Chi ha scoperto l’elio?

Gli scienziati hanno capito da tempo che gli elementi più abbondanti nell’Universo sono gas semplici come l’idrogeno e l’elio. Questi costituiscono la stragrande maggioranza della sua massa osservabile, facendo scomparire tutti gli elementi più pesanti messi insieme (e con un ampio margine). E tra i due, l’elio è il secondo elemento più leggero e più abbondante, essendo presente in circa il 24% della massa elementare dell’Universo osservabile.

Sebbene tendiamo a pensare all’elio come al gas divertente che fa cose strane alla voce e permette ai palloncini di galleggiare, in realtà è una parte fondamentale della nostra esistenza. Oltre ad essere un componente chiave delle stelle, l’elio è anche uno dei principali costituenti dei giganti gassosi. Questo è dovuto in parte alla sua altissima energia di legame nucleare, oltre al fatto che viene prodotto sia dalla fusione nucleare che dal decadimento radioattivo. Eppure, gli scienziati sono a conoscenza della sua esistenza solo dalla fine del XIX secolo.

Scoperta e denominazione:

La prima prova dell’elio fu ottenuta il 18 agosto 1868 dall’astronomo francese Jules Janssen. Mentre si trovava a Guntur, in India, Janssen osservò un’eclissi solare attraverso un prisma, dove notò una linea spettrale giallo brillante (a 587,49 nanometri) che emanava dalla cromosfera del Sole. All’epoca, credeva si trattasse di sodio, poiché era prossima alle linee D1 e D2 di Fraunhofer.

Il 20 ottobre dello stesso anno, l’astronomo inglese Norman Lockyer ha osservato una linea gialla nello spettro solare (che ha chiamato linea D3 Fraunhofer) che ha concluso essere causata da un elemento sconosciuto nel Sole. Lockyer e il chimico inglese Edward Frankland chiamarono l’elemento helios, dalla parola greca per il Sole.

Caratteristiche:

L’elio è il secondo atomo più semplice per quanto riguarda il suo modello atomico, dopo l’idrogeno. Consiste in un nucleo di due protoni e neutroni, e due elettroni in orbite atomiche. La forma più comune è Elio-4, che si crede essere il prodotto della nucleosintesi del Big Bang. Questo evento, che è durato da 10 secondi a 20 minuti dopo il Big Bang, è stato caratterizzato dalla produzione di nuclei diversi dall’isotopo più leggero dell’idrogeno (cioè l’idrogeno-1. che ha un solo protone e nucleo).

Si ritiene che questo evento abbia prodotto la maggior parte dell’elio-4, insieme a piccole quantità di isotopi di idrogeno, elio e litio. Tutti gli altri elementi più pesanti sono stati creati molto più tardi, come risultato della nucleosintesi stellare. Grandi quantità di nuovo elio vengono create continuamente attraverso questo stesso processo, in cui il calore e la pressione nel nucleo delle stelle fanno fondere gli atomi di idrogeno.

Il nucleo dell’atomo di elio-4 è identico a una particella alfa, due protoni e neutroni legati che vengono prodotti nel processo di decadimento alfa (dove un elemento decade, rilasciando massa e diventando qualcos’altro). L’inerzia dell’elio è dovuta alla stabilità e alla bassa energia del suo stato di nuvola elettronica, dove tutti i suoi elettroni occupano completamente gli orbitali 1s in coppia, nessuno possiede momento angolare e ciascuno annulla lo spin intrinseco dell’altro.

Questa stabilità spiega anche la mancanza di interazione degli atomi di elio tra di loro, che porta ad uno dei punti di fusione e di ebollizione più bassi di tutti gli elementi.

