Образование атомных ядер.

Гелий (He) – инертный газ, являющийся вторым элементом периодической системы элементов, а так же вторым элементом по легкости и распространенности во Вселенной. Он относится к простым веществам и при стандартных условиях (Standard temperature and pressure) представляет собой одноатомный газ.

Гелий не имеет вкуса, цвета, запаха и не содержит токсинов.

Среди всех простых веществ, гелий имеет наименьшую точку кипения (T = 4,216 K). При атмосферном давлении получить твердый гелий невозможно, даже при температурах, близких к абсолютному нулю – для перехода в твердую форму, гелию необходимо давление выше 25 атмосфер. Химических соединений гелия мало и все при стандартных условиях они нестабильны.
Встречающийся в природе гелий состоит из двух стабильных изотопов – He и 4He. Изотоп “He” встречается очень редко (изотопная распространённость 0,00014 %) при 99,99986 % у изотопа 4He. Помимо природных, известны так же 6 искусственных радиоактивных изотопов гелия.
Появлением практически всего, имеющегося во Вселенной, гелия послужил первичный нуклеосинтез, протекавший в первые минуты после Большого взрыва.
В настоящее время практически весь гелий образуется из водорода в результате термоядерного синтеза, происходящего в недрах звезд. На нашей планете гелий образуется в процессе альфа-распада тяжёлых элементов. Та часть, гелия, которой удается просочится сквозь Земную кору, выходит наружу в составе природного газа и может составлять до 7 % от его состава. Что бы выделить гелий из природного газа, используется фракционная перегонка – процесс низкотемпературного разделения элементов.

История открытия гелия

18 августа 1868 г. ожидалось полное солнечное затмение. Астрономы всего мира деятельно готовились к этому дню. Они надеялись разрешить тайну протуберанцев – светящихся выступов, видимых в момент полного солнечного затмения по краям солнечного диска. Одни астрономы полагали, что протуберанцы представляют собой высокие лунные горы, которые в момент полного солнечного затмения освещаются лучами Солнца; другие думали, что протуберанцы – это горы на самом Солнце; третьи видели в солнечных выступах огненные облака солнечной атмосферы. Большинство же считало, что протуберанцы – не более, чем оптический обман.

В 1851 г. во время солнечного затмения, наблюдавшегося в Европе, немецкий астроном Шмидт не только увидел солнечные выступы, но и успел разглядеть, что очертания их меняются с течением времени. На основании своих наблюдений Шмидт заключил, что протуберанцы являются раскаленными газовыми облаками, выбрасываемыми в солнечную атмосферу гигантскими извержениями. Однако и после наблюдений Шмидта многие астрономы по-прежнему считали огненные выступы обманом зрения.

Только после полного затмения 18 июля 1860 г., которое наблюдалось в Испании, когда многие астрономы увидели солнечные выступы собственными глазами, а итальянцу Секки и французу Делларю удалось не только зарисовать, но и сфотографировать их, ни у кого уже не было сомнений в существовании протуберанцев.

К 1860 г. был уже изобретен спектроскоп – прибор, дающий возможность путем наблюдений видимой части оптического спектра определять качественный состав тела, от которого получается наблюдаемый спектр. Однако в день солнечного затмения никто из астрономов не воспользовался спектроскопом, чтобы рассмотреть спектр протуберанцев. О спектроскопе вспомнили, когда затмение уже закончилось.

Вот почему, готовясь к солнечному затмению 1868 г., каждый астроном в список инструментов для наблюдения включил и спектроскоп. Не забыл этот прибор и Жюль Жансен, известный французский ученый, отправляясь для наблюдения протуберанцев в Индию, где условия для наблюдения солнечного затмения по вычислениям астрономов были наилучшими.

В момент, когда сверкающий диск Солнца был полностью закрыт Луной, Жюль Жансен, исследуя с помощью спектроскопа оранжево-красные языки пламени, вырывавшиеся с поверхности Солнца, увидел в спектре, кроме трех знакомых линий водорода: красной, зелено-голубой и синей, новую, незнакомую – ярко-желтую. Ни одно из веществ, известных химикам того времени, не имело такой линии в той части спектра, где ее обнаружил Жюль Жансен. Такое же открытие, но у себя дома, в Англии, сделал астроном Норман Локиер.

25 октября 1868 г. парижская Академия наук получила два письма. Одно, написанное на следующий день после солнечного затмения, пришло из Гунтура, маленького городка на восточном побережье Индии, от Жюля Жансена; другое письмо, от 20 октября 1868 г. было из Англии от Нормана Локиера.

Полученные письма были зачитаны на заседании профессоров парижской Академии наук. В них Жюль Жансен и Норман Локиер, независимо один от другого, сообщили об открытии одного и того же "солнечного вещества". Это новое вещество, найденное на поверхности Солнца с помощью спектроскопа, Локиер предлагал назвать гелием от греческого слова "солнце" – "гелиос".

Такое совпадение удивило ученое собрание профессоров Академий и в то же время свидетельствовало об объективном характере открытия нового химического вещества. В честь открытия вещества солнечных факелов (протуберанцев) была выбита медаль. На одной стороне этой медали выбиты портреты Жансена и Локиера, а на другой – изображение древнегреческого бога солнца Аполлона в колеснице, запряженной четверкой коней. Под колесницей красовалась надпись на французском языке: "Анализ солнечных выступов 18 августа 1868 г."

В 1895 г. лондонский химик Генри Майерс обратил внимание Вильяма Рамзая, известного английского физико-химика, на тогда уже забытую статью геолога Хильдебранда. В этой статье Хильдебранд утверждал, что некоторые редкие минералы при нагревании их в серной кислоте выделяют газ, не горящий и не поддерживающий горения. В числе таких редких минералов был клевеит, найденный в Норвегии Норденшельдом, знаменитым шведским исследователем полярных областей.

Рамзай решил исследовать природу газа, содержащегося в клевеите. Во всех химических магазинах Лондона помощникам Рамзая удалось купить всего только... один грамм клевеита, заплатив за него всего 3,5 шиллинга. Выделив из полученного количества клевеита несколько кубических сантиметров газа и очистив его от примесей, Рамзай исследовал его с помощью спектроскопа. Результат был неожиданным: выделенный из клевеита газ оказался... гелием!

Не доверяя своему открытию, Рамзай обратился к Вильяму Круксу, крупнейшему в то время в Лондоне специалисту спектрального анализа, с просьбой исследовать выделенный из клевеита газ.

Крукс исследовал газ. Результат исследования подтвердил открытие Рамзая. Так 23 марта 1895 г. на Земле было обнаружено вещество, 27 лет назад найденное на Солнце. В тот же день Рамзай опубликовал свое открытие, отправив одно сообщение в Лондонское Королевское общество, а другое – известному французскому химику академику Бертло. В письме к Бертло Рамзай просил сообщить о своем открытии ученому собранию профессоров парижской Академии.

Через 15 дней после Рамзая, независимо от него, шведский химик Ланглэ выделил гелий из клевеита и так же, как и Рамзай, сообщил о своем открытии гелия химику Бертло.

В третий раз гелий был открыт в воздухе, куда, по мысли Рамзая, он должен был поступать из редких минералов (клевеита и др.) при разрушении и химических превращениях на Земле.

В небольших количествах гелий был обнаружен и в воде некоторых минеральных источников. Так, например, он был найден Рамзаем в целебном источнике Котрэ в Пиренейских горах, английский физик Джон Вильям Рэлей нашел его в водах источников на известном курорте Бат, немецкий физик Кайзер открыл гелий в ключах, бьющих в горах Шварцвальда. Однако больше всего было обнаружено гелия в некоторых минералах. Он содержится в самарските, фергусоните, колумбите, монаците, ураните. В минерале торианите с острова Цейлон содержится особенно много гелия. Килограмм торианита при нагревании докрасна выделяет 10 л гелия.

Вскоре было установлено, что гелий встречается только в тех минералах, в составе которых находятся радиоактивные уран и торий. Альфа-лучи, испускаемые некоторыми радиоактивными элементами, представляют собой не что иное, как ядра атомов гелия.

Из истории...

Его необычные свойства позволяют широко использовать гелий для самых различных целей. Первая, абсолютно логичная, исходя из его легкости – использование в воздушных шарах и дирижаблях. Причем в отличие от водорода – он не взрывоопасен. Это свойство гелия использовалось немцами в Первую Мировую войну на боевых дирижаблях. Минусом использования является то, дирижабль наполненный гелием не взлетит так высоко как водородный.

Для бомбардировки крупных городов, главным образом, столиц Англии и Франции, немецкое командование в первую мировую войну использовало дирижабли (цеппелины). Для наполнения их употребляли водород. Поэтому борьба с ними была сравнительно простой: зажигательный снаряд, попадавший в оболочку дирижабля, поджигал водород, тот мгновенно вспыхивал и аппарат сгорал. Из 123 дирижаблей, построенных в Германии за время первой мировой войны, 40 сгорели от зажигательных снарядов. Но однажды генеральный штаб английской армии был удивлен сообщением особой важности. Прямые попадания зажигательных снарядов в немецкий цеппелин не дали результатов. Дирижабль не вспыхнул, а медленно истекая каким-то неизвестным газом, улетел обратно.

Военные специалисты недоумевали и, несмотря на экстренное и подробное обсуждение вопроса о невоспламеняемости цеппелина от зажигательных снарядов, не могли найти нужного объяснения. Загадку разгадал английский химик Ричард Трелфолл. В письме в адрес Британского адмиралтейства он писал: "...полагаю, что немцы изобрели какой-то способ добывать в большом количестве гелий, и на этот раз наполнили оболочку своего цеппелина не водородом, как обычно, а гелием..."

Убедительность доводов Трелфолла, однако, снижалась фактом отсутствия в Германии значительных источников гелия. Правда, гелий содержится а воздухе, но его там мало: в одном кубическом метре воздуха содержится всего только 5 кубических сантиметров гелия. Холодильная машина системы Линде, превращающая в жидкость несколько сот кубических метров воздуха в один час, могла дать за это время не более 3 л гелия.

3 литра гелия в час! А для наполнения цеппелина нужно 5÷6 тыс. куб. м. Для получения такого количества гелия одна машина Линде должна была работать без остановки около двухсот лет, двести таких машин дали бы нужное количество гелия в один год. Постройка 200 заводов по превращению воздуха в жидкость для получения гелия экономически весьма невыгодна, а практически бессмысленна.

Откуда же немецкие химики получали гелий?

Этот вопрос, как выяснилось позже, был решен сравнительно просто. Задолго до войны немецким пароходным компаниям, возившим товары в Индию и Бразилию, дано было указание грузить возвращающиеся пароходы не обычным балластом, а монацитовым песком, который содержит гелий. Так был создан запас "гелиевого сырья" – около 5 тыс. т монацитового песка, из которого и получался гелий для цеппелинов. Кроме того, гелий добывался из воды минерального источника Наугейм, дававшего до 70 куб. м гелия ежедневно.

Случай с несгораемым цеппелином явился толчком для новых поисков гелия. Гелий стали усиленно искать химики, физики, геологи. Он неожиданно приобрел огромную ценность. В 1916 г. 1 кубометр гелия стоил 200 000 рублей золотом, т. е. 200 рублей за литр. Если учесть, что литр гелия весит 0,18 г, то 1 г его стоил свыше 1000 рублей.

Гелий сделался объектом охоты коммерсантов, спекулянтов, биржевых дельцов. Гелий в значительных количествах был обнаружен в природных газах, выходящих из недр земли в Америке, в штате Канзас, где после вступлений Америки в воину, близ города Форт-Уорс был построен гелиевый завод. Но война закончилась, запасы гелия остались неиспользованными, стоимость гелия резко упала и составляла в конце 1918 г. около четырех рублей за кубический метр.

