Kto odkrył hel?

Naukowcy od pewnego czasu rozumieją, że najobficiej występującymi pierwiastkami we Wszechświecie są gazy proste, takie jak wodór i hel. Stanowią one zdecydowaną większość obserwowalnej masy Wszechświata, karłowaciejąc wszystkie cięższe pierwiastki razem wzięte (i to z dużym marginesem). Hel jest drugim najlżejszym i drugim najobficiej występującym pierwiastkiem, obecnym w około 24% masy elementarnej obserwowalnego Wszechświata.

Gdy myślimy o helu jako o przezabawnym gazie, który robi dziwne rzeczy z twoim głosem i pozwala balonom unosić się w powietrzu, jest on w rzeczywistości kluczową częścią naszego istnienia. Oprócz tego, że jest kluczowym składnikiem gwiazd, hel jest również głównym składnikiem gazowych gigantów. Wynika to po części z jego bardzo wysokiej energii wiązania jądrowego, a także z faktu, że powstaje on zarówno w wyniku fuzji jądrowej, jak i rozpadu promieniotwórczego. A jednak naukowcy są świadomi jego istnienia dopiero od końca XIX wieku.

Odkrycie i nazwanie:

Pierwsze dowody na istnienie helu zostały uzyskane 18 sierpnia 1868 roku przez francuskiego astronoma Julesa Janssena. Podczas pobytu w Guntur, w Indiach, Janssen obserwował zaćmienie Słońca przez pryzmat, gdzie zauważył jasnożółtą linię widmową (na 587,49 nanometrów) emanującą z chromosfery Słońca. Wówczas sądził, że jest to sód, ponieważ znajdował się w pobliżu linii Fraunhofera D1 i D2.

20 października tego samego roku angielski astronom Norman Lockyer zaobserwował żółtą linię w widmie słonecznym (nazwaną przez niego linią D3 Fraunhofera), którą uznał za spowodowaną przez nieznany pierwiastek w Słońcu. Lockyer i angielski chemik Edward Frankland nazwali ten pierwiastek helios, od greckiego słowa oznaczającego Słońce.

Charakterystyka:

Hel jest drugim po wodorze najprostszym atomem, jeśli chodzi o jego model atomowy. Składa się z jądra złożonego z dwóch protonów i neutronów oraz dwóch elektronów na orbitach atomowych. Najbardziej rozpowszechnioną formą jest hel-4, który uważa się za produkt nukleosyntezy Wielkiego Wybuchu. Wydarzenie to, które trwało od 10 sekund do 20 minut po Wielkim Wybuchu, charakteryzowało się wytwarzaniem jąder innych niż najlżejszy izotop wodoru (wodór-1, który ma pojedynczy proton i jądro).

Uważa się, że wydarzenie to wytworzyło większość helu-4, wraz z niewielkimi ilościami izotopów wodoru, helu i litu. Wszystkie inne cięższe pierwiastki powstały znacznie później, w wyniku nukleosyntezy gwiezdnej. Duże ilości nowego helu powstają cały czas w tym samym procesie, w którym ciepło i ciśnienie w jądrze gwiazd powoduje fuzję atomów wodoru.

Jądro atomu helu-4 jest identyczne z cząstką alfa, dwoma związanymi protonami i neutronami, które powstają w procesie rozpadu alfa (gdzie pierwiastek rozpada się, uwalniając masę i stając się czymś innym). Obojętność helu wynika ze stabilności i niskiej energii jego stanu chmury elektronowej, gdzie wszystkie elektrony w pełni zajmują orbitale 1s w parach, żaden z nich nie posiada pędu, a każdy z nich niweluje wewnętrzny spin drugiego.

Ta stabilność odpowiada również za brak interakcji między atomami helu, co prowadzi do jednej z najniższych temperatur topnienia i wrzenia wśród wszystkich pierwiastków.

Historia użycia:

Przez pewien czas uważano, że hel występuje tylko na Słońcu. Jednak w 1882 r. włoski fizyk Luigi Palmieri wykrył hel na Ziemi podczas analizy lawy z Wezuwiusza po jego erupcji w tym samym roku. W 1895 roku szkocki chemik Sir William Ramsay, poszukując argonu, zdołał wyizolować hel poprzez potraktowanie próbki kliwerytu kwasami mineralnymi. Po potraktowaniu pierwiastka kwasem siarkowym zauważył tę samą linię absorpcji D3.

