تكوين النوى الذرية.

الهيليوم(هو) هو غاز خامل ، وهو العنصر الثاني في النظام الدوري للعناصر ، وكذلك العنصر الثاني من حيث الخفة والانتشار في الكون. إنه ينتمي إلى مواد بسيطة وتحت الظروف القياسية (درجة الحرارة والضغط القياسيان) هو غاز أحادي الذرة.

الهيليومليس له طعم ولا لون ولا رائحة ولا يحتوي على سموم.

من بين جميع المواد البسيطة ، يحتوي الهيليوم على أقل نقطة غليان (T = 4.216 K). عند الضغط الجوي ، من المستحيل الحصول على الهيليوم الصلب ، حتى في درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق - للوصول إلى شكل صلب ، يحتاج الهيليوم إلى ضغط أعلى من 25 ضغطًا جويًا. يوجد عدد قليل من المركبات الكيميائية للهيليوم وجميعها غير مستقرة في ظل الظروف القياسية.
يتكون الهيليوم الموجود بشكل طبيعي من نظيرين مستقرين ، هو و 4 ه. نظير "هي" نادر جدًا (وفرة النظائر 0.00014٪) بنسبة 99.99986٪ لنظير 4He. بالإضافة إلى 6 نظائر إشعاعية طبيعية للهيليوم معروفة أيضًا.
كان ظهور كل شيء تقريبًا في الكون ، الهيليوم ، هو عملية التخليق النووي الأولية التي حدثت في الدقائق الأولى بعد الانفجار العظيم.
في الوقت الحاضر ، تقريبا كل شيء الهيليوميتكون من الهيدروجين نتيجة الاندماج الحراري النووي الذي يحدث في باطن النجوم. على كوكبنا ، يتشكل الهيليوم في عملية اضمحلال ألفا للعناصر الثقيلة. هذا الجزء من الهيليوم الذي يتمكن من التسرب عبر قشرة الأرض يخرج كجزء من الغاز الطبيعي ويمكن أن يصل إلى 7٪ من تركيبته. ما يجب تسليط الضوء عليه الهيليوممن الغاز الطبيعي ، يتم استخدام التقطير التجزيئي - عملية فصل العناصر بدرجة حرارة منخفضة.

تاريخ اكتشاف الهليوم

في 18 أغسطس 1868 ، كان من المتوقع حدوث كسوف كلي للشمس. يستعد علماء الفلك حول العالم بنشاط لهذا اليوم. كانوا يأملون في حل لغز البروز - الإسقاطات المضيئة التي كانت مرئية في وقت حدوث كسوف كلي للشمس على طول حواف القرص الشمسي. يعتقد بعض علماء الفلك أن البروز عبارة عن جبال قمرية عالية ، والتي ، في وقت حدوث كسوف كلي للشمس ، كانت مضاءة بأشعة الشمس ؛ يعتقد البعض الآخر أن البروز جبال على الشمس نفسها ؛ لا يزال آخرون يرون السحب النارية للغلاف الجوي الشمسي في الإسقاطات الشمسية. اعتقد الغالبية أن البروز ليس أكثر من خداع بصري.

في عام 1851 ، خلال كسوف للشمس لوحظ في أوروبا ، لم يكتف عالم الفلك الألماني شميت برؤية الإسقاطات الشمسية فحسب ، بل تمكن أيضًا من إدراك أن الخطوط العريضة لها تتغير بمرور الوقت. بناءً على ملاحظاته ، خلص شميدت إلى أن البروزات عبارة عن سحب غازية متوهجة تقذف إلى الغلاف الجوي الشمسي عن طريق الانفجارات العملاقة. ومع ذلك ، حتى بعد ملاحظات شميدت ، لا يزال العديد من علماء الفلك يعتبرون الحواف النارية خداعًا بصريًا.

فقط بعد الكسوف الكلي في 18 يوليو 1860 ، والذي لوحظ في إسبانيا ، عندما رأى العديد من علماء الفلك الإسقاطات الشمسية بأعينهم ، ولم يتمكن الإيطالي Secchi والفرنسي Dellar من رسمها فحسب ، بل أيضًا تصويرها ، كان لديه أي شكوك حول وجود بروز.

بحلول عام 1860 ، كان قد تم بالفعل اختراع مطياف - جهاز يجعل من الممكن ، من خلال مراقبة الجزء المرئي من الطيف البصري ، تحديد التركيب النوعي للجسم الذي يتم الحصول على الطيف المرصود منه. ومع ذلك ، في يوم كسوف الشمس ، لم يستخدم أي من علماء الفلك مطيافًا لعرض طيف البروزات. تم تذكر الطيف عندما انتهى الكسوف بالفعل.

لهذا السبب ، أثناء التحضير لكسوف الشمس في عام 1868 ، قام كل عالم فلك بتضمين مطياف في قائمة أدوات المراقبة. لم ينس العالم الفرنسي الشهير Jules Jansen هذا الجهاز عندما ذهب إلى الهند لمراقبة البروزات ، حيث كانت الظروف لرصد كسوف الشمس ، وفقًا لحسابات علماء الفلك ، هي الأفضل.

في الوقت الذي كان فيه قرص الشمس المتلألئ مغطى بالكامل بالقمر ، قام جول يانسن بفحص مطياف اللهب البرتقالي والأحمر المتسرب من سطح الشمس ، ورأى في الطيف ، بالإضافة إلى ثلاثة خطوط مألوفة من الهيدروجين : الأحمر والأخضر والأزرق والأزرق ، جديد ، غير مألوف - أصفر لامع. لم يكن لدى أي من المواد المعروفة للكيميائيين في ذلك الوقت مثل هذا الخط في الجزء من الطيف حيث اكتشفه Jules Jansen. نفس الاكتشاف ، ولكن في المنزل في إنجلترا ، قام به عالم الفلك نورمان لوكير.

في 25 أكتوبر 1868 ، تلقت أكاديمية باريس للعلوم رسالتين. إحداها ، كتبت في اليوم التالي لكسوف الشمس ، جاءت من جونتور ، وهي بلدة صغيرة على الساحل الشرقي للهند ، من جول يانسن. رسالة أخرى بتاريخ 20 أكتوبر 1868 كانت من إنجلترا من نورمان لوكير.

تمت قراءة الرسائل الواردة في اجتماع لأساتذة أكاديمية باريس للعلوم. في كل منهما ، أبلغ جول يانسن ونورمان لوكير ، بشكل مستقل عن بعضهما البعض ، عن اكتشاف نفس "المادة الشمسية". هذه المادة الجديدة ، الموجودة على سطح الشمس باستخدام مطياف ، اقترح لوكير استدعاء الهيليوم من الكلمة اليونانية التي تعني "الشمس" - "هيليوس".