Добытый с таким трудом гелий был использован американцами только в 1923 г. для наполнения теперь уже мирного дирижабля "Шенандоа". Он был первым и единственным в мире воздушным грузопассажирским кораблем, наполненным гелием. Однако "жизнь" его оказалась непродолжительной. Через два года после своего рождение "Шенандоа" был уничтожен бурей. 55 тыс. куб. м, почти весь мировой запас гелия, собиравшийся в течение шести лет, бесследно рассеялся в атмосфере во время бури, длившейся всего 30 минут.

Применение гелия

Гелий в природе

В основном земной гелий образуется при радиоактивном распаде урана-238, урана-235, тория и нестабильных продуктов их распада. Несравнимо меньшие количества гелия дает медленный распад самария-147 и висмута. Все эти элементы порождают только тяжелый изотоп гелия – He 4 , чьи атомы можно рассматривать как останки альфа частиц, захороненные в оболочке из двух спаренных электронов – в электронном дублете. В ранние геологические периоды, вероятно, существовали и другие, уже исчезнувшие с лица Земли естественно радиоактивные ряды элементов, насыщавшие планету гелием. Одним из них был ныне искусственно воссозданный нептуниевый ряд.

По количеству гелия, замкнутого в горной породе или минерале, можно судить об их абсолютном возрасте. В основе этих измерений лежат законы радиоактивного распада: так, половина урана-238 за 4,52 млрд лет превращается в гелий и свинец.

Гелий в земной коре накапливается медленно. Одна тонна гранита, содержащая 2 г урана и 10 г тория, за миллион лет продуцирует всего 0,09 мг гелия – половину кубического сантиметра. В очень немногих богатых ураном и торием минералах содержание гелия довольно велико – несколько кубических сантиметров гелия на грамм. Однако доля этих минералов в естественном производстве гелия близка к нулю, так как они очень редки.

На Земле гелия мало: 1 м 3 воздуха содержит всего 5,24 см 3 гелия, а каждый килограмм земного материала - 0,003 мг гелия. Но по распространённости во Вселенной гелий занимает 2-е место после водорода: на долю гелия приходится около 23% космической массы. Примерно половина всего гелия сосредоточена в земной коре, главным образом в её гранитной оболочке, аккумулировавшей основные запасы радиоактивных элементов. Содержание гелия в земной коре невелико - 3 х 10 -7 % по массе. Гелий накапливается в свободных газовых скоплениях недр и в нефтях; такие месторождения достигают промышленных масштабов. Максимальные концентрации гелия (10 -13 %) выявлены в свободных газовых скоплениях и газах урановых рудников и (20-25%) в газах, спонтанно выделяющихся из подземных вод. Чем древнее возраст газоносных осадочных пород и чем выше в них содержание радиоактивных элементов, тем больше гелия в составе природных газов.

Добыча гелия

Добыча гелия в промышленных масштабах производится из природных и нефтяных газов как углеводородного, так и азотного состава. По качеству сырья гелиевые месторождения подразделяются: на богатые (содержание Не > 0,5% по объёму); рядовые (0,10-0,50) и бедные < 0,10). Значительные его концентрации известны в некоторых месторождениях природного газа Канады, США (шт. Канзас, Техас, Нью-Мексико, Юта).

Мировые запасы гелия составляют 45,6 млрд. кубометров. Крупные месторождения находятся в США (45% от мировых ресурсов), далее идут Россия (32%), Алжир (7%), Канада (7%) и Китай (4%).
По производству гелия также лидируют США (140 млн. кубометров в год), затем - Алжир (16 млн.).

Россия занимает третье место в мире – 6 млн. кубометров в год. Оренбургский гелиевый завод является в настоящее время единственным отечественным источником получения гелия, причем производство газа снижается. В связи с этим, газовые месторождения Восточной Сибири и Дальнего Востока с высокими концентрациями гелия (до 0,6%) приобретают особое значение. Одним из наиболее перспективных является Ковыктинское газоконденсатное месторождение, находящееся на севере Иркутской области. По оценкам специалистов здесь содержится около 25% общемировы х запасов гелия.

Наименование показателя	Гелий (марки А) (по ТУ 51-940-80)	Гелий (марки Б) (по ТУ 51-940-80)	Гелий высокой чистоты, марки 5.5 (по ТУ 0271-001-45905715-02)	Гелий высокой чистоты, марки 6.0 (по ТУ 0271-001-45905715-02)
Гелий, не менее
Азот, не более
Кислород + аргон
Неон, не более
Водяные пары, не более
Углеводороды, не более
СО2 + СО, не более
Водород, не более

Безопасность

– Гелий не токсичен, не горюч, не взрывоопасен
– Гелий разрешено применять в любых местах массового скопления людей: на концертах, рекламных акциях, стадионах, магазинах.
– Газообразный гелий физиологически инертен и не представляет опасности для человека.
– Гелий не опасен и для окружающей среды, поэтому обезвреживания, утилизации и ликвидации его остатков в баллонах не требуется.
– Гелий значительно легче воздуха и рассеивается в верхних слоях атмосферы Земли.

Гелий (марки А и Б по ТУ 51-940-80)
Техническое наименование	Гелий газообразный
Химическая формула
Номер по списку OON
Класс опасности при перевозках
Физические свойства
Физическое состояние	При нормальных условиях - газ
Плотность, кг/м³	При нормальных условиях (101,3 кПа, 20 С), 1627
Температура кипения, С при 101,3 кПа
Температура 3-ной точки и равновесное ей давление С, (мПа)
Растворимость в воде	незначительная
Пожаро- и взрывоопасность	пожаро-взрывобезопасен
Стабильность и химическая активность
Стабильность	Стабилен
Реакционная способность	Инертный газ
Опасность для человека
Токсическое воздействие	Не токсичен
Экологическая опасность	Вредного влияния на окружающую среду не оказывает
Средства	Применимы любые средства

Хранение и перевозка гелия

Газообразный гелий можно транспортировать всеми видами транспорта согласно правилам перевозок грузов на конкретном виде транспорта. Перевозка производится в специальных стальных баллонах коричневого цвета и контейнерах для перевозки гелия. Жидкий гелий транспортируют в транспортных сосудах типа СТГ-40, СТГ-10 и СТГ-25 объемом 40, 10 и 25 литров.

Правила перевозки баллонов с техническими газами

Перевозка опасных грузов в Российской Федерации регламентируется следующими документами:

1. "Правила перевозки опасных грузов автомобильным транспортом" (в ред. Приказов Минтранса РФ от 11.06.1999 №37, от 14.10.1999 №77; зарегистрированы в Министерстве юстиции Российской Федерации 18 декабря 1995 года, регистрационный N 997).

2. "Европейское соглашение о международной дорожной перевозке опасных грузов" (ДОПОГ), к которому Россия официально присоединилась 28 апреля 1994 (постановление Правительства РФ от 03.02.1994 №76).

3. "Правила дорожного движения" (ПДД 2006), а именно статья 23.5, устанавливающая что "Перевозка... опасных грузов... осуществляется в соответствии со специальными правилами".

4. "Кодекс РФ об административных правонарушениях", статья 12.21 ч.2 которого предусматривает ответственность за нарушение правил перевозки опасных грузов в виде "административного штрафа на водителей в размере от одного до трех минимальных размеров оплаты труда или лишения права управления транспортными средствами на срок от одного до трех месяцев; на должностных лиц, ответственных за перевозку - от десяти до двадцати минимальных размеров оплаты труда".

В соответствии с п.п.3 п.1.2 "Действие Правил не распространяется на... перевозки ограниченного количества опасных веществ на одном транспортном средстве, перевозку которых можно считать как перевозку неопасного груза". Там же разъяснено, что "Ограниченное количество опасных грузов определяется в требованиях по безопасной перевозке конкретного вида опасного груза. При его определении возможно использование требований Европейского соглашения о международной перевозке опасных грузов (ДОПОГ)". Таким образом, вопрос о максимальном количестве веществ, которое можно перевозить как неопасный груз сводится к изучению раздела 1.1.3 ДОПОГ , устанавливающему изъятия из европейских правил перевозки опасных грузов, связанные с различными обстоятельствами.

Так, например, в соответствии с п. 1.1.3.1 "Положения ДОПОГ не применяются... к перевозке опасных грузов частными лицами, когда эти грузы упакованы для розничной продажи и предназначены для их личного потребления, использования в быту, досуга или спорта, при условии, что приняты меры для предотвращения любой утечки содержимого в обычных условиях перевозки".

Однако, формально признаваемая правилами перевозки опасных грузов группа изъятий - изъятия связанные с количествами, перевозимыми в одной транспортной единице (п.1.1.3.6 ).

Все газы отнесены ко второму классу веществ по классификации ДОПОГ. Негорючие, неядовитые газы (группы А - нейтральные и О - окисляющие) относятся к третьей транспортной категории, с ограничением максимального количества в 1000 единиц. Легковоспламеняющиеся (группа F) - ко второй, с ограничением максимального количества в 333 единицы. Под "единицей" здесь понимается 1 литр вместимости сосуда, в котором находится сжатый газ, или 1 кг сжиженного или растворенного газа. Таким образом, максимальное количество газов, которое можно перевозить в одной транспортной единице как неопасный груз, следующее:

Гелий - подлинно благородный газ. Заставить его вступить в какие-либо реакции пока не удалось. Молекула гелия одноатомна.

По легкости этот газ уступает только водороду, воздух в 7,25 раза тяжелее гелия.

Гелий почти нерастворим в воде и других жидкостях. И точно так же в жидком гелии заметно не растворяется ни одно вещество.

Твердый гелий нельзя получить ни при каких температурах, если не повышать давление.

В истории открытия, исследования и применения этого элемента встречаются имена многих крупных физиков и химиков разных стран. Гелием интересовались, с гелием работали: Жансен (Франция), Локьер, Рамзай, Крукс, Резерфорд (Англия), Пальмиери (Италия), Кеезом, Камерлинг-Оннес (Голландия), Фейнман, Онсагер (США), Капица, Кикоин, Ландау (Советский Союз) и многие другие крупные ученые.

Неповторимость облика атома гелия определяется сочетанием в нем двух удивительных природных конструкций - абсолютных чемпионов по компактности и прочности. В ядре гелия, гелия-4, насыщены обе внутриядерные оболочки - и протонная, и нейтронная. Электронный дублет, обрамляющий это ядро, тоже насыщенный. В этих конструкциях - ключ к пониманию свойств гелия. Отсюда проистекают и его феноменальная химическая инертность и рекордно малые размеры его атома.

Огромна роль ядра атома гелия - альфа частицы в истории становления и развития ядерной физики. Если помните, именно изучение рассеяния альфа частиц привело Резерфорда к открытию атомного ядра. При бомбардировке азота альфа частицами было впервые осуществлено взаимопревращение элементов - то, о чем веками мечтали многие поколения алхимиков. Правда, в этой реакции не ртуть превратилась в золото, а азот в кислород, но это сделать почти так же трудно. Те же альфа частицы оказались причастны к открытию нейтрона и получению первого искусственного изотопа. Позже с помощью альфа частиц были синтезированы кюрий, берклий, калифорний, менделевий.

Мы перечислили эти факты лишь с одной целью - показать, что элемент №2 - элемент весьма необычный.

На большом воздушном шаре... Гелий применяется для приготовления дыхательных смесей, в том числе для атмосферы обитаемых космических аппаратов, для глубоководного погружения, а также для лечения астмы, для наполнения дирижаблей и воздушных шариков. Он нетоксичен, поэтому вдыхание гелия в небольших количествах вместе с воздухом совершенно безвредно.

