Wer entdeckte Helium?

Wissenschaftler haben schon seit einiger Zeit verstanden, dass die häufigsten Elemente im Universum einfache Gase wie Wasserstoff und Helium sind. Diese machen den größten Teil der beobachtbaren Masse aus und stellen alle schwereren Elemente zusammengenommen in den Schatten (und zwar mit großem Abstand). Und zwischen den beiden ist Helium das zweitleichteste und zweithäufigste Element, das in etwa 24 % der beobachtbaren Masse des Universums vorhanden ist.

Während wir bei Helium eher an das lustige Gas denken, das seltsame Dinge mit unserer Stimme macht und Ballons schweben lässt, ist es tatsächlich ein entscheidender Teil unserer Existenz. Helium ist nicht nur ein Hauptbestandteil von Sternen, sondern auch ein wichtiger Bestandteil von Gasriesen. Das liegt unter anderem an seiner sehr hohen nuklearen Bindungsenergie und der Tatsache, dass es sowohl durch Kernfusion als auch durch radioaktiven Zerfall entsteht. Und doch wissen Wissenschaftler erst seit dem späten 19. Jahrhundert von seiner Existenz.

Entdeckung und Namensgebung:

Der erste Nachweis von Helium wurde am 18. August 1868 vom französischen Astronomen Jules Janssen erbracht. Während seines Aufenthalts in Guntur, Indien, beobachtete Janssen eine Sonnenfinsternis durch ein Prisma, woraufhin er eine helle gelbe Spektrallinie (bei 587,49 Nanometern) bemerkte, die von der Chromosphäre der Sonne ausging. Damals glaubte er, dass es sich um Natrium handelte, da sie in der Nähe der D1- und D2-Fraunhofer-Linien lag.

Am 20. Oktober desselben Jahres beobachtete der englische Astronom Norman Lockyer eine gelbe Linie im Sonnenspektrum (die er D3-Fraunhofer-Linie nannte), aus der er schloss, dass sie durch ein unbekanntes Element in der Sonne verursacht wurde. Lockyer und der englische Chemiker Edward Frankland nannten das Element Helios, nach dem griechischen Wort für Sonne.

Eigenschaften:

Helium ist nach Wasserstoff das zweiteinfachste Atom, was sein Atommodell betrifft. Es besteht aus einem Kern aus zwei Protonen und Neutronen sowie zwei Elektronen in Atomumlaufbahnen. Die häufigste Form ist Helium-4, von dem man annimmt, dass es das Produkt der Nukleosynthese des Urknalls ist. Dieses Ereignis, das zwischen 10 Sekunden und 20 Minuten nach dem Urknall stattfand, zeichnete sich durch die Produktion von Kernen aus, die nicht das leichteste Isotop des Wasserstoffs sind (d.h. Wasserstoff-1, das ein einzelnes Proton und einen Kern hat).

Es wird angenommen, dass dieses Ereignis den Großteil von Helium-4 produziert hat, zusammen mit kleinen Mengen der Wasserstoff-, Helium- und Lithium-Isotope. Alle anderen schwereren Elemente sind erst viel später entstanden, als Ergebnis der stellaren Nukleosynthese. Große Mengen an neuem Helium werden ständig durch den gleichen Prozess erzeugt, bei dem die Hitze und der Druck im Kern der Sterne Wasserstoffatome zum Verschmelzen bringen.

Der Kern des Helium-4-Atoms ist identisch mit einem Alpha-Teilchen, zwei gebundenen Protonen und Neutronen, die im Prozess des Alpha-Zerfalls (bei dem ein Element zerfällt, Masse freisetzt und zu etwas anderem wird) entstehen. Die Trägheit von Helium ist auf die Stabilität und die niedrige Energie seines Elektronenwolkenzustands zurückzuführen, bei dem alle Elektronen paarweise 1s-Orbitale vollständig besetzen, wobei keines einen Drehimpuls besitzt und jedes den Eigenspin des anderen aufhebt.

Diese Stabilität erklärt auch die fehlende Wechselwirkung der Heliumatome untereinander, was zu einem der niedrigsten Schmelz- und Siedepunkte aller Elemente führt.

Geschichte der Verwendung:

Eine Zeit lang glaubte man, dass Helium nur in der Sonne vorkommt. Doch 1882 entdeckte der italienische Physiker Luigi Palmieri Helium auf der Erde, als er die Lava des Vesuvs analysierte, nachdem dieser in jenem Jahr ausgebrochen war. Und im Jahr 1895 gelang es dem schottischen Chemiker Sir William Ramsay auf der Suche nach Argon, Helium zu isolieren, indem er eine Probe von Cleveit mit Mineralsäuren behandelte. Nachdem er das Element mit Schwefelsäure behandelt hatte, bemerkte er die gleiche D3-Absorptionslinie.