فاجأت مثل هذه المصادفة الاجتماع العلمي لأساتذة الأكاديميات وشهدت في نفس الوقت على الطبيعة الموضوعية لاكتشاف مادة كيميائية جديدة. تكريما لاكتشاف مادة المشاعل الشمسية (البروز) ، تم إخراج ميدالية. على أحد جانبي هذه الميدالية ، نُقشت صور يانسن ولوكير ، وعلى الجانب الآخر ، صورة لإله الشمس اليوناني القديم أبولو في عربة رسمها أربعة خيول. تحت العربة كان هناك نقش بالفرنسية: "تحليل إسقاطات الطاقة الشمسية في 18 أغسطس 1868."

في عام 1895 ، لفت الكيميائي اللندني هنري مايرز انتباه ويليام رامزي ، الكيميائي الفيزيائي الإنجليزي الشهير ، إلى المقال المنسي للجيولوجي هيلدبراند. في هذه المقالة ، جادل هيلدبراند بأن بعض المعادن النادرة ، عند تسخينها في حمض الكبريتيك ، تنبعث منها غاز لا يحترق ولا يدعم الاحتراق. من بين هذه المعادن النادرة كان kleveite ، الذي وجده في النرويج Nordenskiöld ، المستكشف السويدي الشهير للمناطق القطبية.

قرر رامزي التحقيق في طبيعة الغاز الموجود في الكلفيت. في جميع متاجر المواد الكيميائية في لندن ، تمكن مساعدو رامزي من شراء ... جرام واحد فقط من الافتراء ، ودفعوا 3.5 شلن فقط مقابل ذلك. بعد عزل عدة سنتيمترات مكعبة من الغاز من كمية الكلفيت التي تم الحصول عليها وتنقيتها من الشوائب ، فحصها رامزي باستخدام مطياف. كانت النتيجة غير متوقعة: الغاز المنطلق من kleveite اتضح أنه ... الهيليوم!

غير واثق من اكتشافه ، لجأ رامزي إلى ويليام كروكس ، المتخصص الرائد آنذاك في التحليل الطيفي في لندن ، مع طلب للتحقيق في الغاز المنطلق من الكليفايت.

قام كروكس بالتحقيق في الغاز. أكدت نتيجة الدراسة اكتشاف رامزي. وهكذا ، في 23 مارس 1895 ، تم اكتشاف مادة على الأرض تم العثور عليها على الشمس قبل 27 عامًا. في نفس اليوم ، نشر رامزي اكتشافه ، حيث أرسل رسالة واحدة إلى الجمعية الملكية في لندن وأخرى إلى الكيميائي الفرنسي الشهير الأكاديمي بيرثيلوت. في رسالة إلى بيرثيلوت ، طلب رامزي إبلاغ الاجتماع العلمي لأساتذة أكاديمية باريس باكتشافه.

بعد خمسة عشر يومًا من رامزي ، بشكل مستقل عنه ، قام الكيميائي السويدي لانغلي بعزل الهيليوم من الكليفيت ، ومثل رامزي ، أبلغ الكيميائي بيرثيلوت عن اكتشافه للهيليوم.

للمرة الثالثة ، تم اكتشاف الهيليوم في الهواء ، وفقًا لرامزي ، كان يجب أن يأتي من معادن نادرة (كلفيت ، إلخ) أثناء التدمير والتحولات الكيميائية على الأرض.

كما تم العثور على كميات صغيرة من الهيليوم في مياه بعض الينابيع المعدنية. لذلك ، على سبيل المثال ، وجده رامزي في نبع الشفاء كوتريت في جبال البرانس ، وجده الفيزيائي الإنجليزي جون ويليام رايلي في مياه الينابيع في منتجع باث الشهير ، اكتشف الفيزيائي الألماني كايزر الهيليوم في الينابيع المتدفقة في جبال الغابة السوداء. ومع ذلك ، تم العثور على الهيليوم في معظم المعادن. تم العثور عليها في samarskite و fergusonite و columbite و monazite و uranit. يحتوي معدن الثوريانيت من جزيرة سيلان على كمية كبيرة بشكل خاص من الهيليوم. كيلوغرام من الثوريانايت ، عند تسخينه باللون الأحمر ، يطلق 10 لترات من الهيليوم.

سرعان ما ثبت أن الهيليوم يوجد فقط في تلك المعادن التي تحتوي على اليورانيوم المشع والثوريوم. إن أشعة ألفا المنبعثة من بعض العناصر المشعة ليست أكثر من نوى ذرات الهيليوم.

من التاريخ ...

تجعل خصائصه غير العادية من الممكن استخدام الهيليوم على نطاق واسع لمجموعة متنوعة من الأغراض. الأول ، المنطقي تمامًا ، استنادًا إلى خفته ، هو استخدامه في المناطيد والمناطيد. علاوة على ذلك ، على عكس الهيدروجين ، فهو ليس متفجرًا. تم استخدام خاصية الهيليوم هذه من قبل الألمان في الحرب العالمية الأولى على المناطيد القتالية. عيب استخدامه هو أن المنطاد المملوء بالهيليوم لن يطير عالياً مثل الهيدروجين.

من أجل قصف المدن الكبيرة ، وخاصة عواصم إنجلترا وفرنسا ، استخدمت القيادة الألمانية في الحرب العالمية الأولى المناطيد (منطاد). تم استخدام الهيدروجين لملئها. لذلك ، كانت المعركة ضدهم بسيطة نسبيًا: قذيفة حارقة سقطت في قذيفة المنطاد أشعلت الهيدروجين ، الذي اندلع على الفور واحترق الجهاز. من بين 123 مناطيد بنيت في ألمانيا خلال الحرب العالمية الأولى ، 40 محترقة من القذائف الحارقة. لكن ذات يوم فوجئت هيئة الأركان العامة للجيش البريطاني برسالة ذات أهمية خاصة. لم تسفر الضربات المباشرة للقذائف الحارقة على المنطاد الألماني عن نتائج. لم تنفجر النيران في المنطاد ، ولكن تدفقت ببطء من بعض الغاز غير المعروف ، وحلقت عائدة.

كان الخبراء العسكريون في حيرة من أمرهم ، وعلى الرغم من المناقشة العاجلة والمفصلة لمسألة عدم قابلية المنطاد للاشتعال من القذائف الحارقة ، لم يتمكنوا من العثور على التفسير اللازم. تم حل اللغز بواسطة الكيميائي الإنجليزي ريتشارد ثريلفال. في رسالة إلى الأميرالية البريطانية ، كتب: "... أعتقد أن الألمان اخترعوا طريقة ما لاستخراج الهيليوم بكميات كبيرة ، وهذه المرة ملأوا قشرة منطادهم ليس بالهيدروجين كالعادة بل بالهيليوم. ... "

ومع ذلك ، تم تقليل إقناع حجج Threlfall بسبب عدم وجود مصادر مهمة للهيليوم في ألمانيا. صحيح أن الهيليوم موجود في الهواء ، لكنه لا يكفي هناك: يحتوي متر مكعب واحد من الهواء على 5 سنتيمترات مكعبة فقط من الهيليوم. آلة التبريد في نظام Linde ، التي تحول عدة مئات من الأمتار المكعبة من الهواء إلى سائل في ساعة واحدة ، لا يمكن أن تنتج أكثر من 3 لترات من الهيليوم خلال هذا الوقت.