Колосс Родосский, гигантская статуя античного бога Солнца Гелиоса. Элемент гелий был открыт спектральным методом на Солнце и лишь позднее был обнаружен на Земле.

Земной гелий

Гелий - элемент необычный, и история его необычна. Он был открыт в атмосфере Солнца на 13 лет раньше, чем на Земле. Точнее говоря, в спектре солнечной короны была открыта ярко-желтая линия D, а что за ней скрывалось, стало достоверно известно лишь после того, как гелий извлекли из земных минералов, содержащих радиоактивные элементы.

Гелий на Солнце открыли француз Ж. Жансен, проводивший свои наблюдения в Индии 19 августа 1868 г., и англичанин Дж.H. Локьер - 20 октября того же года. Письма обоих ученых пришли в Париж в один день и были зачитаны на заседании Парижской Академии наук 26 октября с интервалом в несколько минут. Академики, пораженные столь странным совпадением, приняли постановление выбить в честь этого события золотую медаль.

В 1881 г. об открытии гелия в вулканических газах сообщил итальянский ученый Пальмиери. Однако его сообщение, впоследствии подтвержденное, мало кто из ученых принял всерьез. Вторично земной гелий был открыт Рамзаем в 1895 г.

В земной коре насчитывается 29 изотопов, при радиоактивном распаде которых образуются альфа частицы - высокоактивные, обладающие большой энергией ядра атомов гелия.

В основном земной гелий образуется при радиоактивном распаде урана-238, урана-235, тория и нестабильных продуктов их распада. Несравнимо меньшие количества гелия дает медленный распад самария-147 и висмута. Все эти элементы порождают только тяжелый изотоп гелия - 4Не, чьи атомы можно рассматривать как останки альфа частиц, захороненные в оболочке из двух спаренных электронов - в электронном дублете. В ранние геологические периоды, вероятно, существовали и другие, уже исчезнувшие с лица Земли естественно радиоактивные ряды элементов, насыщавшие планету гелием. Одним из них был ныне искусственно воссозданный нептуниевый ряд.

По количеству гелия, замкнутого в горной породе или минерале, можно судить об их абсолютном возрасте. В основе этих измерений лежат законы радиоактивного распада: так, половина урана-238 за 4,52 млрд лет превращается в гелий и свинец.

Гелий в земной коре накапливается медленно. Одна тонна гранита, содержащая 2 г урана и 10 г тория, за миллион лет продуцирует всего 0,09 мг гелия - половину кубического сантиметра. В очень немногих богатых ураном и торием минералах содержание гелия довольно велико - несколько кубических сантиметров гелия на грамм. Однако доля этих минералов в естественном производстве гелия близка к нулю, так как они очень редки.

Природные соединения, в составе которых есть альфа активные изотопы, - это только первоисточник, но не сырье для промышленного получения гелия. Правда, некоторые минералы, обладающие плотной структурой - самородные металлы, магнетит, гранат, апатит, циркон и другие, - прочно удерживают заключенный в них гелий. Однако большинство минералов с течением времени подвергаются процессам выветривания, перекристаллизации и т.д., и гелий из них уходит.

Высвободившиеся из кристаллических структур гелиевые пузырьки отправляются в путешествие по земной коре. Очень незначительная часть их растворяется в подземных водах. Для образования более или менее концентрированных растворов гелия нужны особые условия, прежде всего большие давления. Другая часть кочующего гелия через поры и трещины минералов выходит в атмосферу. Остальные молекулы газа попадают в подземные ловушки, в которых скапливаются в течение десятков, сотен миллионов лет. Ловушками служат пласты рыхлых пород, пустоты которых заполняются газом. Ложем для таких газовых коллекторов обычно служат вода и нефть, а сверху их перекрывают газонепроницаемые толщи плотных пород.

Так как в земной коре странствуют и другие газы (главным образом метан, азот, углекислота), и притом в гораздо больших количествах, то чисто гелиевых скоплений не существует. Гелий в природных газах присутствует как незначительная примесь. Содержание его не превышает тысячных, сотых, редко - десятых долей процента. Большая (1,5...10%) гелиеносность метано-азотных месторождений - явление крайне редкое.

Символ элемента, выполненный из газоразрядных трубок, наполненных гелием. Гелий светится светло-персиковым цветом когда через него проходит электрический ток.

Природные газы оказались практически единственным источником сырья для промышленного получения гелия. Для отделения от прочих газов используют исключительную летучесть гелия, связанную с его низкой температурой сжижения. После того как все прочие компоненты природного газа сконденсируются при глубоком охлаждении, газообразный гелий откачивают. Затем его очищают от примесей. Чистота заводского гелия достигает 99,995%.

Запасы гелия на Земле оцениваются в 5·1014 м3; судя же по вычислениям, его образовалось в земной коре за 2 млрд лет в десятки раз больше. Такое расхождение теории с практикой вполне объяснимо. Гелий - легкий газ и, подобно водороду (хотя и медленнее), не улетучивается из атмосферы в мировое пространство. Вероятно, за время существования Земли гелий нашей планеты неоднократно обновлялся - старый улетучивался в космос, а вместо него в атмосферу поступал свежий - «выдыхаемый» Землей.

В литосфере гелия по меньшей мере в 200 тыс. раз больше, чем в атмосфере; еще больше потенциального гелия хранится в «утробе» Земли - в альфа активных элементах. Но общее содержание этого элемента в Земле и атмосфере невелико. Гелий - редкий и рассеянный газ. На 1 кг земного материала приходится всего 0,003 мг гелия, а содержание его в воздухе - 0,00052 объемного процента. Столь малая концентрация не позволяет пока экономично извлекать гелий из воздуха.

Гелий образуется из водорода в результате термоядерной реакции. Именно термоядерные реакции являются источником энергии для нашего Солнца и многих миллиардов других звезд.

Гелий во Вселенной

Недра и атмосфера нашей планеты бедны гелием. Но это не значит, что его мало повсюду во Вселенной. По современным подсчетам 76% космической массы приходится на водород и 23% на гелий; на все прочие элементы остается только 1%! Таким образом, мировую материю можно назвать водородно-гелиевой. Эти два элемента главенствуют в звездах, планетарных туманностях и межзвездном газе.

Рис. 1. Кривые распространенности элементов на Земле (вверху) и в космосе.

«Космическая» кривая отражает исключительную роль водорода и гелия в мироздании и особое значение гелиевой группировки в строении атомного ядра. Наибольшую относительную распространенность имеют те элементы и те их изотопы, массовое число которых делится на четыре: 16О, 20Ne, 24Mg и т.д.

Вероятно, все планеты солнечной системы содержат радиогенный (образовавшийся при альфа распаде) гелий, а крупные - и реликтовый гелий из космоса. Гелий обильно представлен в атмосфере Юпитера: по одним данным его там 33%, по другим - 17%. Это открытие легло в основу сюжета одного из рассказов известного ученого и писателя-фантаста А. Азимова. В центре повествования - план (возможно, осуществимый в будущем) доставки гелия с Юпитера, а то и заброски на ближайший спутник этой планеты - Юпитер V - армады кибернетических машин на криотронах (о них - ниже). Погрузившись в жидкий гелий атмосферы Юпитера (сверхнизкие температуры и сверхпроводимость - необходимые условия для работы криотронов), эти машины превратят Юпитер V в мозговой центр солнечной системы...

Происхождение звездного гелия было объяснено в 1938 г. немецкими физиками Бете и Вейцзекером. Позже их теория получила экспериментальное подтверждение и уточнение с помощью ускорителей элементарных частиц. Суть ее в следующем.

Ядра гелия синтезируются при звездных температурах из протонов в результате термоядерных процессов, высвобождающих 175 млн киловатт-часов энергии на каждый килограмм гелия.

Разные циклы реакций могут привести к синтезу гелия.

В условиях не очень горячих звезд, таких, как наше Солнце, преобладает, по-видимому, протонно-протонный цикл. Он складывается из трех последовательно сменяющихся превращений. Вначале соединяются на огромных скоростях два протона с образованием дейтрона - конструкции из протона и нейтрона; при этом отделяются позитрон и нейтрино. Далее соединяются дейтрон с протоном в легкий гелий с испусканием гамма кванта. Наконец, реагируют два ядра 3Не, преобразуясь в альфа частицу и два протона. Альфа-частица, обзаведясь двумя электронами, станет потом атомом гелия.

Тот же конечный результат дает более быстрый углеродно-азотный цикл, значение которого в условиях Солнца не очень велико, но на более горячих, чем Солнце, звездах роль этого цикла усиливается. Он складывается из шести ступеней - реакций. Углерод играет здесь роль катализатора процесса слияния протонов. Энергия, выделяемая в ходе этих превращений, такая же, как и при протонно-протонном цикле - 26,7 МэВ на один атом гелия.

Реакция синтеза гелия - основа энергетической деятельности звезд, их свечения. Следовательно, синтез гелия можно считать праотцом всех реакций в природе, первопричиной жизни, света, тепла и метеорологических явлений на Земле.

Гелий не всегда бывает конечным продуктом звездных синтезов. По теории профессора Д.А. Франк-Каменецкого, при последовательном слиянии ядер гелия образуются 3Be, 12C, 16O, 20Ne, 24Mg, а захват этими ядрами протонов приводит к возникновению других ядер. Для синтеза ядер тяжелых элементов вплоть до трансурановых требуются исключительные сверхвысокие температуры, которые развиваются на неустойчивых «новых» и «сверхновых» звездах.

Известный советский химик А.Ф. Капустинский называл водород и гелий протоэлементами - элементами первичной материи. Не в этой ли первичности скрыто объяснение особого положения водорода и гелия в периодической системе элементов, в частности того факта, что первый период по существу лишен периодичности, характерной для прочих периодов?

Атомная структура гелия

Самый, самый...

Атом гелия (он же молекула) - прочнейшая из молекулярных конструкций. Орбиты двух его электронов совершенно одинаковы и проходят предельно близко от ядра. Чтобы оголить ядро гелия, нужно затратить рекордно большую энергию - 78,61 МэВ. Отсюда - феноменальная химическая пассивность гелия.

За последние 15 лет химикам удалось получить более 150 химических соединений тяжелых благородных газов (о соединениях тяжелых благородных газов будет рассказано в статьях «Криптон» и «Ксенон»). Однако инертность гелия остается, как и прежде, вне подозрений.

Вычисления показывают, что если бы и был найден путь получения, скажем фторида или окисла гелия, то при образовании они поглотили бы так много энергии, что получившиеся молекулы были бы «взорваны» этой энергией изнутри.

Молекулы гелия неполярны. Силы межмолекулярного взаимодействия между ними крайне невелики - меньше, чем в любом другом веществе. Отсюда - самые низкие значения критических величин, наинизшая температура кипения, наименьшие теплоты испарения и плавления. Что касается температуры плавления гелия, то при нормальном давлении ее вообще нет. Жидкий гелий при сколь угодно близкой к абсолютному нулю температуре не затвердевает, если, помимо температуры, на него но действует давление в 25 или больше атмосфер. Второго такого вещества в природе нет.

Нет также другого газа, столь ничтожно растворимого в жидкостях, особенно полярных, и так мало склонного к адсорбции, как гелий. Это наилучший среди газов проводник электричества и второй, после водорода, проводник тепла. Его теплоемкость очень велика, а вязкость мала.

Поразительно быстро проникает гелий сквозь тонкие перегородки из некоторых органических полимеров, фарфора, кварцевого и боросиликатного стекла. Любопытно, что сквозь мягкое стекло гелий диффундирует в 100 раз медленнее, чем сквозь боросиликатное. Гелий может проникать и через многие металлы. Полностью непроницаемы для него лишь железо и металлы платиновой группы, даже раскаленные.