Storia dell’uso:

Per un certo tempo, si credeva che l’elio esistesse solo nel Sole. Tuttavia, nel 1882, il fisico italiano Luigi Palmieri rilevò l’elio sulla Terra analizzando la lava del Vesuvio dopo la sua eruzione di quell’anno. E nel 1895, mentre cercava l’argon, il chimico scozzese Sir William Ramsay riuscì a isolare l’elio trattando un campione di cleveite con acidi minerali. Dopo aver trattato l’elemento con acido solforico, notò la stessa linea di assorbimento D3.

Ramsey inviò campioni del gas a Sir William Crookes e Sir Norman Lockyer, che verificarono che si trattava di elio. Fu isolato indipendentemente dalla cleveite lo stesso anno dai chimici Per Teodor Cleve e Abraham Langlet a Uppsala, in Svezia, che furono in grado di determinarne con precisione il peso atomico. Nel corso degli anni successivi, esperimenti simili diedero gli stessi risultati.

Diverse proprietà interessanti dell’elio furono scoperte negli anni successivi. Nel 1907, Ernest Rutherford e Thomas Royds dimostrarono che una particella alfa è in realtà un nucleo di elio. Nel 1908, l’elio fu liquefatto per la prima volta dal fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes raffreddando il gas a meno di un kelvin. L’elemento fu infine solidificato nel 1926 dal suo studente Willem Hendrik Keesom, che sottopose l’elemento a 25 atmosfere di pressione.

L’elio fu uno dei primi elementi ad essere scoperto ad avere superfluidità. Nel 1938, il fisico russo Pyotr Leonidovich Kapitsa scoprì che l’elio-4 non ha quasi nessuna viscosità a temperature vicine allo zero assoluto (superfluidità). Nel 1972, lo stesso fenomeno fu osservato nell’elio-3 dai fisici americani Douglas D. Osheroff, David M. Lee e Robert C. Richardson.

Usi moderni:

Oggi il gas elio è usato in una vasta gamma di applicazioni industriali, commerciali e ricreative. La più nota è forse il volo, dove il gas elio (essendo più leggero dell’aria) fornisce naturalmente il galleggiamento a dirigibili e palloni. Rispetto all’idrogeno, anch’esso usato nei dirigibili, l’elio ha il vantaggio aggiuntivo di essere non infiammabile e ignifugo.

Grazie alle sue proprietà uniche – che includono un basso punto di ebollizione, bassa densità, bassa solubilità, alta conducibilità termica e inerzia – l’elio è usato per una vasta gamma di applicazioni scientifiche e mediche. L’uso maggiore è nelle applicazioni criogeniche, dove l’elio liquido funge da refrigerante per i magneti superconduttori negli scanner MRI e negli spettrometri.

Un altro uso è nella missilistica, dove l’elio è usato come tampone per spostare il carburante e gli ossidanti nei serbatoi di stoccaggio. Viene anche usato per condensare l’idrogeno e l’ossigeno in carburante per razzi e per pre-raffreddare l’idrogeno liquido nei veicoli spaziali. Anche il Large Hadron Collider del CERN si basa sull’elio liquido per mantenere una temperatura costante di 1,9 kelvin.

Grazie al suo bassissimo indice di rifrazione e al modo in cui riduce gli effetti distorsivi delle variazioni di temperatura, l’elio è usato anche nei telescopi solari, nella gascromatografia e nella “datazione dell’elio” – cioè la determinazione dell’età delle rocce che contengono sostanze radioattive (come l’uranio e il torio). Oltre alla sua inerzia, alle sue proprietà termiche, all’alta velocità del suono e all’alto valore del rapporto di capacità termica, è anche usato nelle gallerie del vento supersonico e negli impianti di prova aerodinamica. È anche usato nella saldatura ad arco e per il rilevamento di perdite industriali.

Abbiamo scritto molti articoli interessanti relativi all’elio qui a Universe Today. Ecco come le nane bianche che si fondono creano stelle di elio e come Giove e Saturno potrebbero contenere elio in metallo liquido.

Astronomy Cast ha anche un buon episodio sull’argomento – Episodio 139: Livelli di energia e spettri.