Ramsey schickte Proben des Gases an Sir William Crookes und Sir Norman Lockyer, die bestätigten, dass es sich um Helium handelte. Unabhängig davon wurde es noch im selben Jahr von den Chemikern Per Teodor Cleve und Abraham Langlet im schwedischen Uppsala aus Cleveit isoliert, die sein Atomgewicht genau bestimmen konnten. Im Laufe der nächsten Jahre lieferten ähnliche Experimente die gleichen Ergebnisse.

In den folgenden Jahren wurden einige interessante Eigenschaften von Helium entdeckt. Im Jahr 1907 wiesen Ernest Rutherford und Thomas Royds nach, dass ein Alphateilchen eigentlich ein Heliumkern ist. Im Jahr 1908 wurde Helium erstmals von der niederländischen Physikerin Heike Kamerlingh Onnes verflüssigt, indem das Gas auf weniger als ein Kelvin abgekühlt wurde. Das Element wurde schließlich 1926 von seinem Schüler Willem Hendrik Keesom verfestigt, der das Element einem Druck von 25 Atmosphären aussetzte.

Helium war eines der ersten Elemente, bei dem Suprafluidität festgestellt wurde. 1938 entdeckte der russische Physiker Pyotr Leonidovich Kapitsa, dass Helium-4 bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt fast keine Viskosität aufweist (Suprafluidität). Im Jahr 1972 wurde das gleiche Phänomen von den amerikanischen Physikern Douglas D. Osheroff, David M. Lee und Robert C. Richardson bei Helium-3 beobachtet.

Moderne Anwendungen:

Heute wird Heliumgas in einer Vielzahl von industriellen, kommerziellen und Freizeitanwendungen eingesetzt. Die bekannteste ist wohl die Luftfahrt, wo Heliumgas (da es leichter als Luft ist) natürlich für den Auftrieb von Luftschiffen und Ballons sorgt. Im Vergleich zu Wasserstoff, der ebenfalls in Luftschiffen verwendet wurde, hat Helium den zusätzlichen Vorteil, dass es nicht brennbar und feuerhemmend ist.

Aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften – zu denen ein niedriger Siedepunkt, eine geringe Dichte, eine niedrige Löslichkeit, eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Trägheit gehören – wird Helium für eine Vielzahl wissenschaftlicher und medizinischer Anwendungen eingesetzt. Die größte Verwendung findet es in kryogenen Anwendungen, wo flüssiges Helium als Kühlmittel für supraleitende Magnete in MRI-Scannern und Spektrometern dient.

Eine weitere Verwendung findet sich in der Raketentechnik, wo Helium als Puffer verwendet wird, um Treibstoff und Oxidationsmittel in Lagertanks zu verdrängen. Es wird auch verwendet, um Wasserstoff und Sauerstoff zu Raketentreibstoff zu kondensieren und flüssigen Wasserstoff in Raumfahrzeugen vorzukühlen. Auch der Large Hadron Collider am CERN ist auf flüssiges Helium angewiesen, um eine konstante Temperatur von 1,9 Kelvin aufrechtzuerhalten.

Dank seines extrem niedrigen Brechungsindexes und der Art und Weise, wie es die verzerrenden Effekte von Temperaturschwankungen reduziert, wird Helium auch in Sonnenteleskopen, der Gaschromatographie und bei der „Helium-Datierung“ verwendet – also der Altersbestimmung von Gesteinen, die radioaktive Substanzen (wie Uran und Thorium) enthalten. Neben seiner Trägheit, seinen thermischen Eigenschaften, der hohen Schallgeschwindigkeit und dem hohen Wert des Wärmekapazitätsverhältnisses wird es auch in Überschallwindkanälen und aerodynamischen Testanlagen eingesetzt. Es wird auch beim Lichtbogenschweißen und zur industriellen Lecksuche verwendet.

Wir haben hier bei Universe Today viele interessante Artikel zum Thema Helium geschrieben. Hier ist Merging White Dwarfs Create Helium Stars, und Could Jupiter and Saturn Contain Liquid Metal Helium.

Astronomy Cast hat auch eine gute Episode zu diesem Thema – Episode 139: Energy Levels and Spectra.