На принципе избирательной проницаемости основан новый метод извлечения чистого гелия из природного газа.

Исключительный интерес проявляют ученые к жидкому гелию. Во-первых, это самая холодная жидкость, в которой к тому же не растворяется заметно ни одно вещество. Во-вторых, это самая легкая из жидкостей с минимальной величиной поверхностного натяжения.

При температуре 2,172°К происходит скачкообразное изменение свойств жидкого гелия. Образующаяся разновидность условно названа гелием II. Гелий II кипит совсем не так, как прочие жидкости, он не бурлит при кипении, поверхность его остается совершенно спокойной. Гелий II проводит тепло в 300 млн раз лучше, чем обычный жидкий гелий (гелий I). Вязкость гелия II практически равна нулю, она в тысячу раз меньше вязкости жидкого водорода. Поэтому гелий II обладает сверхтекучестью - способностью вытекать без трения через капилляры сколь угодно малого диаметра.

Другой стабильный изотоп гелия 3Не переходит в сверхтекучее состояние при температуре, отстоящей от абсолютного пуля всего на сотые доли градусов. Сверхтекучие гелий-4 и гелий-3 называют квантовыми жидкостями: в них проявляются квантово-механические эффекты еще до их отвердевания. Этим объясняется весьма детальная изученность жидкого гелия. Да и производят его ныне немало - сотни тысяч литров в год. А вот твердый гелий почти не изучен: велики экспериментальные трудности исследования этого самого холодного тела. Бесспорно, пробел этот будет заполнен, так как физики ждут много нового от познания свойств твердого гелия: ведь он тоже квантовое тело.

Баллоны с гелием

Инертный, но очень нужный

В конце прошлого века английский журнал «Панч» поместил карикатуру, на которой гелий был изображен хитро подмигивающим человечком - жителем Солнца. Текст под рисунком гласил: «Наконец-то меня изловили и на Земле! Это длилось достаточно долго! Интересно знать, сколько времени пройдет, пока они догадаются, что делать со мной?»

Действительно, прошло 34 года со дня открытия земного гелия (первое сообщение об этом было опубликовано в 1881 г.), прежде чем он нашел практическое применение. Определенную роль здесь сыграли оригинальные физико-технические, электрические и в меньшей мере химические свойства гелия, потребовавшие длительного изучения. Главными же препятствиями были рассеянность и высокая стоимость элемента №2.

Первыми гелий применили немцы. В 1915 г. они стали наполнять им свои дирижабли, бомбившие Лондон. Вскоре легкий, но негорючий гелий стал незаменимым наполнителем воздухоплавательных аппаратов. Начавшийся в середине 30-х годов упадок дирижаблестроения повлек некоторый спад в производстве гелия, но лишь на короткое время. Этот газ все больше привлекал к себе внимание химиков, металлургов и машиностроителей.

Многие технологические процессы и операции нельзя вести в воздушной среде. Чтобы избежать взаимодействия получаемого вещества (или исходного сырья) с газами воздуха, создают специальные защитные среды; и нет для этих целей более подходящего газа, чем гелий.

Баллоны с гелием

Инертный, легкий, подвижный, хорошо проводящий тепло гелий - идеальное средство для передавливания из одной емкости в другую легко воспламеняемых жидкостей и порошков; именно эти функции выполняет он в ракетах и управляемых снарядах. В гелиевой защитной среде проходят отдельные стадии получения ядерного горючего. В контейнерах, заполненных гелием, хранят и транспортируют тепловыделяющие элементы ядерных реакторов.

С помощью особых течеискателей, действие которых основано на исключительной диффузионной способности гелия, выявляют малейшие возможности утечки в атомных реакторах и других системах, находящихся под давлением или вакуумом.

Последние годы ознаменованы повторным подъемом дирижаблестроения, теперь на более высокой научно-технической основе. В ряде стран построены и строятся дирижабли с гелиевым наполнением грузоподъемностью от 100 до 3000 т. Они экономичны, надежны и удобны для транспортировки крупногабаритных грузов, таких, как плети газопроводов, нефтеочистительные установки, опоры линий электропередач и т.п. Наполнение из 85% гелия и 15% водорода огнебезопасно и только на 7% снижает подъемную силу в сравнении с водородным наполнением.

Начали действовать высокотемпературные ядерные реакторы нового типа, в которых теплоносителем служит гелий.

В научных исследованиях и в технике широко применяется жидкий гелий. Сверхнизкие температуры благоприятствуют углубленному познанию вещества и его строения - при более высоких температурах тонкие детали энергетических спектров маскируются тепловым движением атомов.

Уже существуют сверхпроводящие соленоиды из особых сплавов, создающие при температуре жидкого гелия сильные магнитные поля (до 300 тыс. эрстед) при ничтожных затратах энергии.

При температуре жидкого гелия многие металлы и сплавы становятся сверхпроводниками. Сверхпроводниковые реле - криотроны все шире применяются в конструкциях электронно-вычислительных машин. Они просты, надежны, очень компактны. Сверхпроводники, а с ними и жидкий гелий становятся необходимыми для электроники. Они входят в конструкции детекторов инфракрасного излучения, молекулярных усилителей (мазеров), оптических квантовых генераторов (лазеров), приборов для измерения сверхвысоких частот.

Конечно, этими примерами не исчерпывается роль гелия в современной технике. Но если бы не ограниченность природных ресурсов, не крайняя рассеянность гелия, он нашел бы еще множество применений. Известно, например, что при консервировании в среде гелия пищевые продукты сохраняют свой первоначальный вкус и аромат. Но «гелиевые» консервы пока остаются «вещью в себе», потому что гелия не хватает и применяют его лишь в самых важных отраслях промышленности и там, где без него никак не обойтись. Поэтому особенно обидно сознавать, что с горючим природным газом через аппараты химического синтеза, топки и печи проходят и уходят в атмосферу намного большие количества гелия, чем те, что добываются из гелиеносных источников.

Сейчас считается выгодным выделять гелий только в тех случаях, если его содержание в природном газе не меньше 0,05%. Запасы такого газа все время убывают, и не исключено, что они будут исчерпаны еще до конца нашего века. Однако, проблема «гелиевой недостаточности» к этому времени, вероятно, будет решена - частично за счет создания новых, более совершенных методов разделения газов, извлечения из них наиболее ценных, хотя и незначительных по объему фракций, и частично благодаря управляемому термоядерному синтезу. Гелий станет важным, хотя и побочным, продуктом деятельности «искусственных солнц».

Трубка с гелием

Изотопы гелия

В природе существуют два стабильных изотопа гелия: гелий-3 и гелий-4. Легкий изотоп распространен на Земле в миллион раз меньше, чем тяжелый. Это самый редкий из стабильных изотопов, существующих на нашей планете. Искусственным путем получены еще три изотопа гелия. Все они радиоактивны. Период полураспада гелия-5 - 2,4·10-21 секунды, гелия-6 - 0,83 секунды, гелия-8 - 0,18 секунды. Самый тяжелый изотоп, интересный тем, что в его ядрах на один протон приходится три нейтрона, впервые подучен в Дубне в 60-х годах. Попытки получить гелий-10 пока были неудачны.

Последний твердый газ

В жидкое и твердое состояние гелий был переведен самым последним из всех газов. Особые сложности сжижения и отверждения гелия объясняются строением его атома и некоторыми особенностями физических свойств. В частности, гелий, как и водород, при температуре выше - 250°C, расширяясь, не охлаждается, а нагревается. С другой стороны, критическая температура гелия крайне низка. Именно поэтому жидкий гелий впервые удалось получить лишь в 1908, а твердый - в 1926 г.

Гелиевый воздух

Воздух, в котором весь азот или большая его часть заменена гелием, сегодня уже не новость. Его широко используют на земле, под землей и под водой.

Гелиевый воздух втрое легче и намного подвижнее обычного воздуха. Он активнее ведет себя в легких - быстро подводит кислород и быстро эвакуирует углекислый газ. Вот почему гелиевый воздух дают больным при расстройствах дыхания и некоторых операциях. Он снимает удушья, лечит бронхиальную астму и заболевания гортани.

Дыхание гелиевым воздухом практически исключает азотную эмболию (кессонную болезнь), которой при переходе от повышенного давления к нормальному подвержены водолазы и специалисты других профессий, работа которых проходит в условиях повышенного давления. Причина этой болезни - довольно значительная, особенно при повышенном давлении, растворимость азота в крови. По мере уменьшения давления он выделяется в виде газовых пузырьков, которые могут закупорить кровеносные сосуды, повредить нервные узлы... В отличие от азота, гелий практически нерастворим в жидкостях организма, поэтому он не может быть причиной кессонной болезни. К тому же гелиевый воздух исключает возникновение «азотного наркоза», внешне сходного с алкогольным опьянением.

Рано или поздно человечеству придется научиться подолгу жить и работать на морском дне, чтобы всерьез воспользоваться минеральными и пищевыми ресурсами шельфа. А на больших глубинах, как показали опыты советских, французских и американских исследователей, гелиевый воздух пока незаменим. Биологи доказали, что длительное дыхание гелиевым воздухом не вызывает отрицательных сдвигов в человеческом организме и не грозит изменениями в генетическом аппарате: гелиевая атмосфера не влияет на развитие клеток и частоту мутаций. Известны работы, авторы которых считают гелиевый воздух оптимальной воздушной средой для космических кораблей, совершающих длительные полеты во Вселенную. Но пока за пределы земной атмосферы искусственный гелиевый воздух еще не поднимался.

В честь гелия назван астероид (895) Гелио, открытый в 1918 году.

Окружающий нас мир состоит из ~ 100 различных химических элементов. Как они образовались в естественных условиях? Подсказку для ответа на этот вопрос даёт относительная распространенность химических элементов. Среди наиболее существенных особенностей распространенности химических элементов Солнечной системы можно выделить следующие.

1. Вещество во Вселенной в основном состоит из водорода H – ~ 90% всех атомов.
2. По распространенности гелий He занимает второе место, составляя ~ 10% от числа атомов водорода.
3. Существует глубокий минимум, соответствующий химическим элементам литий Li, бериллий Be и бор B.
4. Сразу за глубоким минимумом Li, Be, В следует максимум, обусловленный повышенной распространенностью углерода C и кислорода O.
5. Вслед за кислородным максимумом идет скачкообразное падение распространенности элементов вплоть до скандия (А = 45).
6. Наблюдается резкое повышение распространенности элементов в районе железа A = 56 (группа железа).
7. После A = 60 уменьшение распространенности элементов происходит более плавно.
8. Наблюдается заметное различие между химическими элементами с четным и нечетным числом протонов Z . Как правило, химические элементы с четными Z являются более распространенными.

