Qui a découvert l’hélium ?

Les scientifiques ont compris depuis un certain temps que les éléments les plus abondants dans l’Univers sont des gaz simples comme l’hydrogène et l’hélium. Ceux-ci constituent la grande majorité de sa masse observable, éclipsant tous les éléments plus lourds réunis (et de loin). Et entre les deux, l’hélium est le deuxième élément le plus léger et le deuxième plus abondant, étant présent dans environ 24% de la masse élémentaire observable de l’Univers.

Alors que nous avons tendance à considérer l’hélium comme le gaz hilarant qui fait des choses étranges à votre voix et permet aux ballons de flotter, il est en fait un élément crucial de notre existence. En plus d’être un élément clé des étoiles, l’hélium est également un constituant majeur des géantes gazeuses. Cela est dû en partie à sa très haute énergie de liaison nucléaire, ainsi qu’au fait qu’il est produit à la fois par fusion nucléaire et par désintégration radioactive. Et pourtant, les scientifiques ne connaissent son existence que depuis la fin du 19e siècle.

Découverte et dénomination:

La première preuve de l’existence de l’hélium a été obtenue le 18 août 1868 par l’astronome français Jules Janssen. Alors qu’il se trouvait à Guntur, en Inde, Janssen a observé une éclipse solaire à travers un prisme, à la suite de quoi il a remarqué une ligne spectrale jaune vif (à 587,49 nanomètres) émanant de la chromosphère du Soleil. À l’époque, il pensait qu’il s’agissait de sodium, car elle était proche des lignes de Fraunhofer D1 et D2.

Le 20 octobre de la même année, l’astronome anglais Norman Lockyer observe une ligne jaune dans le spectre solaire (qu’il nomme la ligne D3 de Fraunhofer) dont il conclut qu’elle est causée par un élément inconnu dans le Soleil. Lockyer et le chimiste anglais Edward Frankland ont nommé l’élément hélios, d’après le mot grec désignant le Soleil.

Caractéristiques:

L’hélium est le deuxième atome le plus simple en ce qui concerne son modèle atomique, après l’hydrogène. Il est constitué d’un noyau de deux protons et neutrons, et de deux électrons sur des orbites atomiques. La forme la plus courante est l’hélium 4, qui serait le produit de la nucléosynthèse du Big Bang. Cet événement, qui a duré de 10 secondes à 20 minutes après le Big Bang, a été caractérisé par la production de noyaux autres que l’isotope le plus léger de l’hydrogène (c’est-à-dire l’hydrogène-1. qui possède un seul proton et un seul noyau).

On pense que cet événement a produit la majorité de l’hélium-4, ainsi que de petites quantités des isotopes de l’hydrogène, de l’hélium et du lithium. Tous les autres éléments plus lourds ont été créés bien plus tard, à la suite de la nucléosynthèse stellaire. De grandes quantités de nouvel hélium sont créées en permanence par ce même processus, où la chaleur et la pression au cœur des étoiles provoquent la fusion des atomes d’hydrogène.

Le noyau de l’atome d’hélium-4 est identique à une particule alpha, deux protons et neutrons liés qui sont produits dans le processus de désintégration alpha (où un élément se désintègre, libérant de la masse et devenant autre chose). L’inertie de l’hélium est due à la stabilité et à la faible énergie de son état de nuage électronique, où tous ses électrons occupent pleinement les orbitales 1s par paires, aucun ne possédant de moment angulaire et chacun annulant le spin intrinsèque de l’autre.

Cette stabilité explique également l’absence d’interaction des atomes d’hélium entre eux, ce qui conduit à l’un des points de fusion et d’ébullition les plus bas de tous les éléments.

Histoire de l’utilisation :

Pendant un certain temps, on a cru que l’hélium n’existait que dans le Soleil. Cependant, en 1882, le physicien italien Luigi Palmieri a détecté de l’hélium sur Terre en analysant la lave du mont Vésuve après son éruption cette année-là. Et en 1895, alors qu’il cherchait de l’argon, le chimiste écossais Sir William Ramsay a réussi à isoler de l’hélium en traitant un échantillon de clévéite avec des acides minéraux. Après avoir traité l’élément avec de l’acide sulfurique, il a remarqué la même ligne d’absorption D3.