3 لترات من الهيليوم في الساعة! ولكي تملأ المنطاد ، فإنك تحتاج إلى 5 6 آلاف متر مكعب. م للحصول على مثل هذه الكمية من الهيليوم ، كان على آلة واحدة من Linde أن تعمل دون توقف لمدة مائتي عام تقريبًا ، وستوفر مائتان من هذه الآلات الكمية المطلوبة من الهيليوم في عام واحد. إن إنشاء 200 مصنع لتحويل الهواء إلى سائل لإنتاج الهيليوم أمر غير مربح من الناحية الاقتصادية ، ولا معنى له من الناحية العملية.

من أين حصل الكيميائيون الألمان على الهيليوم؟

هذه المشكلة ، كما اتضح لاحقًا ، تم حلها ببساطة نسبيًا. قبل الحرب بوقت طويل ، صدرت تعليمات لشركات البواخر الألمانية التي تشحن البضائع إلى الهند والبرازيل بتحميل البواخر العائدة ليس بالصابورة العادية ، ولكن برمل المونازيت الذي يحتوي على الهيليوم. وهكذا ، تم إنشاء احتياطي من "المواد الخام الهليوم" - حوالي 5 آلاف طن من رمل المونازيت ، والتي تم الحصول منها على الهيليوم لمنطاد زيبلين. بالإضافة إلى ذلك ، تم استخراج الهيليوم من مياه نبع نوهايم المعدني ، والتي أعطت ما يصل إلى 70 مترًا مكعبًا. م من الهيليوم يوميا.

كانت حادثة منطاد زيبلين المضاد للحريق دافعًا لبحث جديد عن الهيليوم. بدأ الكيميائيون والفيزيائيون والجيولوجيون في البحث عن الهيليوم بشكل مكثف. أصبحت فجأة ذات قيمة كبيرة. في عام 1916 ، كلف المتر المكعب من الهليوم 200000 روبل ذهبي ، أي 200 روبل للتر. إذا أخذنا في الاعتبار أن لتر الهيليوم يزن 0.18 جم ، فإن 1 جرام منه يكلف أكثر من 1000 روبل.

أصبح الهيليوم موضوعًا للبحث عن التجار والمضاربين وتجار البورصة. تم العثور على الهيليوم بكميات كبيرة في الغازات الطبيعية الخارجة من أحشاء الأرض في أمريكا ، في ولاية كانساس ، حيث بعد دخول أمريكا الحرب ، تم بناء مصنع للهيليوم بالقرب من مدينة فورت وورث. لكن الحرب انتهت ، وظلت احتياطيات الهيليوم غير مستخدمة ، وانخفضت تكلفة الهيليوم بشكل حاد ، وفي نهاية عام 1918 بلغت حوالي أربعة روبلات لكل متر مكعب.

تم استخدام الهيليوم المستخرج بهذه الصعوبة من قبل الأمريكيين فقط في عام 1923 لملء منطاد شيناندواه المسالم الآن. كانت أول سفينة ركاب جوية ووحيدة في العالم مليئة بالهيليوم. ومع ذلك ، فإن "حياته" لم تدم طويلاً. بعد عامين من ولادتها ، دمرت عاصفة شيناندواه. 55 ألف متر مكعب م ، تقريبا كل الإمداد العالمي من الهيليوم ، الذي تم جمعه لمدة ست سنوات ، تبدد دون أن يترك أثرا في الغلاف الجوي خلال عاصفة استمرت 30 دقيقة فقط.

تطبيق الهيليوم

الهيليوم في الطبيعة

معظمها أرضية الهيليومتتشكل أثناء التحلل الإشعاعي لليورانيوم 238 واليورانيوم 235 والثوريوم والمنتجات غير المستقرة من اضمحلالها. يتم إنتاج كميات أصغر بشكل لا يقارن من الهيليوم عن طريق التحلل البطيء للسماريوم 147 والبزموت. كل هذه العناصر تنتج فقط النظير الثقيل للهيليوم - He 4 ، الذي يمكن اعتبار ذراته بقايا جسيمات ألفا ، مدفونة في غلاف من إلكترونين مقترنين - في ثنائي إلكترون. في الفترات الجيولوجية المبكرة ، ربما كانت هناك أيضًا سلسلة أخرى من العناصر المشعة بشكل طبيعي والتي اختفت بالفعل من على وجه الأرض ، مما أدى إلى تشبع الكوكب بالهيليوم. كان أحدها هو سلسلة النبتون المعاد إنشاؤها صناعياً الآن.

من خلال كمية الهيليوم المحاصرة في صخرة أو معدن ، يمكن للمرء أن يحكم على عمره المطلق. تستند هذه القياسات إلى قوانين الاضمحلال الإشعاعي: على سبيل المثال ، يتحول نصف اليورانيوم 238 في 4.52 مليار سنة إلى الهيليوموقيادة.

الهيليوميتراكم ببطء في قشرة الأرض. طن واحد من الجرانيت ، يحتوي على 2 جرام من اليورانيوم و 10 جرام من الثوريوم ، ينتج فقط 0.09 مجم من الهيليوم في مليون سنة - نصف سنتيمتر مكعب. تحتوي المعادن القليلة جدًا الغنية باليورانيوم والثوريوم على كمية كبيرة جدًا من الهيليوم - بضعة سنتيمترات مكعبة من الهيليوم لكل جرام. ومع ذلك ، فإن حصة هذه المعادن في إنتاج الهيليوم الطبيعي تقترب من الصفر ، لأنها نادرة جدًا.

يوجد القليل من الهيليوم على الأرض: يحتوي 1 م 3 من الهواء على 5.24 سم 3 فقط من الهيليوم ، وكل كيلوغرام من المواد الأرضية يحتوي على 0.003 ملغ من الهيليوم. ولكن من حيث الانتشار في الكون ، يحتل الهيليوم المرتبة الثانية بعد الهيدروجين: يمثل الهيليوم حوالي 23٪ من الكتلة الكونية. يتركز ما يقرب من نصف كل الهيليوم في القشرة الأرضية ، خاصة في غلافها الجرانيتي ، الذي تراكم الاحتياطيات الرئيسية من العناصر المشعة. محتوى الهيليوم في قشرة الأرض صغير - 3 × 10 -7٪ من الوزن. يتراكم الهيليوم في تراكمات الغازات الحرة في الأمعاء والزيوت ؛ هذه الودائع تصل إلى نطاق صناعي. تم العثور على التركيزات القصوى للهيليوم (10-13٪) في تراكمات الغاز الحر وغازات مناجم اليورانيوم و (20-25٪) في الغازات المنبعثة تلقائيًا من المياه الجوفية. كلما تقدم عمر الصخور الرسوبية الحاملة للغاز وكلما زاد محتوى العناصر المشعة فيها ، زاد الهيليوم في تكوين الغازات الطبيعية.