Ядерные реакции во Вселенной

t = 0		Большой взрыв. Рождение Вселенной
t = 10 -43 с		Эра квантовой гравитации. Струны ρ = 10 90 г/см 3 , T = 10 32 K
t = 10 - 35 с		Кварк-глюонная среда ρ = 10 75 г/см 3 , T = 10 28 K
t = 1 мкс		Кварки объединяются в нейтроны и протоны ρ = 10 17 г/см 3 , T = 6·10 12 K
t = 100 с		Образование дозвездного 4 He ρ = 50 г/см 3 , T = 10 9 K
t = 380 тыс. лет		Образование нейтральных атомов ρ = 0.5·10 -20 г/см 3 , T = 3·10 3 K
t = 10 8 лет	Первые звезды	Горение водорода в звездах ρ = 10 2 г/см 3 , T = 2·10 6 K Горение гелия в звездах ρ = 10 3 г/см 3 , T = 2·10 8 K Горение углерода в звездах ρ = 10 5 г/см 3 , T = 8·10 8 K Горение кислорода в звездах ρ = 10 5 ÷10 6 г/см 3 , T = 2·10 9 K Горение кремния в звездах ρ = 10 6 г/см 3 , T = (3÷5)·10 9 K
t = 13.7 млрд. лет		Современная Вселенная ρ = 10 -30 г/см 3 , T = 2.73 K

Дозвездный нуклеосинтез. Образование 4 He

Космологический синтез гелия – основной механизм его образования во Вселенной. Синтез гелия из водорода в звёздах увеличивает долю 4 He по массе в барионной материи примерно на 10%. Механизм дозвёздного образования гелия количественно объясняет распространённость гелия во Вселенной и является сильным аргументом в пользу догалактической фазы его образования и всей концепции Большого Взрыва.
Космологический нуклеосинтез позволяет объяснить распространённость во Вселенной таких легчайших ядер как дейтерий (2 H), изотопы 3 He и 7 Li. Однако их количества ничтожны по сравнению с ядрами водорода и 4 He. По отношению к водороду дейтерий образуется в количестве 10 -4 -10 -5 , 3 He – в количестве ≈ 10 -5 , а 7 Li – в количестве ≈ 10 -10 .
Для объяснения образования химических элементов в 1948 году Г. Гамовым была выдвинута теория Большого взрыва. Согласно модели Гамова, синтез всех химических элементов происходил во время Большого взрыва в результате неравновесного захвата атомными ядрами нейтронов с испусканием γ-квантов и последующим β - -распадом образовавшихся ядер. Однако расчеты показали, что в этой модели невозможно объяснить образование химических элементов тяжелее Li. Оказалось, что механизм образования лёгких ядер (A < 7) связан с условиями, существовавшими во Вселенной в течение первых трех минут. Более тяжелые ядра образовались в результате ядерных реакций, происходящих при горении звезд.

Дозвездная стадия образования легчайших ядер. На этапе эволюции Вселенной через 100 с после Большого взрыва при температуре ~ 10 9 К вещество во Вселенной состояло из протонов p, нейтронов n, электронов e - , позитронов e + , нейтрино ν, антинейтрино и фотонов γ. Излучение, находилось в тепловом равновесии с электронами e - , позитронами e + и нуклонами.

В условиях термодинамического равновесия вероятность образования системы с энергией E N , равной энергии покоя нуклона, описывается распределением Гиббса . Поэтому в условиях термодинамического равновесия соотношение между числом нейтронов и протонов будет определяться разностью масс нейтрона и протона

Образование электрон-позитронных пар прекращается при Т < 10 10 К, так как энергии фотонов становятся ниже порога образования e - e + -пар (~ 1 МэВ). К концу равновесной стадии на каждый нейтрон приходилось 5 протонов. Так как на этом этапе эволюции Вселенной плотность протонов и нейтронов была велика, сильное ядерное взаимодействие между ними привело к образованию 4 He и небольшого количества изотопов Li и Be.

Основные реакции дозвездного нуклеосинтеза:

p + n → d + γ, d + p → 3 He + γ,		3 He + n → 3 He + p
d + d →	3 He + n,	3 He + n 3 H + p, 3 H + p 4 He + , 3 H + d 4 He + n.
	3 H + p,

Так как стабильных ядер с А = 5 не существует, ядерные реакции завершаются в основном образованием 4 Не. 7 Ве, 6 Li и 7 Li составляют лишь ~ 10 –9 – 10 –12 от образования изотопа 4 Не. Практически все нейтроны исчезают, образуя ядра 4 Не. При плотности вещества ρ ~ 10 –3 – 10 –4 г/см 3 вероятность того, что нейтрон и протон не провзаимодействуют за время первичного нуклеосинтеза составляет менее 10 –4 . Так как в начале на один нейтрон приходилось 5 протонов, соотношение между числом ядер 4 Не и р должно быть ~ 1/10. Таким образом, соотношение распространенностей водорода и гелия, наблюдаемое в настоящее время, сформировалось в течение первых минут существования Вселенной. Расширение Вселенной привело к понижению её температуры и прекращению первичного дозвездного нуклеосинтеза.

Образование химических элементов в звездах. Так как процесс нуклеосинтеза на ранней стадии эволюции Вселенной закончился образованием водорода, гелия и небольшого количества Li, Be, В, необходимо было найти механизмы и условия, при которых могли образоваться более тяжелые элементы.
Г.Бете и К.Вайцзеккер показали, что соответствующие условия существуют внутри звезд. Более тяжелые ядра образовались лишь через миллиарды лет после Большого взрыва в процессе звездной эволюции. Образование химических элементов в звездах начинается с реакции горения водорода с образованием 4 Не.

Г. Бете, 1968 г.: «С незапамятных времен люди хотели знать, за счёт чего поддерживается свечение Солнца. Первая попытка научного объяснения была предпринята Гельмгольцем около ста лет назад. Она была основана на использовании самых известных в то время сил – сил всемирного тяготения. Если один грамм вещества падает на поверхность Солнца, он приобретает потенциальную энергию

E п = -GM/R = -1.91·10 15 эрг/г.

Известно, что в настоящее время мощность излучения Солнца определяется величиной

ε = 1.96 эрг/г×с.

Следовательно, если источником энергии является тяготение, запас гравитационной энергии может обеспечить излучение в течение 10 15 с, т.е. в период около тридцати миллионов лет…
В конце XIX века Беккерель, Пьер и Мария Кюри открыли радиоактивность. Открытие радиоактивности позволило определить возраст Земли. Несколько позже удалось определить возраст метеоритов, по которому можно было судить, когда в Солнечной системе появилось вещество в твердой фазе. Из этих измерений можно было установить, что возраст Солнца с точностью до 10% составляет 5 млрд. лет. Таким образом, тяготение не может обеспечить нужный запас энергии на всё это время…
С начала 30-х годов стали склоняться к тому, что звездная энергия возникла за счет ядерных реакций… Простейшей из всех возможных реакций будет реакция

H + H → D + e + + ν.

Так как процесс первичного нуклеосинтеза завершился в основном образованием ядер 4 He в результате реакций взаимодействия p + n, d + d, d + 3 He, d + 3 H и были израсходованы все нейтроны, необходимо было найти условия, при которых образовались более тяжелые элементы. В 1937 г. Г. Бете создал теорию, объясняющую происхождение энергии Солнца и звезд в результате реакций слияния ядер водорода и гелия, идущими в центре звезд. Так как в центре звезд не было достаточного количества нейтронов для реакций типа p + n, то в них могли продолжаться только реакции
p + p → d + e + + ν. Эти реакции протекали в звездах, когда температура в центре звезды достигала 10 7 К, а плотность − 10 5 кг/м 3 . То обстоятельство, что реакция p + p → d + e + + ν происходила в результате слабого взаимодействия, объясняло особенности диаграммы Герцшпрунга–Рассела.

Нобелевская премия по физике
1967 г. − Г. Бете
За вклад в теорию ядерных реакций, и особенно за открытие источника энергии звезд.

Сделав разумные предположения о силе реакций на основе общих принципов ядерной физики, я обнаружил в 1938 г., что углеродно-азотный цикл может обеспечить необходимое выделение энергии на Солнце… Углерод служит только катализатором; результатом реакции является комбинация четырех протонов и двух электронов, образующих ядро 4 He. В этом процессе испускаются два нейтрино, уносящих с собой энергию примерно 2 МэВ. Остающаяся энергия около 25 МэВ на цикл освобождается и поддерживает температуру Солнца неизменной… Это была та основа, на которой Фаулер и другие рассчитали скорости реакции в (С,N)-цикле» .

Горение водорода. Возможны две различные последовательности реакций горения водорода - преобразование четырех ядер водорода в ядро 4 He, которое может обеспечить достаточное выделение энергии для поддержания светимости звезды:

• протон-протонная цепочка (рр-цепочка), в которой водород превращается непосредственно в гелий;
• углеродно-азотно-кислородный цикл (CNO-цикл), в котором в качестве катализаторов участвуют ядра С, N и О.

Какая из этих двух реакций играет более существенную роль, зависит от температуры звезды. В звездах, имеющих массу, сравнимую с массой Солнца, и меньше, доминирует протон-протонная цепочка. В более массивных звездах, имеющих более высокую температуру, основным источником энергии является CNO-цикл. При этом, естественно, необходимо, чтобы в составе звездного вещества присутствовали ядра С, N и О. Температура внутренних слоев Солнца составляет 1.5∙10 7 К и доминирующую роль в выделении энергии играет протон-протонная цепочка.

Зависимость от температуры логарифма скорости V выделения энергии в водородном (pp) и углеродном (CNO) циклах

Горение водорода. Протон-протонная цепочка. Ядерная реакция

p + p → 2 H + e + + ν e + Q,

начинается в центральной части звезды при плотностях ≈100 г/см 3 . Эта реакция останавливает дальнейшее сжатие звезды. Тепло, выделяющееся в процессе термоядерной реакции горения водорода, создаёт давление, которое противодействует гравитационному сжатию и не позволяет звезде коллапсировать. Происходит качественное изменение механизма выделения энергии в звезде. Если до начала ядерной реакции горения водорода нагревание звезды происходило, главным образом, за счёт гравитационного сжатия, то теперь появляется другой доминирующий механизм – энергия выделяется за счёт ядерных реакций синтеза.

Звезда приобретает стабильные размеры и светимость, которые для звезды с массой, близкой к солнечной, не меняется в течение миллиардов лет, пока происходит «сгорание» водорода. Это самая длительная стадия звёздной эволюции. В результате сгорания водорода из каждых четырёх ядер водорода образуется одно ядро гелия. Наиболее вероятная цепочка ядерных реакций на Солнце, приводящих к этому, носит название протон-протонного цикла и выглядит следующим образом:

p + p → 2 H + e + + ν e + 0.42 МэВ,
p + 2 H → 3 He + 5.49 МэВ,
3 He + 3 He → 4 He + p + p + 12.86 МэВ

или в более компактном виде

4p → 4 He + 2e + + 2ν e + 24.68 МэВ.

Единственным источником, дающим информацию о событиях, происходящих в недрах Солнца, являются нейтрино. Спектр нейтрино, образующихся на Солнце в результате горения водорода в реакции 4p → 4 He и в CNO-цикле, простирается от энергии 0.1 МэВ до энергии ~12 МэВ. Наблюдение солнечных нейтрино позволяет осуществить непосредственную проверку модели термоядерных реакций на Солнце.
Выделяемая энергия в результате рр-цепочки составляет 26.7 МэВ. Испускаемые Солнцем нейтрино зарегистрированы наземными детекторами, что подтверждает протекание на Солнце реакции синтеза.
Горение водорода. CNO-цикл. Особенность CNO-цикла состоит в том, что он, начинаясь с ядра углерода, сводится к последовательному связыванию 4-х протонов с образованием в конце CNO-цикла ядра 4 Не

l2 C + p → 13 N + γ
13 N → 13 C + e + + ν
13 C + p → 1 4 N + γ
14 N + p → 15 O + γ
15 O → 15 N + e + + ν
15 N + p → 12 C + 4 He

CNO-цикл

Цепочка реакций I

12 C + p → 13 N + γ (Q = 1.94 МэВ),
13 N → 13 C + e + + ν e (Q = 1.20 МэВ, T 1/2 = 10 мин),
13 C + p → 1 4 N + γ (Q = 7.55 МэВ),
14 N + p → 15 O + γ (Q = 7.30 МэВ),
15 O → 15 N + e + + ν e (Q = 1.73 МэВ, T 1/2 = 124 с),
15 N + p → 12 C + 4 He (Q = 4.97 МэВ).

