¿Quién descubrió el helio?

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

Aunque tendemos a pensar en el helio como el hilarante gas 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 es también uno de los principales componentes de los gigantes gaseosos. Esto se debe, en parte, a su altísima energía de enlace nuclear, además de que se produce tanto por fusión nuclear como por desintegración radiactiva. Y, sin embargo, los científicos sólo conocen su existencia desde finales del siglo XIX.

Descubrimiento y denominación:

La primera evidencia del helio fue obtenida el 18 de agosto de 1868 por el astrónomo francés Jules Janssen. Mientras se encontraba en Guntur (India), Janssen observó un eclipse de sol a través de un prisma, tras lo cual observó una línea espectral amarilla brillante (a 587,49 nanómetros) que emanaba de la cromosfera del Sol. En ese momento, creyó que se trataba de sodio, ya que estaba próxima 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 denominó línea Fraunhofer D3) que concluyó que estaba causada por un elemento desconocido en el Sol. Lockyer y el químico inglés Edward Frankland bautizaron el elemento como helios, en honor a la palabra griega que designa al Sol.

Características:

El helio es el segundo átomo más simple en cuanto a su modelo atómico, después del hidrógeno. Está formado por 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 entre 10 segundos y 20 minutos después del Big Bang, se caracterizó por la producción de núcleos distintos al isótopo más ligero del hidrógeno (es decir, el hidrógeno-1. que tiene un solo protón y núcleo).

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

El núcleo del átomo de helio-4 es idéntico al de una partícula alfa, dos protones y neutrones unidos que se producen en el proceso de desintegración alfa (en el que un elemento decae, liberando masa y convirtiéndose en otra cosa). La inercia del helio se debe a la estabilidad y baja energía de su estado de nube electrónica, 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 de fusión y ebullición más bajos de todos los elementos.

Historia de uso:

Durante algún tiempo, se creyó que el helio sólo existía en el Sol. Sin embargo, en 1882, el físico italiano Luigi Palmieri detectó helio en la Tierra al analizar la lava del monte Vesubio tras su erupción de ese año. Y en 1895, mientras buscaba el argón, el químico escocés Sir William Ramsay consiguió aislar el helio tratando una muestra de cleveíta con ácidos minerales. Después de tratar el elemento con ácido sulfúrico, observó la misma línea de absorción D3.

Ramsey envió muestras del gas a Sir William Crookes y Sir Norman Lockyer, quienes verificaron que se trataba de helio. Ese mismo año, los químicos Per Teodor Cleve y Abraham Langlet lo aislaron independientemente de la cleveíta, en Uppsala (Suecia), y pudieron determinar con precisión su peso atómico. En el transcurso de los años siguientes, experimentos similares dieron 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 físico holandés Heike Kamerlingh Onnes licuó por primera vez el helio enfriando el gas a menos de un kelvin. El elemento fue finalmente solidificado en 1926 por su alumno Willem Hendrik Keesom, que sometió el elemento a 25 atmósferas de presión.

El helio fue uno de los primeros elementos en los que se encontró 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, los físicos estadounidenses Douglas D. Osheroff, David M. Lee y Robert C. Richardson observaron el mismo fenómeno en el helio-3.

Usos modernos:

Hoy en día, el gas helio se utiliza en una amplia gama de aplicaciones industriales, comerciales y recreativas. La más conocida es quizás el vuelo, donde el gas helio (al ser más ligero que el aire) proporciona naturalmente flotabilidad a los dirigibles y globos. En comparación con el hidrógeno, que también se utilizaba en los dirigibles, el helio tiene la ventaja añadida de ser no inflamable y retardante del fuego.

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 es en aplicaciones criogénicas, donde el helio líquido actúa como refrigerante para los imanes superconductores de los escáneres de resonancia magnética y los espectrómetros.

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

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

Hemos escrito muchos artículos interesantes relacionados con el Helio aquí en Universo Hoy. Aquí está La fusión de enanas blancas crea 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.