تعدين الهيليوم

يتم إنتاج الهيليوم على نطاق صناعي من الغازات الطبيعية والبترولية لكل من تركيبة الهيدروكربون والنيتروجين. وفقًا لجودة المواد الخام ، تنقسم رواسب الهيليوم إلى: غنية (محتوى> 0.5٪ من حيث الحجم) ؛ عادي (0.10-0.50) وفقير< 0,10). Значительные его концентрации известны в некоторых месторождениях природного газа Канады, США (шт. Канзас, Техас, Нью-Мексико, Юта).

تبلغ احتياطيات العالم من الهليوم 45.6 مليار متر مكعب. توجد الودائع الكبيرة في الولايات المتحدة الأمريكية (45٪ من موارد العالم) ، تليها روسيا (32٪) والجزائر (7٪) وكندا (7٪) والصين (4٪).
كما تقود الولايات المتحدة أيضًا إنتاج الهيليوم (140 مليون متر مكعب سنويًا) ، تليها الجزائر (16 مليونًا).

تحتل روسيا المرتبة الثالثة في العالم - 6 ملايين متر مكعب في السنة. يعتبر مصنع أورينبورغ للهيليوم حاليًا المصدر المحلي الوحيد لإنتاج الهيليوم ، كما أن إنتاج الغاز آخذ في الانخفاض. في هذا الصدد ، فإن حقول الغاز في شرق سيبيريا والشرق الأقصى مع تركيزات عالية من الهليوم (تصل إلى 0.6 ٪) لها أهمية خاصة. واحدة من أكثر الواعدة هي Kovykta ha حقل zocondensate يقع في شمال منطقة إيركوتسك. وبحسب الخبراء فإنه يحتوي على حوالي 25٪ من العالم x احتياطيات الهليوم.

اسم المؤشر	الهليوم (الدرجة أ) (وفقًا لـ TU 51-940-80)	الهليوم (الدرجة B) (وفقًا لـ TU 51-940-80)	هيليوم عالي النقاء ، درجة 5.5 (وفقًا لـ TU 0271-001-45905715-02)	هيليوم عالي النقاء ماركة 6.0 (حسب TU 0271-001-45905715-02)
الهيليوم ليس أقل
النيتروجين لا أكثر
الأكسجين + الأرجون
نيون ، لا أكثر
بخار الماء لا أكثر
الهيدروكربونات ، لا أكثر
CO2 + CO ، لا أكثر
الهيدروجين لا أكثر

أمان

- الهليوم غير سام وغير قابل للاشتعال وغير قابل للانفجار
- يُسمح باستخدام الهيليوم في أي أماكن مزدحمة: في الحفلات الموسيقية والعروض الترويجية والملاعب والمحلات التجارية.
- الهليوم الغازي خامل من الناحية الفسيولوجية ولا يشكل خطرا على الإنسان.
- الهليوم ليس خطيرًا على البيئة أيضًا ، لذلك لا يلزم تحييد واستخدام وإزالة مخلفاته في الأسطوانات.
- الهليوم أخف بكثير من الهواء ويتبدد في الطبقات العليا من الغلاف الجوي للأرض.

الهيليوم (الدرجات A و B وفقًا لـ TU 51-940-80)
الاسم الفني	الهيليوم الغازي
صيغة كيميائية
رقم الأمم المتحدة
فئة خطر النقل
الخصائص الفيزيائية
الحالة الفيزيائية	في ظل الظروف العادية - الغاز
الكثافة ، كجم / م³	في ظل الظروف العادية (101.3 كيلو باسكال ، 20 درجة مئوية) ، 1627
نقطة الغليان ، C عند 101.3 كيلو باسكال
درجة حرارة النقطة الثالثة وضغط توازنها C (MPa)
الذوبان في الماء	تافهة
خطر الحريق والانفجار	دليل على الحريق والانفجار
الثبات والتفاعلية
استقرار	مستقر
التفاعلية	غاز خامل
الخطر البشري
تأثير سام	غير سام
الخطر البيئي	ليس له تأثير ضار على البيئة
أموال	أي وسيلة قابلة للتطبيق.

تخزين الهيليوم ونقله

يمكن نقل الهيليوم الغازي بجميع وسائط النقل وفقًا لقواعد نقل البضائع على وسيلة نقل محددة. يتم النقل في اسطوانات خاصة من الصلب البني وحاويات هيليوم. يتم نقل الهيليوم السائل في سفن النقل مثل STG-40 و STG-10 و STG-25 بحجم 40 و 10 و 25 لترًا.

قواعد نقل الاسطوانات بالغازات التقنية

يتم تنظيم نقل البضائع الخطرة في الاتحاد الروسي من خلال الوثائق التالية:

1 - "قواعد نقل البضائع الخطرة عن طريق البر" (بصيغتها المعدلة بأوامر وزارة النقل في الاتحاد الروسي المؤرخة 11 حزيران / يونيه 1999 رقم 37 بتاريخ 14 تشرين الأول / أكتوبر 1999 رقم 77 ؛ مسجلة لدى الوزارة قاضي الاتحاد الروسي في 18 ديسمبر 1995 ، رقم التسجيل 997).

2. "الاتفاقية الأوروبية للنقل الدولي للبضائع الخطرة عن طريق البر" (ADR) ، التي انضمت إليها روسيا رسميًا في 28 أبريل 1994 (مرسوم حكومة الاتحاد الروسي بتاريخ 03.02.1994 رقم 76).

3. "قواعد الطريق" (SDA 2006) ، أي المادة 23-5 ، التي تنص على أن "نقل ... للبضائع الخطرة ... يتم وفقًا لقواعد خاصة".

4 - "قانون الاتحاد الروسي بشأن الجرائم الإدارية" ، الذي تنص المادة 12-21 ، الجزء 2 منه على المسؤولية عن انتهاك قواعد نقل البضائع الخطرة في شكل "غرامة إدارية على السائقين بمبلغ من واحد إلى ثلاثة أضعاف الحد الأدنى للأجور أو الحرمان من الحق في قيادة المركبات لمدة شهر إلى ثلاثة أشهر ؛ للمسؤولين عن النقل - من عشرة إلى عشرين ضعف الحد الأدنى للأجور.

وفقًا للفقرة 3 من الفقرة 1.2 "لا تنطبق القواعد على ... نقل عدد محدود من المواد الخطرة على مركبة واحدة ، ويمكن اعتبار نقلها بمثابة نقل للبضائع غير الخطرة". كما توضح أن "الكمية المحدودة من البضائع الخطرة محددة في متطلبات النقل الآمن لنوع معين من البضائع الخطرة. وعند تحديدها ، يمكن استخدام متطلبات الاتفاق الأوروبي بشأن النقل الدولي للبضائع الخطرة (ADR) ". وبالتالي ، فإن مسألة الحد الأقصى من المواد التي يمكن نقلها كبضائع غير خطرة يتم اختزالها في دراسة القسم 1.1.3 من ADR ، الذي يحدد استثناءات من القواعد الأوروبية لنقل البضائع الخطرة المرتبطة بظروف مختلفة.