Цепочка реакций II

15 N + p → 16 O + γ (Q = 12.13 МэВ),
16 O + p → 17 F + γ (Q = 0.60 МэВ),
17 F → 17 O + e + + ν e (Q = 1.74 МэВ, T 1/2 =66 c),
17 O + p → 14 N + ν (Q = 1.19 МэВ).

Цепочка реакций III

17 O + p → 18 F + γ (Q = 6.38 МэВ),
18 F → 18 O + e + + ν e (Q = 0.64 МэВ, T 1/2 =110 мин),
18 O + p → 15 N + α (Q = 3.97 МэВ).

Основное время эволюции звезды связано с горением водорода. При плотностях, характерных для центральной части звезды, горение водорода происходит при температуре (1–3)∙10 7 К. При этих температурах требуется 10 6 – 10 10 лет для того, чтобы значительная часть водорода в центре звезды переработалась в гелий. При дальнейшем повышении температуры в центре звезды могут образовываться более тяжелые химические элементы Z > 2. Звезды главной последовательности сжигают водород в центральной части, где из-за более высокой температуры ядерные реакции происходят наиболее интенсивно. По мере выгорания водорода в центре звезды реакция горения водорода начинает перемещаться к периферии звезды. Температура в центре звезды непрерывно возрастает и когда она достигнет 10 6 К начинаются реакции горения 4 Не. Реакция 3α → 12 C + γ наиболее важна для образования химических элементов. Она требует одновременного соударения трех α-частиц и возможна благодаря тому, что энергия реакции 8 Be + 4 He совпадает с резонансом возбужденного состояния 12 C. Наличие резонанса резко увеличивает вероятность слияния трех α-частиц.

Образование средних ядер A < 60. Какие ядерные реакции будут происходить в центре звезды, зависит от массы звезды, которая должна обеспечить высокую температуру за счет гравитационного сжатия в центре звезды. Так как теперь в реакциях синтеза участвуют ядра с большим Z, центральная часть звезды сжимается всё больше, температура в центре звезды повышается. При температурах несколько миллиардов градусов происходит разрушение ранее образовавшихся стабильных ядер, образуются протоны, нейтроны, α-частицы, высокоэнергичные фотоны, что приводит к образованию химических элементов всей Периодической таблицы Менделеева вплоть до железа. Образование химических элементов тяжелее железа происходит в результате последовательного захвата нейтронов и последующего β - -распада.
Образование средних и тяжелых ядер A > 60. В процессе термоядерного синтеза в звёздах образуются атомные ядра вплоть до железа. Дальнейший синтез невозможен, так как ядра группы железа обладают максимальной удельной энергией связи. Образованию более тяжёлых ядер в реакциях с заряженными частицами - протонами и другими лёгкими ядрами − препятствует увеличивающийся кулоновский барьер тяжелых ядер.

Образование элементов 4 He → 32 Ge.

Эволюция массивной звезды M > M

По мере вовлечения в процесс горения элементов с всё большими значениями Z температура и давление в центре звезды увеличиваются со всё возрастающей скоростью, что в свою очередь увеличивает скорость ядерных реакций. Если для массивной звезды реакция горения водорода продолжается несколько миллионов лет, то горение гелия происходит в 10 раз быстрее. Процесс горения кислорода длится около 6 месяцев, а горение кремния происходит за сутки.
Распространённость элементов, расположенных в области за железом, относительно слабо зависит от массового числа А. Это свидетельствует об изменении механизма образования этих элементов. Необходимо принять во внимание то, что большинство тяжёлых ядер являются β- радиоактивными. В образовании тяжёлых элементов решающую роль играют реакции захвата ядрами нейтронов (n, γ):

(A, Z) + n → (A+1, Z) + γ.

В результате цепочки чередующихся процессов захвата ядрами одного или нескольких нейтронов с последующим β - -распадом увеличиваются массовые числа А и заряд Z ядер и из исходных элементов группы железа образуются все более тяжёлые элементы вплоть до конца Периодической таблицы.

В стадии сверхновой центральная часть звезды состоит из железа и незначительной доли нейтронов и α-частиц – продуктов диссоциации железа под действием γ- квантов. В районе
M/M = 1.5 преобладает 28 Si. 20 Ne и 16 О составляют основную долю вещества в области от 1.6 до 6 M/M. Внешняя оболочка звезды (M/M > 8) состоит из водорода и гелия.
На этой стадии в ядерных процессах происходит не только выделение энергии, но и её поглощение. Массивная звезда теряет устойчивость. Происходит взрыв Сверхновой, при котором значительная часть химических элементов, образовавшихся в звезде, выбрасывается в межзвездное пространство. Если звезды первого поколения состояли из водорода и гелия, то в звездах последующих поколений уже в начальной стадии нуклеосинтеза присутствуют более тяжелые химические элементы.

Ядерные реакции нуклеосинтеза. Е. Бербидж, Г. Бербидж, В. Фаулер, Ф. Хойл в 1957 году дали следующее описание основных процессов звездной эволюции, в которых происходит образование атомных ядер.

1. Горение водорода, в результате этого процесса образуются ядра 4 Не.

Горение гелия. В результате реакции 4 Не + 4 Не + 4 Не → 12 С + γ образуются ядра 12 С.

2. α-процесс. В результате последовательного захвата α-частиц образуются α-частичные ядра 16 O, 20 Ne, 24 Mg, 28 Si, ...
3. е-процесс. При достижении температуры 5∙10 9 К в звездах в условиях термодинамического равновесия протекает большое количество разнообразных реакций, в результате чего образуются атомные ядра вплоть до Fe и Ni. Ядра с А ~ 60 – наиболее сильно связанные атомные ядра. Поэтому на них заканчивается цепочка ядерных реакций синтеза, сопровождающихся выделением энергии.
4. s-процесс. Ядра тяжелее Fe образуются в реакциях последовательного захвата нейтронов. Очень часто ядро, захватившее нейтрон, оказывается β - -радиоактивным. Прежде чем ядро захватит следующий нейтрон, оно может распасться в результате β - -распада. Каждый β - -распад повышает порядковый номер образующихся атомных ядер на единицу. Если интервал времени между последовательными захватами нейтронов больше периодов β - -распада, процесс захвата нейтронов называется s-процессом (slow). Таким образом, ядро в результате захвата нейтронов и последующих β - -распадов становится все тяжелее, но при этом оно не отходит слишком далеко от долины стабильности на N-Z-диаграмме.
5. r-процесс. Если скорость последовательного захвата нейтронов гораздо больше скорости β - -распада атомного ядра, то оно успевает захватить сразу большое число нейтронов. В результате r-процесса образуется нейтроноизбыточное ядро, сильно удаленное от долины стабильности. Лишь затем оно, в результате последовательной цепочки β - -распадов, превращается в стабильное ядро. Обычно считается, что г-процессы происходят в результате взрывов Сверхновых.
6. Р-процесс. Некоторые стабильные нейтронодефицитные ядра (так называемые обойденные ядра) образуются в реакциях захвата протона, в реакциях (γ ,n ) или в реакциях под действием нейтрино.

Синтез трансурановых элементов. В Солнечной системе сохранились лишь те химические элементы, время жизни которых больше возраста Солнечной системы. Это 85 химических элементов. Остальные химические элементы были получены в результате различных ядерных реакций на ускорителях или в результате облучения в ядерных реакторах. Синтез первых трансурановых элементов в лабораторных условиях был осуществлен с помощью ядерных реакций под действием нейтронов и ускоренных α-частиц. Однако дальнейшее продвижение к более тяжелым элементам оказалось таким способом практически невозможным. Для синтеза элементов тяжелее менделевия Md (Z = 101) используют ядерные реакции с более тяжелыми многозарядными ионами – углеродом, азотом, кислородом, неоном, кальцием. Для ускорения тяжелых ионов начали строиться ускорители многозарядных ионов.

Нобелевская премия по физике
1983 г. − В. Фаулер
За теоретические и экспериментальные исследования ядерных процессов важных при образовании химических элементов во Вселенной.

Год открытия	Химический элемент	Z	Реакция
1936	Np, Pu	93, 94
1945	Am	95
1961	Cm	96
1956	Bk	97
1950	Cf	98
1952	Es	99
1952	Fm	100
1955	Md	101
1957	No	102
1961	Lr	103
1964	Rf	104
1967-1970	Db	105
1974	Sg	106
1976	Bh	107
1984-1987	Hs	108
1982	Mt	109
1994	Ds	110
1994	Rg	111
1996	Cn	112
2004		113, 115
1998		114
2000		116
2009		117
2006		118

Э.Резерфорд: «Если существуют элементы более тяжелые чем уран, то вполне вероятно, что они окажутся радиоактивными. Исключительная чувствительность методов химического анализа, основанная на радиоактивности, позволит опознать эти элементы, даже если они будут присутствовать в ничтожно малых количествах. Поэтому можно ожидать, что число радиоактивных элементов в незначительных количествах гораздо больше, чем три известных в настоящее время радиоактивных элемента. Чисто химические методы исследования окажутся малопригодными на первом этапе изучения таких элементов. Основными факторами здесь являются постоянство излучения, их характеристики и существование или отсутствие эманаций или других продуктов распада».

Химический элемент с максимальным порядковым номером Z = 118 был синтезирован в Дубне в сотрудничестве с Ливерморской лабораторией США. Верхняя граница существования химических элементов связана с их нестабильностью относительно радиоактивного распада. Дополнительная устойчивость атомных ядер наблюдается вблизи магических чисел. Согласно теоретическим оценкам должны существовать дважды магические числа Z = 108, N = 162 и Z = 114, N = 184. Период полураспада ядер, имеющих такие числа протонов и нейтронов, может составить сотни тысяч лет. Это так называемые «острова стабильности». Проблема образования ядер «острова стабильности» состоит в сложности подбора мишеней и ускоряемых ионов. Синтезированные в настоящее время изотопы 108 – 112 элементов имеют слишком малое число нейтронов. Как следует из измеренных периодов полураспада изотопов 108 – 112 элементов увеличение числа нейтронов на 6 – 10 единиц (т.е. приближение к острову стабильности) приводит к увеличению периода α-распада в 10 4 – 10 5 раз.
Так как число сверхтяжелых ядер Z > 110 исчисляется единицами, необходимо было разработать метод их идентификации. Идентификация вновь образованных химических элементов проводится по цепочкам их последовательных α-распадов, что увеличивает надежность результатов. Такой метод идентификации трансурановых элементов имеет преимущество перед всеми другими методами, т.к. основан на измерении коротких периодов α-распада. В то же время химические элементы острова стабильности по теоретическим оценкам могут иметь периоды полураспада, превышающие месяцы и годы. Для их идентификации необходима разработка принципиально новых методов регистрации, основанных на идентификации единичного числа ядер в течение нескольких месяцев.

