Quem descobriu o Hélio?

Os cientistas compreenderam durante algum tempo que os elementos mais abundantes no Universo são gases simples como o hidrogénio e o hélio. Estes constituem a grande maioria da sua massa observável, anulando todos os elementos mais pesados combinados (e por uma larga margem). E entre os dois, o hélio é o segundo elemento mais leve e o segundo mais abundante, estando presente em cerca de 24% da massa elementar observável do Universo.

Onde tendemos a pensar no hélio como o gás hilariante que faz coisas estranhas à sua voz e permite que os balões flutuem, é na verdade uma parte crucial da nossa existência. Para além de ser um componente chave das estrelas, o hélio é também um importante constituinte dos gigantes do gás. Isto deve-se em parte à sua energia nuclear de ligação muito elevada, mais o facto de ser produzida tanto pela fusão nuclear como pelo decaimento radioactivo. No entanto, os cientistas só têm conhecimento da sua existência desde finais do século XIX.

Discovery and Naming:

A primeira prova de hélio foi obtida a 18 de Agosto de 1868 pelo astrónomo francês Jules Janssen. Enquanto estava em Guntur, Índia, Janssen observou um eclipse solar através de um prisma, tendo então notado uma linha espectral amarela brilhante (a 587,49 nanómetros) a emanar da cromosfera do Sol. Na altura, ele acreditava que era sódio, uma vez que era próximo das linhas D1 e D2 Fraunhofer.

A 20 de Outubro do mesmo ano, o astrónomo inglês Norman Lockyer observou uma linha amarela no espectro solar (a que deu o nome de linha D3 Fraunhofer) que concluiu ser causada por um elemento desconhecido no Sol. Lockyer e o químico inglês Edward Frankland deu ao elemento o nome de helios, após a palavra grega para o Sol.

Características:

Helium é o segundo átomo mais simples quando se trata do seu modelo atómico, a seguir ao hidrogénio. Consiste num núcleo de dois prótons e neutrões, e dois electrões em órbitas atómicas. A forma mais comum é o Hélio-4, que se acredita ser o produto da nucleossíntese do Big Bang. Este evento, que durou de 10 segundos a 20 minutos após o Big Bang, foi caracterizado pela produção de núcleos que não o isótopo mais leve de hidrogénio (ou seja, hidrogénio-1. que tem um único próton e núcleo).

Acredita-se que este evento tenha produzido a maioria do hélio-4, juntamente com pequenas quantidades dos isótopos de hidrogénio, hélio e lítio. Todos os outros elementos mais pesados foram criados muito mais tarde, como resultado da nucleossíntese estelar. Grandes quantidades de novo hélio estão sempre a ser criadas através deste mesmo processo, onde o calor e a pressão no núcleo das estrelas estão a provocar a fusão dos átomos de hidrogénio.

O núcleo do átomo de hélio-4 é idêntico a uma partícula alfa, dois prótons ligados e neutrões que são produzidos no processo de decomposição alfa (onde um elemento se decompõe, libertando massa e tornando-se outra coisa). A inércia do hélio deve-se à estabilidade e baixa energia do seu estado de nuvem de electrões, onde todos os seus electrões ocupam por completo orbitais de 1s em pares, nenhum possuindo um momento angular e cada um anula o spin intrínseco do outro.

Esta estabilidade também explica a falta de interacção dos átomos de hélio uns com os outros, o que leva a um dos mais baixos pontos de fusão e ebulição de todos os elementos.

História de Utilização:

Durante algum tempo, acreditava-se que o hélio só existia no Sol. No entanto, em 1882, o físico italiano Luigi Palmieri detectou hélio na Terra ao analisar a lava do Monte Vesúvio depois de este ter entrado em erupção nesse ano. E em 1895, enquanto procurava argon, o químico escocês Sir William Ramsay conseguiu isolar o hélio, tratando uma amostra de cleveite com ácidos minerais. Após tratar o elemento com ácido sulfúrico, reparou na mesma linha de absorção D3.

Ramsey enviou amostras do gás a Sir William Crookes e Sir Norman Lockyer, que verificaram que se tratava de hélio. Foi isolado independentemente do cleveite no mesmo ano pelos químicos Per Teodor Cleve e Abraham Langlet em Uppsala, Suécia, que foram capazes de determinar com precisão o seu peso atómico. Ao longo dos anos seguintes, experiências semelhantes produziram os mesmos resultados.

As propriedades do hélio de interesse geral foram descobertas nos anos seguintes. Em 1907, Ernest Rutherford e Thomas Royds demonstraram que uma partícula alfa é na realidade um núcleo de hélio. Em 1908, o hélio foi liquefeito pela primeira vez pelo físico holandês Heike Kamerlingh Onnes através do arrefecimento do gás a menos de um kelvin. O elemento foi eventualmente solidificado em 1926 pelo seu aluno Willem Hendrik Keesom, que submeteu o elemento a 25 atmosferas de pressão.

Helium foi um dos primeiros elementos a ser encontrado a ter superfluidade. Em 1938, o físico russo Pyotr Leonidovich Kapitsa descobriu que o hélio-4 não tem quase nenhuma viscosidade a temperaturas próximas de zero absoluto (superfluidade). Em 1972, o mesmo fenómeno foi observado em hélio-3 pelos físicos americanos Douglas D. Osheroff, David M. Lee, e Robert C. Richardson.

Usos Modernos:

Hoje em dia, o gás hélio é utilizado numa vasta gama de aplicações industriais, comerciais e recreativas. O mais conhecido é talvez o voo, onde o gás hélio (sendo mais leve do que o ar) proporciona naturalmente flutuabilidade para os dirigíveis e balões. Em comparação com o hidrogénio, que também foi utilizado em aeronaves, o hélio tem a vantagem adicional de ser não inflamável e retardador de fogo.

Devido às suas propriedades únicas – que incluem um baixo ponto de ebulição, baixa densidade, baixa solubilidade, alta condutividade térmica e inércia – o hélio é utilizado para uma vasta gama de aplicações científicas e médicas. A maior utilização é em aplicações criogénicas, onde o hélio líquido actua como um refrigerante para ímanes supercondutores em scanners de ressonância magnética e espectrómetros.

Outro uso é na construção de foguetes, onde o hélio é utilizado como tampão para deslocar combustível e oxidantes em tanques de armazenamento. Também é utilizado para condensar hidrogénio e oxigénio em combustível para foguetes e hidrogénio líquido pré-arrefecido em veículos espaciais. O Grande Colisor de Hadron no CERN também depende do hélio líquido para manter uma temperatura constante de 1,9 kelvin.

P>Bem graças ao seu índice de refracção extremamente baixo e à forma como reduz os efeitos de distorção da variação de temperatura, o hélio também é usado em telescópios solares, cromatografia gasosa, e em “datação por hélio” – isto é, determinar a idade das rochas que contêm substâncias radioactivas (como o urânio e o tório). Além da sua inércia, das suas propriedades térmicas, da alta velocidade do som e do elevado valor da ração de capacidade térmica, é também utilizado em túneis de vento supersónicos e instalações de ensaio aerodinâmico. É também utilizado em soldadura por arco e para detecção de fugas industriais.

Escrevemos muitos artigos interessantes relacionados com o Hélio aqui no Universo Hoje. Aqui está a fusão das Anãs Brancas Criam Estrelas de Hélio, e Poderiam Júpiter e Saturno conter Hélio metálico líquido.

Astronomia Fundida também tem um bom episódio sobre o assunto – Episódio 139: Energy Levels and Spectra.