لذلك ، على سبيل المثال ، وفقًا للفقرة 1.1.3.1 "لا تنطبق أحكام ADR ... على نقل البضائع الخطرة بواسطة أشخاص عاديين عندما تكون هذه البضائع معبأة للبيع بالتجزئة ومخصصة لاستهلاكهم الشخصي ، واستخدامها في الحياة اليومية أو أوقات الفراغ أو الرياضة ، بشرط اتخاذ تدابير لمنع أي تسرب للمحتويات في ظل ظروف النقل العادية ".

ومع ذلك ، فإن مجموعة الإعفاءات المعترف بها رسميًا بموجب قواعد نقل البضائع الخطرة هي استثناءات مرتبطة بالكميات المنقولة في وحدة نقل واحدة (البند 1.1.3.6).

يتم تعيين جميع الغازات إلى الفئة الثانية من المواد وفقًا لتصنيف ADR. تنتمي الغازات غير القابلة للاشتعال وغير السامة (المجموعة أ - المحايدة والأكسجين المؤكسدة) إلى فئة النقل الثالثة ، بحد أقصى للكمية يبلغ 1000 وحدة. قابلة للاشتعال (المجموعة F) - إلى الثانية ، بحد أقصى 333 وحدة. يقصد بكلمة "الوحدة" هنا سعة لتر واحد من سعة وعاء يحتوي على غاز مضغوط ، أو 1 كجم من الغاز المسال أو المذاب. وبالتالي ، يكون الحد الأقصى لكمية الغازات التي يمكن نقلها في وحدة نقل واحدة كبضائع غير خطرة كما يلي:

الهيليوم غاز نبيل حقًا. لم يكن من الممكن إجباره على الدخول في أي ردود فعل. جزيء الهليوم أحادي الذرة.

من حيث الخفة ، هذا الغاز يأتي في المرتبة الثانية بعد الهيدروجين ، الهواء أثقل 7.25 مرة من الهيليوم.

الهيليوم يكاد يكون غير قابل للذوبان في الماء والسوائل الأخرى. وبنفس الطريقة ، لا تذوب مادة واحدة بشكل ملحوظ في الهيليوم السائل.

لا يمكن الحصول على الهيليوم الصلب في أي درجة حرارة ما لم يتم زيادة الضغط.

في تاريخ اكتشاف هذا العنصر والبحث عنه وتطبيقه ، هناك أسماء للعديد من الفيزيائيين والكيميائيين البارزين من مختلف البلدان. كانوا مهتمين بالهيليوم ، وعملوا مع الهيليوم: يانسن (فرنسا) ، لوكير ، رامزي ، كروكس ، روثرفورد (إنجلترا) ، بالميري (إيطاليا) ، كيسوم ، كاميرلينج أونز (هولندا) ، فينمان ، أونساجر (الولايات المتحدة الأمريكية) ، كابيتسا ، كيكوين ولنداو (الاتحاد السوفيتي) والعديد من العلماء البارزين الآخرين.

يتم تحديد تفرد مظهر ذرة الهيليوم من خلال الجمع بين بنيتين طبيعيتين مذهلتين فيهما - أبطال مطلقون من حيث الاكتناز والقوة. في نواة الهليوم ، الهيليوم -4 ، كلتا القذائف داخل النواة مشبعة - كلا من البروتون والنيوترون. كما أن المضاعف الإلكتروني الذي يؤطر هذه النواة مشبع أيضًا. في هذه التصاميم - المفتاح لفهم خصائص الهليوم. ومن هنا كانت خمولها الكيميائي الهائل والصغر القياسي لذراتها.

دور نواة ذرة الهيليوم - جسيمات ألفا في تاريخ تكوين وتطور الفيزياء النووية دور هائل. إذا كنت تتذكر ، فإن دراسة تشتت جسيمات ألفا هي التي قادت رذرفورد إلى اكتشاف النواة الذرية. عندما تم قصف النيتروجين بجزيئات ألفا ، تم إجراء التحويل البيني للعناصر لأول مرة - وهو الأمر الذي حلمت به أجيال عديدة من الكيميائيين لعدة قرون. صحيح ، في هذا التفاعل ، لم يكن الزئبق هو الذي تحول إلى ذهب ، ولكن النيتروجين إلى أكسجين ، ولكن هذا يكاد يكون من الصعب القيام به. شاركت جسيمات ألفا نفسها في اكتشاف النيوترون وإنتاج أول نظير اصطناعي. في وقت لاحق ، تم تصنيع الكوريوم والبيركيليوم والكاليفورنيوم والمندليفيوم باستخدام جسيمات ألفا.

لقد قمنا بإدراج هذه الحقائق لغرض واحد فقط - لإظهار أن العنصر رقم 2 هو عنصر غير عادي للغاية.

على بالون كبير ... يستخدم الهيليوم لتحضير خلائط التنفس ، بما في ذلك تلك الخاصة بجو المركبات الفضائية المأهولة ، والغوص في أعماق البحار ، وكذلك لعلاج الربو ، ولملء المناطيد والبالونات. إنه غير سام ، لذا فإن استنشاق كميات صغيرة من الهيليوم مع الهواء غير ضار تمامًا.

عملاق رودس ، تمثال عملاق لإله الشمس القديم هيليوس. تم اكتشاف عنصر الهيليوم بالطريقة الطيفية على الشمس ولم يتم اكتشافه إلا لاحقًا على الأرض.

الهيليوم الأرضي

الهيليوم عنصر غير عادي ، وتاريخه غير عادي. تم اكتشافه في الغلاف الجوي للشمس قبل 13 عامًا من اكتشافه على الأرض. بتعبير أدق ، تم اكتشاف خط D أصفر لامع في طيف الإكليل الشمسي ، وما كان مخفيًا وراءه أصبح معروفًا بشكل موثوق فقط بعد استخلاص الهيليوم من معادن أرضية تحتوي على عناصر مشعة.

تم اكتشاف الهيليوم على الشمس من قبل الفرنسي ج. Lockyer - 20 أكتوبر من نفس العام. وصلت رسائل كلا العالمين إلى باريس في نفس اليوم وتمت قراءتها في اجتماع لأكاديمية باريس للعلوم في 26 أكتوبر بفاصل عدة دقائق. قرر الأكاديميون ، الذين صُدموا بمثل هذه الصدفة الغريبة ، إخراج ميدالية ذهبية تكريما لهذا الحدث.

في عام 1881 ، تم الإبلاغ عن اكتشاف الهيليوم في الغازات البركانية من قبل العالم الإيطالي بالميري. ومع ذلك ، فإن رسالته ، التي تم تأكيدها لاحقًا ، قد تم أخذها على محمل الجد من قبل عدد قليل من العلماء. اكتشف رامزي الهيليوم الأرضي الثانوي في عام 1895.

هناك 29 نظيرًا في قشرة الأرض ، خلال التحلل الإشعاعي الذي تتشكل منه جسيمات ألفا - نوى عالية النشاط من ذرات الهيليوم ذات طاقة عالية.