Ramsey a envoyé des échantillons du gaz à Sir William Crookes et Sir Norman Lockyer, qui ont vérifié qu’il s’agissait d’hélium. Il a été isolé indépendamment de la clévéite la même année par les chimistes Per Teodor Cleve et Abraham Langlet à Uppsala, en Suède, qui ont pu déterminer avec précision son poids atomique. Au cours des années suivantes, des expériences similaires ont donné les mêmes résultats.

Plusieurs propriétés intéressantes de l’hélium ont été découvertes dans les années qui ont suivi. En 1907, Ernest Rutherford et Thomas Royds ont démontré qu’une particule alpha est en fait un noyau d’hélium. En 1908, l’hélium a été liquéfié pour la première fois par la physicienne néerlandaise Heike Kamerlingh Onnes en refroidissant le gaz à moins d’un kelvin. L’élément a finalement été solidifié en 1926 par son élève Willem Hendrik Keesom, qui l’a soumis à une pression de 25 atmosphères.

L’hélium a été l’un des premiers éléments dont on a constaté la superfluidité. En 1938, le physicien russe Pyotr Leonidovich Kapitsa a découvert que l’hélium-4 n’a presque aucune viscosité à des températures proches du zéro absolu (superfluidité). En 1972, le même phénomène a été observé dans l’hélium-3 par les physiciens américains Douglas D. Osheroff, David M. Lee et Robert C. Richardson.

Utilisations modernes:

Aujourd’hui, l’hélium gazeux est utilisé dans un large éventail d’applications industrielles, commerciales et récréatives. La plus connue est peut-être le vol, où le gaz hélium (étant plus léger que l’air) assure naturellement la flottabilité des dirigeables et des ballons. Par rapport à l’hydrogène, qui était également utilisé dans les dirigeables, l’hélium présente l’avantage supplémentaire d’être ininflammable et ignifuge.

En raison de ses propriétés uniques – qui comprennent un faible point d’ébullition, une faible densité, une faible solubilité, une conductivité thermique élevée et une inertie – l’hélium est utilisé pour un large éventail d’applications scientifiques et médicales. La plus grande utilisation concerne les applications cryogéniques, où l’hélium liquide sert de liquide de refroidissement pour les aimants supraconducteurs des scanners IRM et des spectromètres.

Une autre utilisation se fait dans la fusée, où l’hélium est utilisé comme tampon pour déplacer le carburant et les oxydants dans les réservoirs de stockage. Il est également utilisé pour condenser l’hydrogène et l’oxygène en carburant pour fusée et prérefroidir l’hydrogène liquide dans les véhicules spatiaux. Le grand collisionneur de hadrons du CERN s’appuie également sur l’hélium liquide pour maintenir une température constante de 1,9 kelvin.

Grâce à son indice de réfraction extrêmement faible et à la façon dont il réduit les effets déformants des variations de température, l’hélium est également utilisé dans les télescopes solaires, la chromatographie en phase gazeuse et la « datation à l’hélium », c’est-à-dire la détermination de l’âge des roches qui contiennent des substances radioactives (comme l’uranium et le thorium). Outre son inertie, ses propriétés thermiques, sa grande vitesse du son et la valeur élevée de son rapport de capacité thermique, il est également utilisé dans les souffleries supersoniques et les installations d’essais aérodynamiques. Il est également utilisé dans la soudure à l’arc et pour la détection des fuites industrielles.

Nous avons écrit de nombreux articles intéressants liés à l’hélium ici à Universe Today. Voici Des naines blanches en fusion créent des étoiles à l’hélium, et Jupiter et Saturne pourraient-ils contenir de l’hélium métallique liquide.

Astronomy Cast a également un bon épisode sur le sujet – Épisode 139 : niveaux d’énergie et spectres.

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