Г. Флеров, К, Петржак: «Предсказание возможного существования новой области в периодической системе элементов Д.И. Менделеева - области сверхтяжелых элементов (СТЭ) - является для науки об атомном ядре одним из самых существенных следствий эксперимен­тального и теоретического исследований процесса спонтанного деления. Сумма наших знаний об атомном ядре, полученная на протяжении по­следних четырех десятилетий, делает это предсказание достаточно надеж­ным и. что важно, не зависящим от выбора того или иного конкретного варианта оболочечной модели. Ответ на вопрос о существовании СТЭ означал бы, пожалуй, наиболее критическую проверку самой концепции об оболочечной структуре ядра - основной ядерной модели, успешно выдерживавшей до сих пор многие испытания при объяснении свойств известных атомных ядер.
Более конкретно устойчивость самых тяжелых ядер определяется главным образом их спонтанным делением, и потому необходимым условием существования таких ядер является наличие у них барьеров относительно деления. Для ядер от урана до фермия оболочечная составляющая в барье­ре деления, хотя и приводят к некоторым интереснейшим физическим явлениям, все же не оказывает критического влияния на их стабильность и проявляется в суперпозиции с жидкокапелъной составляющей барьера. В области СТЭ капельная составляющая барьера полностью исчезает, и ста­бильность сверхтяжелых ядер определяется проницаемостью чисто оболочечного барьера.
Вместе с тем, если для принципиального существования ядер СТЭ достаточно наличия барьера, то для экспериментальной проверки такого предсказания требуется знание времени жизни ядер СТЭ относительно спонтанного деления, так как при любой конкретной постановке эксперимента по их поиску невозможно охватить весь диапазон времен жизни - от 10 10 лет до 10 -10 с. Выбор методики эксперимента существенно зависит от того, в каком интервале времен жизни проводится исследование.
Как уже говорилось, неопределенность теоретического расчета периода спонтанного деления T SF слишком велика – не менее 8–10 порядков. Эта неопределенность априори не исключает ни одной из возможностей получения или обнаружения СТЭ, и в качестве направлений экспериментального решения проб­лемы можно выбрать как поиск СТЭ в природе (на Земле, в объектах космического происхождения, в составе космического излучения и т.д.), так и искусственное получение элементов на ускорителях (в ядерных реакциях между сложными ядрами).
Очевидно, что поиск СТЭ в земных объектах может привести к успеху только при счаст­ливом стечении двух обстоятельств. С одной стороны, должен существовать эффективный механизм нуклеосинтеза, с достаточной вероятностью приводящий к образованию атомных ядер СТЭ. С другой стороны, нужно, чтобы существовал хотя бы один нуклид, принадлежащий к новой области стабильности, который имел бы время жизни, сравнимое со временем жизни Земли, – 4.5 ·10 9 лет.
Если речь идет о присутствии СТЭ в объектах внеземного происхож­дении – в метеоритах, космическом излучении и т.п., то такие поиски могут привести к успеху даже в том случае, если время жизни ядер СТЭ существенно меньше 10 10 лет: такие объекты могут оказаться значительно моложе земных образцов (10 7 –10 8 лет)».

Гелий - инертный газ 18-й группы периодической таблицы. Это второй самый легкий элемент после водорода. Гелий - газ без цвета, запаха и вкуса, который становится жидким при температуре -268.9 °C. Точки кипения и замерзания его ниже, чем у любого другого известного вещества. Это единственный элемент, который не затвердевает при охлаждении при нормальном атмосферном давлении. Чтобы гелий перешел в твердое состояние, необходимо 25 атмосфер при температуре 1 К.

История открытия

Гелий был найден в газовой атмосфере, окружающей Солнце, французским астрономом Пьером Жансеном, который в 1868 году во время затмения обнаружил яркую желтую линию в спектре солнечной хромосферы. Первоначально предполагалось, что эта линия представляла элемент натрий. В том же году английский астроном Джозеф Норман Локьер наблюдал желтую линию в солнечном спектре, которая не соответствовала известным линиям натрия D 1 и D 2 , и поэтому он назвал ее линией D 3 . Локьер пришел к выводу, что она была вызвана веществом на Солнце, неизвестном на Земле. Он и химик Эдуард Франкленд в названии элемента использовали греческое название Солнца «гелиос».

В 1895 году британский химик сэр Уильям Рамзай доказал существование гелия на Земле. Он получил образец ураноносного минерала клевеита, и после исследования газов, образовавшихся при его нагреве, он обнаружил, что ярко-желтая линия в спектре совпадает с линией D 3 , наблюдаемой в спектре Солнца. Таким образом, новый элемент был окончательно установлен. В 1903 году Рамзи и Фредерик Содду определили, что гелий является продуктом спонтанного распада радиоактивных веществ.

Распространение в природе

Масса гелия составляет около 23% всей массы Вселенной, и элемент является вторым по распространенности в космосе. Он сосредоточен в звездах, где образуется из водорода в результате термоядерного синтеза. Хотя в земной атмосфере гелий находится в концентрации 1 часть на 200 тыс. (5 промилле) и в небольших количествах содержится в радиоактивных минералах, метеоритном железе, а также в минеральных источниках, большие объемы элемента встречаются в Соединенных Штатах (особенно в Техасе, Нью-Мексико, Канзасе, Оклахоме, Аризоне и Юте) в качестве компонента (до 7,6%) природного газа. Небольшие его запасы были обнаружены в Австралии, Алжире, Польше, Катаре и России. В земной коре концентрация гелия равна лишь около 8 частей на миллиард.

Изотопы

Ядро каждого атома гелия содержит два протона, но, как и у других элементов, у него есть изотопы. Они содержат от одного до шести нейтронов, поэтому их массовые числа находятся в диапазоне от трех до восьми. Стабильными из них являются элементы, у которых масса гелия определяется атомными числами 3 (3 He) и 4 (4 He). Все остальные радиоактивны и очень быстро распадаются на другие вещества. Земной гелий не является изначальной составляющей планеты, он образовался в результате радиоактивного распада. Альфа-частицы, испускаемые ядрами тяжелых радиоактивных веществ, представляют собой ядра изотопа 4 He. Гелий не накапливается в больших количествах в атмосфере, потому что гравитации Земли недостаточно, чтобы предотвратить его постепенную утечку в космос. Следы 3 He на Земле объясняются отрицательным бета-распадом редкого элемента водорода-3 (трития). 4 He является наиболее распространенным из стабильных изотопов: соотношение числа атомов 4 He к 3 He составляет около 700 тыс. к 1 в атмосфере и около 7 млн к 1 в некоторых гелийсодержащих минералах.

Физические свойства гелия

Температура кипения и плавления у этого элемента самые низкие. По этой причине гелий существует в за исключением экстремальных условий. Газообразный He в воде растворяется меньше, чем какой-либо другой газ, а скорость диффузии через твердые тела в три раза больше, чем у воздуха. Его показатель преломления ближе всего приближается к 1.

Теплопроводность гелия уступает лишь теплопроводности водорода, а его удельная теплоемкость необычайно высокая. При обычных температурах при расширении он нагревается, а ниже 40 K - охлаждается. Поэтому при Т<40 K гелий можно превратить в жидкость путем расширения.

Элемент является диэлектриком, если не находится в ионизированном состоянии. Как и у других благородных газов, у гелия есть метастабильные энергетические уровни, которые позволяют ему оставаться ионизированным в электрическом разряде, когда напряжение остается ниже потенциала ионизации.

Гелий-4 уникален тем, что обладает двумя жидкими формами. Обычная называется гелий I и существует при температурах от точки кипения 4,21 К (-268,9 °C) до около 2,18 К (-271 °C). Ниже 2,18 K теплопроводность 4 He становится в 1000 раз больше, чем у меди. Эта форма называется гелий II, чтобы отличить ее от обычной. Она обладает сверхтекучестью: вязкость настолько низкая, что не может быть измерена. Гелий II растекается в тонкую пленку на поверхности любого вещества, которого касается, и эта пленка течет без трения даже против силы тяжести.

Менее обильный гелий-3 образует три различные жидкие фазы, две из которых сверхтекучи. Сверхтекучесть в 4 He была обнаружена советским физиком в середине 1930-х годов, и такое же явление в 3 He было впервые замечено Дугласом Д. Ошеровым, Дэвидом М. Ли, и Робертом С. Ричардсоном из США в 1972 году.

Жидкая смесь двух изотопов гелия-3 и -4 при температурах ниже 0,8 К (-272.4 °C) разделяется на два слоя - практически чистого 3 He и смеси 4 He с 6% гелия-3. Растворение 3 He в 4 He сопровождается охлаждающим эффектом, который используется в конструкции криостатов, в которых температура гелия опускается ниже 0,01 К (-273,14 °C) и поддерживается такой в течение нескольких дней.

Соединения

В нормальных условиях гелий химически инертен. В экстремальных можно создать соединения элемента, которые при нормальных показателях температуры и давления не являются стабильными. Например, гелий может образовывать соединения с йодом, вольфрамом, фтором, фосфором и серой, когда он подвергается действию электрического тлеющего разряда при бомбардировке электронами или в состоянии плазмы. Таким образом, были созданы HeNe, HgHe 10 , WHe 2 и молекулярные ионы Не 2 + , Не 2 ++ , HeH + и HeD + . Эта техника также позволила получить нейтральные молекулы Не 2 и HgHe.

Плазма

Во Вселенной преимущественно распространен ионизированный гелий, свойства которого существенно отличаются от молекулярного. Электроны и протоны его не связаны, и он обладает очень высокой электропроводностью даже в частично ионизированном состоянии. На заряженные частицы сильное воздействие оказывают магнитные и электрические поля. Например, в солнечном ветре ионы гелия вместе с ионизированным водородом взаимодействуют с магнитосферой Земли, вызывая северные сияния.

Открытие месторождений в США

После бурения скважины в 1903 году в Декстере, штат Канзас, был получен негорючий газ. Первоначально не было известно, что в нем содержится гелий. Какой газ был найден, определил геолог штата Эразмус Хаворт, который собрал его образцы и в университете Канзаса с помощью химиков Кэди Гамильтона и Дэвида Макфарланда обнаружил, что тот содержит 72% азота, 15% метана, 1% водорода и 12% не было идентифицировано. Проведя последующие анализы, ученые обнаружили, что 1,84% пробы составляет гелий. Так узнали о том, что данный химический элемент присутствует в огромных количествах в недрах Великих равнин, откуда его можно извлечь из природного газа.

Промышленное производство

Это сделало Соединенные Штаты лидером мирового производства гелия. По предложению сэра Ричарда Трельфалла, ВМС США профинансировали три небольших экспериментальных завода для получения этого вещества во время Первой мировой войны с целью обеспечить заградительные аэростаты легким негорючим подъемным газом. По данной программе были произведены в общей сложности 5700 м 3 92-процентного He, хотя до этого были получены лишь менее 100 л газа. Часть этого объема была использована в первом в мире гелиевом дирижабле С-7, который совершил свой первый рейс из Хэмптон-Роудс в Боллинг-Филд 7 декабря 1921 года.

Хотя процесс низкотемпературного сжижения газа в то время не был достаточно разработан, чтобы оказаться существенным во время Первой мировой войны, производство продолжалось. Гелий в основном использовался в качестве подъемного газа в летательных аппаратах. Спрос на него вырос во время Второй мировой войны, когда его стали применять при экранированной дуговой сварке. Элемент также имел важное значение в проекте создания атомной бомбы «Манхэттен».

Национальный запас США

В 1925 году правительство Соединенных Штатов создало Национальный запас гелия в Амарилло, штат Техас, с целью обеспечения военных дирижаблей во время войны и коммерческих воздушных кораблей в мирное время. Использование газа после Второй мировой сократилось, но запас был увеличен в 1950-х годах для обеспечения, среди прочего, его поставок в качестве теплоносителя, применяемого в производстве кислородно-водородного ракетного топлива в период космической гонки и холодной войны. Использование гелия в США в 1965 году в восемь раз превысило пиковое потребление военного времени.

После принятия закона о гелии 1960 года Горное бюро подрядило 5 частных предприятий для извлечения элемента из природного газа. Для этой программы был построен 425-км газопровод, соединивший эти заводы с правительственным частично истощенным газовым месторождением неподалеку от Амарилло в Техасе. Гелий-азотная смесь закачивалась в подземное хранилище и оставалась там, пока в ней не возникала необходимость.