يتشكل الهيليوم الأرضي بشكل أساسي أثناء التحلل الإشعاعي لليورانيوم 238 واليورانيوم 235 والثوريوم والمنتجات غير المستقرة من اضمحلالها. يتم إنتاج كميات أصغر بشكل لا يقارن من الهيليوم عن طريق التحلل البطيء للسماريوم 147 والبزموت. كل هذه العناصر تولد فقط النظير الثقيل للهيليوم - 4He ، الذي يمكن اعتبار ذراته بقايا جسيمات ألفا مدفونة في غلاف من إلكترونين مقترنين - في ثنائي إلكترون. في الفترات الجيولوجية المبكرة ، ربما كانت هناك أيضًا سلسلة أخرى من العناصر المشعة بشكل طبيعي والتي اختفت بالفعل من على وجه الأرض ، مما أدى إلى تشبع الكوكب بالهيليوم. كان أحدها هو سلسلة النبتون المعاد إنشاؤها صناعياً الآن.

من خلال كمية الهيليوم المحاصرة في صخرة أو معدن ، يمكن للمرء أن يحكم على عمره المطلق. تستند هذه القياسات إلى قوانين الاضمحلال الإشعاعي: على سبيل المثال ، يتحول نصف اليورانيوم 238 إلى الهيليوم والرصاص في 4.52 مليار سنة.

يتراكم الهيليوم في قشرة الأرض ببطء. طن واحد من الجرانيت يحتوي على 2 جرام من اليورانيوم و 10 جرام من الثوريوم ينتج فقط 0.09 مجم من الهيليوم في مليون سنة - نصف سنتيمتر مكعب. في عدد قليل جدًا من المعادن الغنية باليورانيوم والثوريوم ، يكون محتوى الهيليوم مرتفعًا جدًا - بضعة سنتيمترات مكعبة من الهيليوم لكل جرام. ومع ذلك ، فإن حصة هذه المعادن في إنتاج الهيليوم الطبيعي تقترب من الصفر ، لأنها نادرة جدًا.

المركبات الطبيعية التي تحتوي على نظائر ألفا النشطة هي المصدر الأساسي فقط ، ولكنها ليست المادة الخام للإنتاج الصناعي للهيليوم. صحيح أن بعض المعادن ذات البنية الكثيفة - المعادن الأصلية ، والمغنتيت ، والعقيق ، والأباتيت ، والزركون وغيرها - تمسك بقوة بالهيليوم الموجود فيها. ومع ذلك ، تخضع معظم المعادن في نهاية المطاف لعمليات التجوية وإعادة التبلور وما إلى ذلك ، ويتركها الهيليوم.

انطلقت فقاعات الهيليوم المنبعثة من الهياكل البلورية في رحلة عبر قشرة الأرض. جزء صغير منها يذوب في المياه الجوفية. يتطلب تكوين محاليل الهليوم المركزة بدرجة أو بأخرى ظروفًا خاصة ، ضغوطًا عالية في المقام الأول. يدخل جزء آخر من الهيليوم البدوي إلى الغلاف الجوي من خلال مسام وشقوق المعادن. تسقط جزيئات الغاز المتبقية في مصائد تحت الأرض ، حيث تتراكم لعشرات ومئات الملايين من السنين. الفخاخ عبارة عن طبقات من الصخور السائبة ، تمتلئ فراغاتها بالغاز. عادة ما يكون قاع خزانات الغاز هذه عبارة عن ماء وزيت ، ومن الأعلى يتم حظرها بواسطة طبقات ضيقة من الغاز من الصخور الكثيفة.

نظرًا لأن الغازات الأخرى تتجول أيضًا في قشرة الأرض (بشكل أساسي الميثان والنيتروجين وثاني أكسيد الكربون) ، علاوة على ذلك ، بكميات أكبر بكثير ، لا توجد تراكمات هيليوم بحتة. الهيليوم موجود في الغازات الطبيعية كشوائب طفيفة. لا يتجاوز محتواها الألف ، المئات ، نادرًا - أعشار بالمائة. يعد المحتوى الكبير (1.5 ... 10٪) من الهيليوم من رواسب الميثان والنيتروجين ظاهرة نادرة للغاية.

رمز عنصر مصنوع من أنابيب تفريغ غاز مملوءة بالهيليوم. يضيء الهيليوم بلون الخوخ الفاتح عندما يمر تيار كهربائي عبره.

تبين أن الغازات الطبيعية هي عمليا المصدر الوحيد للمواد الخام للإنتاج الصناعي للهيليوم. للفصل عن الغازات الأخرى ، يتم استخدام التقلب الاستثنائي للهيليوم المرتبط بدرجة حرارة تسييله المنخفضة. بعد تكثيف جميع المكونات الأخرى للغاز الطبيعي عن طريق التبريد العميق ، يتم ضخ غاز الهيليوم. ثم يتم تنقيته من الشوائب. نقاوة الهيليوم المصنع تصل إلى 99.995٪.

تقدر احتياطيات الهليوم على الأرض بـ 5 1014 م 3 ؛ إذا حكمنا من خلال الحسابات ، فقد تشكل في القشرة الأرضية على مدى أكثر من ملياري سنة بعشر مرات. هذا التناقض بين النظرية والتطبيق مفهوم. الهيليوم غاز خفيف ، ومثله مثل الهيدروجين (وإن كان أبطأ) ، لا يهرب من الغلاف الجوي إلى الفضاء الخارجي. ربما ، أثناء وجود الأرض ، تم تحديث الهيليوم الخاص بكوكبنا مرارًا وتكرارًا - هرب الهليوم القديم إلى الفضاء ، وبدلاً من ذلك ، دخل "الزفير" من الأرض إلى الغلاف الجوي.

يوجد ما لا يقل عن 200000 مرة من الهيليوم في الغلاف الصخري أكثر منه في الغلاف الجوي ؛ يتم تخزين المزيد من الهيليوم المحتمل في "رحم" الأرض - في عناصر ألفا النشطة. لكن المحتوى الإجمالي لهذا العنصر في الأرض والغلاف الجوي صغير. الهليوم غاز نادر ومنتشر. لكل 1 كجم من المواد الأرضية ، يوجد فقط 0.003 مجم من الهيليوم ، ومحتواها في الهواء 0.00052٪ حجم. مثل هذا التركيز المنخفض لا يسمح حتى الآن بالاستخراج الاقتصادي للهيليوم من الهواء.

يتكون الهيليوم من الهيدروجين نتيجة تفاعل نووي حراري. التفاعلات النووية الحرارية هي مصدر الطاقة لشمسنا ولعدة بلايين من النجوم الأخرى.

الهيليوم في الكون

الأمعاء والغلاف الجوي لكوكبنا فقراء في الهيليوم. لكن هذا لا يعني أنه لا يكفي في كل مكان في الكون. وفقًا للتقديرات الحديثة ، فإن 76٪ من الكتلة الكونية عبارة عن هيدروجين و 23٪ هيليوم ؛ بقي 1٪ فقط على جميع العناصر الأخرى! وبالتالي ، يمكن تسمية المادة العالمية بالهيدروجين والهيليوم. يسود هذان العنصران في النجوم ، السدم الكوكبية ، والغاز بين النجوم.

