Гелий

Радиус нейтрального атома гелия 0, 122 нм. Электронная конфигурация нейтрального невозбужденного атома 1s².Энергии последовательной ионизации нейтрального атома равны, соответственно, 24, 587 и 54, 416 эВ (у атома гелия самая высокая среди нейтральных атомов всех элементов энергия отрыва первого электрона). Простое вещество гелий — легкий одноатомный газ без цвета, вкуса, запаха.

Открытие гелия началось с 1868, когда при наблюдении солнечного затмения астрономы француз П.Ж. Жансен и англичанин Д.Н. Локьер независимо друг от друга обнаружили в спектре солнечной короны желтую линию (она получила название D₃-линии), которую нельзя было приписать ни одному из известных в то время элементов. В 1871 Локьер объяснил ее происхождение присутствием на Солнце нового элемента. В 1895 англичанин У. Рамзай выделил из природной радиоактивной руды клевеита газ, в спектре которого присутствовала та же D₃-линия. Новому элементу Локьер дал имя, отражающее историю его открытия (греч. Helios—солнце). Поскольку Локьер полагал, что обнаруженный элемент — металл, он использовал в латинском названии элемента окончание «lim» (соответствует русскому окончанию «ий»), которое обычно употребляется в названии металлов. Таким образом, гелий задолго до своего открытия на Земле получил имя, которое окончанием отличает его от названий остальных инертных газов.

В атмосферном воздухе содержание гелия очень мало и составляет около 5, 27·10^-4% по объему. В земной коре его 0, 8·10^-6%, в морской воде — 4·10^-10 %. Источником гелия служат нефти и гелионосные природные газы, в которых содержание гелия достигает 2-3%, а в редких случаях и 8-10% по объему. Зато в космосе гелий — второй по распространенности элемент (после водорода): на его долю приходится 23% космической массы.

Технология получения гелия очень сложна: его выделяют из природных гелионосных газов, пользуясь методом глубокого охлаждения. Месторождения таких газов имеются в России, США, Канаде и ЮАР. Гелий содержится также в некоторых минералах (монаците, торианите и других), при этом из 1 кг минерала при нагревании можно выделить до 10 л гелия.

Гелий — легкий негорючий газ, плотность газообразного гелия при нормальных условиях 0, 178 кг/м³ (меньше только у газа водорода). Температура кипения гелия (при нормальном давлении) около 4, 2К (или –268, 93 °C, это — самая низкая температура кипения).

При нормальном давлении жидкий гелий не удается превратить в твердое вещество даже при температурах, близких к абсолютному нулю (0К). При давлении около 3, 76 МПа температура плавления гелия 2, 0К. Наименьшее давление, при котором наблюдается переход жидкого гелия в твердое состояние — 2, 5МПа (25 ат), температура плавления гелия при этом около 1, 1 К (–272, 1 °C).

В 100 мл воды при 20 °C растворяется 0, 86 мл гелия, в органических растворителях его растворимость еще меньше. Легкие молекулы гелия хорошо проходят (диффундируют) через различные материалы (пластмассы, стекло, некоторые металлы).

Для жидкого гелия-4, охлажденного ниже –270, 97 °C, наблюдается ряд необычных эффектов, что дает основание рассматривать эту жидкость как особую, так называемую квантовую, жидкость. Эту жидкость обычно обозначают как гелий-II в отличие от жидкого гелия-I — жидкости, существующей при чуть более высоких температурах. График изменения теплоемкости жидкого гелия с изменением температуры напоминает греческую букву лямбда (λ). Температура перехода гелия-I в гелий-II 2, 186 К. Эту температуру часто называют λ-точкой.

Жидкий гелий-II способен быстро проникать через мельчайшие отверстия и капилляры, не обнаруживая при этом вязкости (так называемая сверхтекучесть жидкого гелия-II). Кроме того, пленки гелия-II быстро перемещаются по поверхности твердых тел, в результате чего жидкость быстро покидает тот сосуд, в который она была помещена. Это свойство гелия-II называют сверхползучестью. Сверхтекучесть гелия-II открыта в 1938 советским физиком П. Л. Капицей (Нобелевская премия по физике, 1978). Объяснение уникальным свойствам гелия-II дано другим советским физиком Л. Д. Ландау в 1941-1944 (Нобелевская премия по физике, 1962).

Никаких химических соединений гелий не образует. Правда, в разреженном ионизированном гелии удается обнаружить достаточно устойчивые двухатомные ионы Не₂⁺.

Гелий используют для создания инертной и защитной атмосферы при сварке, резке и плавке металлов, при перекачивании ракетного топлива, для заполнения дирижаблей и аэростатов, как компонент среды гелиевых лазеров. Жидкий гелий, самая холодная жидкость на Земле, — уникальный хладагент в экспериментальной физике, позволяющий использовать сверхнизкие температуры в научных исследованиях (например, при изучении электрической сверхпроводимости). Благодаря тому, что гелий очень плохо растворим в крови, его используют как составную часть искусственного воздуха, подаваемого для дыхания водолазам. Замена азота на гелий предотвращает кессонную болезнь (при вдыхании обычного воздуха азот под повышенным давлением растворяется в крови, а затем выделяется из нее в виде пузырьков, закупоривающих мелкие сосуды).

Авторы: С.С. Бердоносов, П.С. Бердоносов