К 1995 году был собран запас объемом миллиард кубометров, а задолженность Национального резерва составила 1,4 млрд долларов, что побудило Конгресс США в 1996 г. поэтапно отказаться от него. После принятия в 1996 г. закона о приватизации гелия Министерство природных ресурсов приступило к ликвидации хранилища в 2005 году.

Чистота и объемы производства

Гелий, произведенный до 1945 года, имел чистоту около 98%, остальные 2% приходились на азот, что было достаточным для дирижаблей. В 1945 г. было произведено небольшое количество 99,9-процентного газа для использования в дуговой сварке. К 1949 г. чистота получаемого элемента достигла 99,995%.

На протяжении многих лет Соединенные Штаты производили более 90% мирового объема коммерческого гелия. Начиная с 2004 года, ежегодно его вырабатывалось 140 млн м 3 , 85% из которых приходится на США, 10% производилось в Алжире, а остальное - в России и Польше. Основными источниками гелия в мире являются газовые месторождения Техаса, Оклахомы и Канзаса.

Процесс получения

Гелий (чистотой 98,2%) выделяют из природного газа путем сжижения других компонентов при низких температурах и при высоких давлениях. Адсорбция других газов охлажденным активированным углем позволяет добиться чистоты 99,995%. Небольшой объем гелия производится при сжижении воздуха в больших масштабах. Из 900 т воздуха можно получить около 3,17 куб. м газа.

Сферы применения

Благородный газ нашел применение в разных областях.

• Гелий, свойства которого позволяют получать сверхнизкие температуры, используется как охлаждающий агент в Большом адронном коллайдере, сверхпроводящих магнитах аппаратов МРТ и спектрометров ядерного магнитного резонанса, спутниковой аппаратуры, а также для сжижения кислорода и водорода в ракетах «Аполлон».
• В качестве инертного газа для сварки алюминия и др. металлов, при производстве оптоволокна и полупроводников.
• Для создания давления в топливных баках ракетных двигателей, особенно тех, которые работают на жидком водороде, т. к. только гелий газообразный сохраняет свое агрегатное состояние, когда водород остается жидким);
• He-Ne используются для сканирования штрих-кодов на кассах в супермаркетах.
• Гелий-ионный микроскоп позволяет получить лучшие изображения, чем электронный.
• Благодаря высокой проницаемости благородный газ используется для проверки утечек, например, в системах кондиционирования воздуха автомобилей, а также для быстрого наполнения подушек безопасности при столкновении.
• Низкая плотность позволяет наполнять декоративные шары с гелием. Инертный газ заменил взрывоопасный водород в дирижаблях и воздушных шарах. Например, в метеорологии, шары с гелием используются для подъема измерительных приборов.
• В криогенной технике служит теплоносителем, поскольку температура этого химического элемента в жидком состоянии минимально возможная.
• Гелий, свойства которого обеспечивают ему низкую реактивность и растворимость в воде (и крови), в смеси с кислородом нашел применение в дыхательных составах для подводного плавания с аквалангом и проведения кессонных работ.
• Метеориты и горные породы анализируются на содержание данного элемента для определения их возраста.

Гелий: свойства элемента

Основные физические свойства He следующие:

• Атомный номер: 2.
• Относительная масса атома гелия: 4,0026.
• Точка плавления: нет.
• Точка кипения: -268,9 °C.
• Плотность (1 атм, 0 °C): 0,1785 г/п.
• Состояния окисления: 0.

Через несколько поколений воздушные шары могут стать историей. Купите воздушный шарик. Отпустите его и смотрите, как он сжимается в крошечную точку и исчезает в стратосфере. Потом он или взлетит слишком далеко и треснет, или из него медленно выйдут компоненты, которые легче воздуха. Так или иначе, гелий улетучится из воздушного шарика и из атмосферы. Земной гелий буквально улетает в космос.

Это будущее мирового гелия в ближайшие сто лет, говорят ученые. Такова судьба газа, который легче воздуха: гравитация просто не может его удержать. Земная кора выделяет немного гелия, но он быстро уходит из атмосферы. Количество гелия в ней стабильно держится на 0,00052 объемного процента. Извлекать столь маленькое количество из воздуха было бы очень дорого. Гелий, который можно покупать и использовать, добывается из природных газовых резервов, в основном в США.

Использованный (в воздушных шариках, магнитно-резонансной томографии или ракетах) гелий поднимается вверх, вверх и прочь. Поскольку запасы гелия понемногу истощаются, цены на него уже начинают расти и воздушные шары уступают место более серьезным способам его применения. Через сотню лет воздушный шарик, возможно, обойдется дороже кольца из чистого золота. Несмотря на то, что ученые знали о надвигающемся дефиците гелия еще несколько десятилетий назад, это стало новостью только в последние пять лет.

Почему? Причины кроются в сложной политической истории гелия.

Как мы к этому пришли?

Гелиос на колеснице Солнца. Никола Бертен (Nicolas Bertin)

В 1868 гелий впервые был замечен как линия в спектре света во время солнечного затмения. Название «гелий» связано с греческим богом Гелиосом, который каждый день возил солнце по небу на золотой колеснице. В 1895 году шотландский химик Уильям Рамзай впервые обнаружил этот газ на Земле. В том же году шведские химики Пер Теодор Клеве и Абрам Ленгле собрали достаточно газа, чтобы определить его атомный номер — 2.

Элемент присутствует в солнечной энергии, потому что Солнце — огромный шар из водорода и гелия. Притяжение Солнца настолько сильно, что в его центре атомы водорода (с одним протоном) сплавляются и становятся атомами гелия (с двумя протонами). Этот процесс называется термоядерной реакцией и высвобождает энергию — в количестве, достаточном, чтобы мы видели солнечный свет и чувствовали тепло на расстоянии 150 000 000 км. Но нам не достается солнечный гелий. Этот газ, впервые выделенный учеными, был побочным продуктом растворения настурана (наиболее распространенного минерала урана) в кислоте — процесса и радиоактивного, и дорогого.

В 1903 году нефтяная вышка в Канзасе обнаружила гейзер разочаровывающе негорючего газа. Этот газ отправился в лабораторию на анализ и оказался 1.8% гелием — намного более концентрированным, чем тот, который содержится в атмосфере. Инженеры начали изучать газ из других скважин в стране, и в результате в 1906 году ученые заявили: «Гелий — не редкий, а распространенный элемент, и нам предстоит найти применение его обширным запасам».

Почему гелий намного больше, чем водород, подходит для дирижаблей

Оказавшись распространенным веществом, гелий стал естественным решением для резиновых шаров и дирижаблей, которые раньше заполняли столь же легким, но огнеопасным водородом. Гелий менее распространен за пределами США, и правительство хотело сохранить это преимущество. В 1925 году Конгресс утвердил Федеральный запас гелия для военных и коммерческих дирижаблей, а принятый в 1927 году закон запрещал экспорт гелия. В результате дирижабли других стран, например, Гинденбург, по-прежнему заправлялись водородом, что и привело к известной катастрофе.

Вскоре были найдены и другие способы использования ресурса. У него самая низкая температура кипения среди всех известных веществ — минус 269 градусов Цельсия, поэтому в жидком состоянии гелий — идеальный хладагент. Кипящая жидкость сохраняет температуру, при которой кипит, до тех пор, пока остается жидкостью, — она не становится горячее. Вода не может быть горячее ста градусов, и жидкий гелий не может быть горячее -269. Ресурс начали использовать для изоляции сварочных дуг, а позже — в сверхпроводниках, ядерных реакторах и криогенике. Сейчас этот газ чаще всего используется именно как охладитель.

Со времен Манхэттенского проекта гелий используется для поиска утечек: это инертный газ, который не реагирует с другими веществами и проникает в отверстия очень быстро. Он используется для измерения радиации и в медицинской визуализации.

Температура магнитов в аппарате для магнитно-резонансной томографии поддерживается с помощью гелия.

Федеральный запас

Хотя использование дирижаблей, заполненных гелием, прекратилось, во второй половине двадцатого века Федеральный запас гелия продолжал существовать и расширяться, потому что газ был полезен для правительственных нужд, в основном для космической и оборонной промышленности.

В 1996 году Федеральный запас составил миллиард кубических метров, но перестал представлять интерес для американского правительства, отчасти из-за плохого финансового менеджмента. «Вашингтон пост» писала: «В 1996 году запас гелия выглядит транжирством. Дирижабли перестали быть жизненно важной частью военно-воздушного флота, и, главное, заплатив бурильщикам за извлечение гелия из природного газа, хранилище осталось должно $1 400 000 000».

И Рейган, и Клинтон обещали решить эту проблему, и в 1996 году Конгресс принял закон о приватизации гелия. С 2005 года запас следовало начать распродавать по фиксированной цене, а не по рыночной стоимости, а к 2015 году планировалось закончить продажи и закрыть хранилище.

Воздушный шар на Параде Дня благодарения Macy’s (Macy"s Thanksgiving Day Parade)

Поэтому рынок наполнился гелием, его цена резко упала, а потребление, по мнению защитников природы, резко возросло. «Из-за этого закона гелий слишком подешевел и не воспринимается как ценный ресурс. Его транжирят. [...] Гелий не удавалось распродать так быстро, как хотелось, и мировые цены на него смехотворно низки», — сказал в 2010 году нобелевский лауреат Роберт Ричардсон (Robert Richardson).

Профессор Ричардсон считает, что цены на гелий нужно увеличить в 20-50 раз, чтобы стимулировать его вторичное использование. Например, НАСА даже не пытается заново использовать гелий после чистки баков для ракетного топлива, на которую тратится очень много этого газа. Также профессор Ричардсон считает, что воздушные шарики, наполненные гелием, стоят слишком дешево. Каждый из них должен стоит около $100 — такова ценность газа, который в них находится.

Ричардсон считает, что, если нынешние темпы потребления сохранятся, то мировых запасов гелия хватит примерно на сто лет.

Вместо того, чтобы поощрять частный сектор в производстве гелия, распродажа запасов привела к прямо противоположному результату. Газ стал настолько дешевым, что никто не видел ни необходимости, ни выгоды в том, чтобы добывать его самостоятельно. В преддверии 2015 года ученые забили тревогу: если запасы будут распроданы согласно плану, их будет уже не восстановить. Соединенные Штаты, добывающие около 70% всего гелия на планете, остаются мировым лидером по его добыче, а значит, его дефицит в США может стать причиной проблем во всем мире.

В 2013 году был утвержден Закон о стратегическом контроле над гелием, разрешивший продавать его с аукциона до 2021 года, так что цена скоро приблизится к рыночной — после того, как огромная часть запасов разошлась за копейки.

Гелий сегодня

Даже если аукцион постепенно решит проблему с ценами, гелий — невозобновимый ресурс. Ожидается, что запасы истощатся к 2020 году, и даже если этого не произойдет, по нынешним законам хранилище данного газа должно быть закрыто к 2021 году. В то же время, во всем мире отчаянно ищут альтернативные хладагенты, левитаторы и источники гелия.

Геологическая служба США пишет: «К концу десятилетия международные установки по добыче гелия, скорее всего, станут главным его источником для мировых нужд. Такие установки уже созданы в Алжире и Катаре». Китай планирует добывать гелий-3, который сейчас в основном только производится, на Луне.

Многие потребители, глядя на растущие цены, начали искать способы вторичного использования гелия. В зависимости от того, к чему приведут эти усилия, мы, может быть, отсрочим тот день, когда связка воздушных шариков станет такой же безумной роскошью, как серебряные столовые приборы или облицованные слоновой костью клавиши фортепиано.