أرز. 1. منحنيات وفرة العناصر على الأرض (أعلى) وفي الفضاء.

يعكس المنحنى "الكوني" الدور الاستثنائي للهيدروجين والهيليوم في الكون والأهمية الخاصة لمجموعة الهيليوم في بنية النواة الذرية. هذه العناصر ونظائرها التي يمكن قسمة عدد كتلتها على أربعة هي أعلى وفرة نسبية: 16О ، 20Ne ، 24Mg ، إلخ.

على الأرجح ، تحتوي جميع كواكب النظام الشمسي على الهيليوم المشع (الذي تشكل أثناء اضمحلال ألفا) ، كما تحتوي الكواكب الكبيرة أيضًا على الهيليوم من الفضاء. يتم تمثيل الهيليوم بكثرة في الغلاف الجوي لكوكب المشتري: وفقًا لبعض البيانات ، يوجد 33 ٪ هناك ، وفقًا للبعض الآخر - 17 ٪. شكل هذا الاكتشاف أساس حبكة إحدى قصص العالم الشهير وكاتب الخيال العلمي أ. أزيموف. يوجد في وسط القصة خطة (ربما تكون مجدية في المستقبل) لتوصيل الهيليوم من كوكب المشتري ، أو حتى إلى أقرب قمر صناعي على هذا الكوكب - المشتري الخامس - أسطول من الآلات السيبرانية على كريوترونات (حولهم - أدناه). مغمورة في سائل الهيليوم الجوي لكوكب المشتري (درجات الحرارة المنخفضة للغاية والموصلية الفائقة هي شروط ضرورية لتشغيل الكريوترونات) ، ستحول هذه الآلات كوكب المشتري الخامس إلى مركز دماغ النظام الشمسي ...

تم شرح أصل الهيليوم النجمي في عام 1938 من قبل الفيزيائيين الألمان بيث و ويزساكر. في وقت لاحق ، تلقت نظريتهم تأكيدًا تجريبيًا وصقلًا بمساعدة مسرعات الجسيمات. جوهرها على النحو التالي.

يتم تصنيع نوى الهيليوم في درجات حرارة نجمية من البروتونات في عملية اندماج تطلق 175 مليون كيلوواط / ساعة من الطاقة لكل كيلوغرام من الهيليوم.

يمكن أن تؤدي دورات مختلفة من التفاعلات إلى اندماج الهيليوم.

في ظل ظروف النجوم غير شديدة السخونة ، مثل شمسنا ، يبدو أن دورة البروتون-البروتون هي السائدة. يتكون من ثلاثة تحولات متتالية. أولاً ، يتحد بروتونان بسرعات كبيرة لتكوين ديوترون - بنية من البروتون والنيوترون. في هذه الحالة ، يتم فصل البوزيترون والنيوترينو. علاوة على ذلك ، يتم دمج الديوترون مع البروتون لتكوين الهيليوم الخفيف مع انبعاث كمية جاما. أخيرًا ، تتفاعل نواتان 3H ، وتتحولان إلى جسيم ألفا وبروتونين. جسيم ألفا ، بعد أن اكتسب إلكترونين ، سيصبح ذرة هيليوم.

تعطي النتيجة النهائية نفسها دورة كربون-نيتروجين أسرع ، وأهميتها ليست كبيرة جدًا في ظل الظروف الشمسية ، ولكن على النجوم الأكثر سخونة من الشمس ، يتم تعزيز دور هذه الدورة. يتكون من ست خطوات - ردود الفعل. يلعب الكربون هنا دور محفز لعملية اندماج البروتون. الطاقة المنبعثة خلال هذه التحولات هي نفسها الموجودة في دورة البروتون والبروتون - 26.7 ميجا فولت لكل ذرة هيليوم.

تفاعل اندماج الهيليوم هو أساس نشاط طاقة النجوم ، وهجها. وبالتالي ، يمكن اعتبار تخليق الهيليوم السبب الرئيسي لجميع التفاعلات في الطبيعة ، والسبب الجذري للحياة ، والضوء ، والحرارة ، وظواهر الأرصاد الجوية على الأرض.

الهيليوم ليس دائمًا المنتج النهائي للاندماج النجمي. وفقًا لنظرية البروفيسور د. فرانك كامينتسكي ، الاندماج المتتالي لنواة الهيليوم ينتج 3Be ، 12C ، 16O ، 20Ne ، 24Mg ، ويؤدي التقاط البروتونات بواسطة هذه النوى إلى تكوين نوى أخرى. من أجل تخليق نوى العناصر الثقيلة حتى ما بعد اليورانيوم ، هناك حاجة إلى درجات حرارة عالية للغاية استثنائية ، والتي تتطور على النجوم "الجديدة" و "المستعرات الأعظمية" غير المستقرة.

قام الكيميائي السوفيتي الشهير أ. دعا كابوستنسكي عناصر الهيدروجين والهيليوم البدائية - عناصر من المادة الأولية. أليست هذه الأولوية هي التي تفسر الوضع الخاص للهيدروجين والهيليوم في النظام الدوري للعناصر ، ولا سيما حقيقة أن الفترة الأولى خالية أساسًا من خاصية الدورية للفترات الأخرى؟

التركيب الذري للهيليوم

الأفضل...

ذرة الهليوم (المعروفة أيضًا بالجزيء) هي أقوى الهياكل الجزيئية. إن مداري إلكترونيه متماثلان تمامًا ويمران قريبًا جدًا من النواة. لفضح نواة الهليوم ، تحتاج إلى إنفاق طاقة عالية قياسية - 78.61 ميغا إلكترون فولت. ومن هنا جاءت السلبية الكيميائية الهائلة للهيليوم.

على مدار الخمسة عشر عامًا الماضية ، تمكن الكيميائيون من الحصول على أكثر من 150 مركبًا كيميائيًا من الغازات النبيلة الثقيلة (ستتم مناقشة مركبات الغازات النبيلة الثقيلة في مقالات "كريبتون" و "زينون"). ومع ذلك ، فإن خمول الهليوم يظل ، كما كان من قبل ، أمرًا لا يرقى إليه الشك.

تظهر الحسابات أنه إذا تم العثور على طريقة للحصول ، على سبيل المثال ، على الفلورايد أو أكسيد الهيليوم ، فسوف تمتص أثناء التكوين قدرًا كبيرًا من الطاقة بحيث "تنفجر" الجزيئات الناتجة بهذه الطاقة من الداخل.

جزيئات الهيليوم غير قطبية. إن قوى التفاعل الجزيئي بينهما صغيرة للغاية - أقل من أي مادة أخرى. ومن ثم - القيم الأدنى للكميات الحرجة ، أدنى نقطة غليان ، أدنى درجات حرارة التبخر والذوبان. أما بالنسبة لنقطة انصهار الهيليوم ، فإنها غير موجودة على الإطلاق عند الضغط الطبيعي. لا يتجمد الهيليوم السائل عند درجة حرارة قريبة بشكل تعسفي من الصفر المطلق إذا تعرض ، بالإضافة إلى درجة الحرارة ، لضغط 25 أو أكثر من الغلاف الجوي. لا توجد مادة أخرى من هذا القبيل في الطبيعة.

