palmieri detectó helio en la Tierra al analizar la lava del Monte Vesubio después de que estallara en ese año. Y en 1895, mientras buscaba argón, el químico escocés Sir William Ramsay logró aislar el helio tratando una muestra de cleveita con ácidos minerales. Después de tratar el elemento con ácido sulfúrico, notó la misma línea de absorción D3.

Ramsey envió muestras del gas a Sir William Crookes y Sir Norman Lockyer, quienes verificaron que era helio. Fue aislado independientemente de cleveite el mismo año por los químicos Per Teodor Cleve y Abraham Langlet en Uppsala, Suecia, que fueron capaces de determinar con precisión su peso atómico. En el transcurso de los años siguientes, experimentos similares arrojaron los mismos resultados.

En los años siguientes se descubrieron varias propiedades interesantes del helio. En 1907, Ernest Rutherford y Thomas Royds demostraron que una partícula alfa es en realidad un núcleo de helio. En 1908, el helio fue licuado por primera vez por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes enfriando el gas a menos de un kelvin. El elemento fue solidificado en 1926 por su alumno Willem Hendrik Keesom, quien sometió el elemento a 25 atmósferas de presión.

El helio fue uno de los primeros elementos que se encontraron con superfluidez. En 1938, el físico ruso Piotr Leonidovich Kapitsa descubrió que el helio-4 casi no tiene viscosidad a temperaturas cercanas al cero absoluto (superfluidez). En 1972, el mismo fenómeno fue observado en el helio-3 por los físicos estadounidenses Douglas D. Osheroff, David M. Lee y Robert C. Richardson.

Usos Modernos:

Hoy en día, el gas de helio se utiliza en una amplia gama de aplicaciones industriales, comerciales y recreativas. El más conocido es quizás el vuelo, donde el gas de helio (que es más liviano que el aire) proporciona flotabilidad natural para dirigibles y globos. En comparación con el hidrógeno, que también se usaba en dirigibles, el helio tiene el beneficio adicional de ser no inflamable e ignífugo.

Debido a sus propiedades únicas, que incluyen un bajo punto de ebullición, baja densidad, baja solubilidad, alta conductividad térmica e inercia, el helio se utiliza para una amplia gama de aplicaciones científicas y médicas. El mayor uso se da en aplicaciones criogénicas, donde el helio líquido actúa como refrigerante para imanes superconductores en escáneres y espectrómetros de RMN.

Otro uso es en cohetería, donde el helio se usa como amortiguador para desplazar combustible y oxidantes en tanques de almacenamiento. También se utiliza para condensar hidrógeno y oxígeno en combustible para cohetes e hidrógeno líquido preenfriado en vehículos espaciales. El Gran Colisionador de Hadrones del CERN también utiliza helio líquido para mantener una temperatura constante de 1,9 kelvin.

Gracias a su índice de refracción extremadamente bajo y la forma en que reduce los efectos de distorsión de la variación de temperatura, el helio también se usa en telescopios solares, cromatografía de gases y en «datación por helio», es decir, para determinar la edad de rocas que contienen sustancias radiactivas (como uranio y torio). Además de su inercia, sus propiedades térmicas, la alta velocidad del sonido y el alto valor de la ración de capacidad calorífica, también se utiliza en túneles de viento supersónicos e instalaciones de pruebas aerodinámicas. También se utiliza en soldadura por arco y para la detección de fugas industriales.

Hemos escrito muchos artículos interesantes relacionados con el helio aquí en Universe Today. Aquí están Las Enanas Blancas Fusionadas Que Crean Estrellas de Helio, y Podrían Júpiter y Saturno Contener Helio Metálico Líquido.

Astronomy Cast también tiene un buen episodio sobre el tema-Episodio 139: Niveles de energía y Espectros.