Ramsey wysłał próbki gazu do Sir Williama Crookesa i Sir Normana Lockyera, którzy sprawdzili, że jest to hel. W tym samym roku chemicy Per Teodor Cleve i Abraham Langlet w Uppsali (Szwecja) wyizolowali go z cleveitu, co pozwoliło na dokładne określenie jego masy atomowej. W ciągu następnych kilku lat podobne eksperymenty przyniosły te same wyniki.

W następnych latach odkryto kilka ciekawych właściwości helu. W 1907 r. Ernest Rutherford i Thomas Royds wykazali, że cząstka alfa jest w rzeczywistości jądrem helu. W 1908 roku holenderski fizyk Heike Kamerlingh Onnes po raz pierwszy skroplił hel, schładzając gaz do temperatury poniżej jednego kelwina. Pierwiastek został ostatecznie zestalony w 1926 r. przez jego ucznia Willema Hendrika Keesoma, który poddał go ciśnieniu 25 atmosfer.

Hel był jednym z pierwszych pierwiastków, które okazały się nadciekłe. W 1938 roku rosyjski fizyk Piotr Leonidowicz Kapica odkrył, że hel-4 nie ma prawie żadnej lepkości w temperaturach bliskich zera bezwzględnego (nadciekłość). W 1972 roku to samo zjawisko zostało zaobserwowane w przypadku helu-3 przez amerykańskich fizyków Douglasa D. Osheroffa, Davida M. Lee i Roberta C. Richardsona.

Współczesne zastosowania:

Dzisiaj hel jest używany w szerokim zakresie zastosowań przemysłowych, komercyjnych i rekreacyjnych. Najbardziej znanym z nich jest być może lot, gdzie hel (będąc lżejszym od powietrza) w naturalny sposób zapewnia pływalność sterowców i balonów. W porównaniu z wodorem, który również był wykorzystywany w sterowcach, hel ma tę dodatkową zaletę, że jest niepalny i trudnopalny.

Dzięki swoim unikalnym właściwościom – które obejmują niską temperaturę wrzenia, niską gęstość, niską rozpuszczalność, wysoką przewodność cieplną i obojętność – hel jest wykorzystywany w wielu zastosowaniach naukowych i medycznych. Największe zastosowanie znajduje w kriogenice, gdzie ciekły hel działa jako chłodziwo dla magnesów nadprzewodzących w skanerach MRI i spektrometrach.

Inne zastosowanie znajduje w rakietach, gdzie hel jest używany jako bufor do wypierania paliwa i utleniaczy w zbiornikach magazynowych. Jest on również używany do kondensacji wodoru i tlenu w paliwo rakietowe i wstępnego chłodzenia ciekłego wodoru w pojazdach kosmicznych. Wielki Zderzacz Hadronów w CERN również opiera się na ciekłym helu, aby utrzymać stałą temperaturę 1,9 kelwina.

Dzięki niezwykle niskiemu indeksowi załamania światła i temu, jak redukuje zniekształcający wpływ zmian temperatury, hel jest również wykorzystywany w teleskopach słonecznych, chromatografii gazowej i w „datowaniu helowym” – tj. określaniu wieku skał zawierających substancje radioaktywne (takie jak uran i tor). Ze względu na swoją obojętność, właściwości termiczne, dużą prędkość dźwięku i wysoką wartość współczynnika pojemności cieplnej, wykorzystywany jest również w naddźwiękowych tunelach aerodynamicznych i urządzeniach do badań aerodynamicznych. Jest również używany w spawaniu łukowym i do wykrywania nieszczelności w przemyśle.

Napisaliśmy wiele interesujących artykułów związanych z helem tutaj w Universe Today. Oto Merging White Dwarfs Create Helium Stars, and Could Jupiter and Saturn Contain Liquid Metal Helium.

Astronomy Cast ma również dobry odcinek na ten temat – Episode 139: Energy Levels and Spectra.