forskere har i nogen tid forstået, at de mest rigelige elementer i universet er enkle gasser som hydrogen og helium. Disse udgør langt størstedelen af dens observerbare masse og dværger alle de tungere elementer kombineret (og med en bred margin). Og mellem de to er helium det næst letteste og næstmest forekommende element, der er til stede i omkring 24% af det observerbare universs elementære masse.

mens vi har tendens til at tænke på Helium som den sjove gas, der gør mærkelige ting til din stemme og tillader balloner at flyde, er det faktisk en afgørende del af vores eksistens. Ud over at være en nøglekomponent i stjerner er helium også en vigtig bestanddel i gasgiganter. Dette skyldes til dels dens meget høje nukleare bindende energi, plus det faktum, der produceres ved både nuklear fusion og radioaktivt henfald. Og alligevel har forskere kun været opmærksomme på dets eksistens siden slutningen af det 19.århundrede.

opdagelse og navngivning:

det første bevis på helium blev opnået den 18.August 1868 af den franske astronom Jules Janssen. Mens han var i Guntur, Indien, observerede Janssen en solformørkelse gennem et prisme, hvorpå han bemærkede en lysegul spektrallinje (ved 587, 49 nanometer), der stammer fra Solens kromosfære. På det tidspunkt troede han, at det var natrium, da det var tæt på D1-og D2 Fraunhofer-linjerne.

den 20.oktober samme år observerede den engelske astronom Norman Lockyer en gul linje i solspektret (som han kaldte D3 Fraunhofer-linjen), som han konkluderede var forårsaget af et ukendt element i solen. Lockyer og den engelske kemiker Edvard Frankland navngav elementet helios efter det græske ord for solen.

egenskaber:

Helium er det næststørste atom, når det kommer til dets atommodel, efter hydrogen. Den består af en kerne af to protoner og neutroner og to elektroner i atombaner. Den mest almindelige form er Helium-4, som menes at være et produkt af Big Bang nukleosyntese. Denne begivenhed, der varede fra 10 sekunder til 20 minutter efter Big Bang, var kendetegnet ved produktion af andre kerner end den letteste isotop af hydrogen (dvs.hydrogen-1. som har en enkelt proton og kerne).

denne begivenhed menes at have produceret størstedelen af helium-4 sammen med små mængder hydrogen -, helium-og lithiumisotoper. Alle andre tungere elementer blev skabt meget senere som et resultat af stjernens nukleosyntese. Store mængder nyt helium skabes hele tiden gennem den samme proces, hvor varmen og trykket i kernen af stjerner får brintatomer til at smelte sammen.

kernen i helium-4-atomet er identisk med en alfapartikel, to bundne protoner og neutroner, der produceres i processen med alfa-henfald (hvor et element henfalder, frigiver masse og bliver noget andet). Heliums inertitet skyldes stabiliteten og den lave energi i dets elektronskytilstand, hvor alle dets elektroner fuldt ud optager 1s orbitaler i par, ingen har vinkelmoment og hver annullerer den andres indre spin.

denne stabilitet tegner sig også for manglen på interaktion mellem heliumatomer med hinanden, hvilket fører til et af Han laveste smelte-og kogepunkter for alle elementerne.

brugshistorie:

i nogen tid blev helium antaget at eksistere kun i solen. I 1882 opdagede den italienske fysiker Luigi Palmieri imidlertid helium på jorden, da han analyserede lava fra Vesuv-bjerget, efter at det brød ud i det år. Og i 1895, mens han søgte efter argon, formåede den skotske kemiker Sir Vilhelm Ramsay at isolere helium ved at behandle en prøve af cleveite med mineralsyrer. Efter at have behandlet elementet med svovlsyre bemærkede han den samme D3-absorptionslinje.Ramsey sendte prøver af gassen til Sir Crookes og Sir Norman Lockyer, som bekræftede, at det var helium. Det blev uafhængigt isoleret fra cleveite samme år af kemikere Per Teodor Cleve og Abraham Langlet i Uppsala, Sverige, som var i stand til nøjagtigt at bestemme dets atomvægt. I løbet af de næste par år gav lignende eksperimenter de samme resultater.

flere interessante egenskaber ved helium blev opdaget i de efterfølgende år. I 1907 demonstrerede Ernest Rutherford og Thomas Royds, at en alfapartikel faktisk er en heliumkerne. I 1908 blev helium først flydende af hollandsk fysiker Heike Kamerlingh Onnes ved at afkøle gassen til mindre end en kelvin. Elementet blev til sidst størknet i 1926 af hans studerende Villem Hendrik Keesom, der udsatte elementet for 25 atmosfærer af tryk.

Helium var et af de første elementer, der viste sig at have superfluiditet. I 1938 opdagede den russiske fysiker Pyotr Leonidovich Kapitsa, at helium-4 næsten ikke har nogen viskositet ved temperaturer nær absolut nul (superfluiditet). I 1972 blev det samme fænomen observeret i helium-3 af amerikanske fysikere Douglas D. Osheroff, David M. Lee og Robert C. Richardson.

moderne anvendelser:

i dag anvendes heliumgas i en lang række industrielle, kommercielle og rekreative applikationer. Den mest kendte er måske flyvning, hvor heliumgas (som er lettere end luft) naturligt giver opdrift til luftskibe og balloner. Sammenlignet med brint, som også blev brugt i luftskibe, har helium den ekstra fordel at være ikke brandfarlig og brandhæmmende.

på grund af dets unikke egenskaber – som inkluderer et lavt kogepunkt, lav densitet, lav opløselighed, høj varmeledningsevne og inertitet – helium bruges til en lang række videnskabelige og medicinske anvendelser. Den største anvendelse er i kryogene applikationer, hvor flydende helium fungerer som kølevæske til superledende magneter i MR-scannere og spektrometre.

en anden anvendelse er i raketry, hvor helium bruges som en buffer til at fortrænge brændstof og iltningsmidler i lagertanke. Det bruges også til at kondensere brint og ilt til raketbrændstof og forkølet flydende brint i rumfartøjer. Large Hadron Collider ved CERN er også afhængig af flydende helium for at opretholde en konstant temperatur på 1,9 kelvin.

takket være dets ekstremt lave brydningsindeks og den måde, det reducerer de forvrængende virkninger af temperaturvariation, bruges helium også i solteleskoper, gaskromatografi og i “helium dating” – dvs.bestemmelse af alderen på klipper, der indeholder radioaktive stoffer (som uran og thorium). Ud over dens inertitet, dens termiske egenskaber, høj lydhastighed og den høje værdi af varmekapacitetsrationen bruges den også i supersoniske vindtunneler og aerodynamiske testfaciliteter. Det bruges også til buesvejsning og til industriel lækagedetektion.

Vi har skrevet mange interessante artikler relateret til Helium her på Universe Today. Her er fusionerende hvide dværge skaber Heliumstjerner, og kunne Jupiter og Saturn indeholde flydende Metal Helium.

astronomi Cast har også en god episode om emnet-Episode 139: energiniveauer og spektre.

ligesom indlæsning…