لا يوجد أيضًا غاز آخر قابل للذوبان بشكل مهم في السوائل ، خاصة الغازات القطبية ، وقليل جدًا من التعرض للامتصاص ، مثل الهيليوم. إنه أفضل موصل للكهرباء بين الغازات والثاني بعد الهيدروجين موصل للحرارة. سعتها الحرارية عالية جدًا ولزوجتها منخفضة.

يخترق الهيليوم بسرعة مذهلة من خلال أقسام رقيقة مصنوعة من بعض البوليمرات العضوية والبورسلين والكوارتز وزجاج البورسليكات. الغريب أن الهليوم ينتشر من خلال الزجاج اللين أبطأ 100 مرة من خلال زجاج البورسليكات. يمكن للهيليوم أيضًا اختراق العديد من المعادن. فقط الحديد والمعادن من مجموعة البلاتين ، حتى الساخنة منها ، لا يمكن اختراقها تمامًا.

تعتمد طريقة جديدة لاستخراج الهيليوم النقي من الغاز الطبيعي على مبدأ النفاذية الانتقائية.

يُظهر العلماء اهتمامًا استثنائيًا بالهيليوم السائل. أولاً ، هو أبرد سائل لا تذوب فيه مادة واحدة بشكل ملحوظ. ثانيًا ، إنه أخف السوائل مع الحد الأدنى من التوتر السطحي.

عند درجة حرارة 2.172 درجة كلفن ، يحدث تغير مفاجئ في خصائص الهليوم السائل. الأنواع الناتجة تسمى تقليديا الهليوم الثاني. يغلي الهيليوم الثاني بشكل مختلف تمامًا عن السوائل الأخرى ، ولا يغلي عند الغليان ، ويظل سطحه هادئًا تمامًا. يقوم الهيليوم 2 بتوصيل الحرارة 300 مليون مرة أفضل من الهيليوم السائل العادي (الهيليوم الأول). إن لزوجة الهيليوم II عمليًا صفر ، فهي أقل ألف مرة من لزوجة الهيدروجين السائل. لذلك ، يمتلك الهيليوم II ميوعة فائقة - القدرة على التدفق دون احتكاك عبر الشعيرات الدموية ذات القطر الصغير بشكل تعسفي.

نظير مستقر آخر للهيليوم ، 3He ، يمر في حالة السائل الفائق عند درجة حرارة لا تبعد سوى مئات من الدرجة عن الرصاصة المطلقة. تسمى السوائل الفائقة الهيليوم 4 والهيليوم 3 بالسوائل الكمومية: تظهر التأثيرات الميكانيكية الكمومية فيها حتى قبل أن تتصلب. هذا يفسر الدراسة التفصيلية للغاية للهيليوم السائل. والآن ينتجون الكثير منه - مئات الآلاف من اللترات سنويًا. لكن لم تتم دراسة الهيليوم الصلب بصعوبة: الصعوبات التجريبية في دراسة هذا الجسم شديد البرودة كبيرة. مما لا شك فيه أن هذه الفجوة سيتم سدها ، لأن الفيزيائيين يتوقعون الكثير من الأشياء الجديدة من معرفة خصائص الهليوم الصلب: بعد كل شيء ، إنه أيضًا جسم كمي.

اسطوانات الهيليوم

خامل ولكنه ضروري للغاية

في نهاية القرن الماضي ، نشرت مجلة بانش الإنجليزية رسما كاريكاتوريا صُوِّر فيه الهيليوم كرجل يغمز بمكر - أحد سكان الشمس. يقول النص الموجود أسفل الصورة: "أخيرًا ، أمسكوا بي على الأرض! لقد مر وقت طويل بما فيه الكفاية! أتساءل كم سيمضي من الوقت قبل أن يكتشفوا ماذا يفعلون معي؟ "

في الواقع ، مرت 34 عامًا على اكتشاف الهيليوم الأرضي (نُشر أول تقرير عن ذلك في عام 1881) قبل أن يجد تطبيقًا عمليًا. تم لعب دور معين هنا من خلال الخصائص الفيزيائية والتقنية والكهربائية الأصلية ، وبدرجة أقل ، الخصائص الكيميائية للهيليوم ، الأمر الذي تطلب دراسة طويلة. كانت العقبات الرئيسية هي شرود الذهن وارتفاع تكلفة العنصر رقم 2.

كان الألمان أول من استخدم الهيليوم. في عام 1915 ، بدأوا في ملء طائراتهم التي تقصف لندن بها. سرعان ما أصبح الهيليوم الخفيف ولكن غير القابل للاشتعال حشوًا لا غنى عنه لمركبات الطيران. أدى تراجع صناعة المناطيد ، الذي بدأ في منتصف الثلاثينيات ، إلى انخفاض طفيف في إنتاج الهيليوم ، ولكن لفترة قصيرة فقط. جذب هذا الغاز انتباه الكيميائيين وعلماء المعادن وبناة الآلات بشكل متزايد.

لا يمكن تنفيذ العديد من العمليات والعمليات التكنولوجية في الهواء. لتجنب تفاعل المادة الناتجة (أو المادة الأولية) مع غازات الهواء ، يتم إنشاء بيئات حماية خاصة ؛ ولا يوجد غاز أكثر ملاءمة لهذه الأغراض من الهيليوم.

اسطوانات الهيليوم

الهليوم الخامل ، الخفيف ، المتحرك ، الموصل الجيد للحرارة ، هو أداة مثالية لنقل السوائل والمساحيق القابلة للاشتعال من حاوية إلى أخرى ؛ هذه الوظائف بالتحديد هي التي تؤديها في الصواريخ والصواريخ الموجهة. في بيئة الحماية من الهليوم ، تحدث مراحل منفصلة للحصول على الوقود النووي. يتم تخزين عناصر الوقود في المفاعلات النووية ونقلها في حاويات مليئة بالهيليوم.

بمساعدة كاشفات التسرب الخاصة ، التي يعتمد عملها على قدرة الانتشار الاستثنائية للهيليوم ، فإنها تكتشف أدنى احتمال للتسرب في المفاعلات النووية والأنظمة الأخرى تحت الضغط أو الفراغ.

تميزت السنوات الأخيرة بارتفاع متجدد في بناء المناطيد ، الآن على أساس علمي وتقني أعلى. في عدد من البلدان ، تم بناء الطائرات المملوءة بالهيليوم بسعة حمل تتراوح من 100 إلى 3000 طن وهي قيد الإنشاء ، وهي اقتصادية وموثوقة ومريحة لنقل البضائع الضخمة ، مثل خطوط أنابيب الغاز ومصافي النفط وأبراج نقل الطاقة ، إلخ. الحشو بـ 85٪ هيليوم و 15٪ هيدروجين مقاوم للحريق ويقلل فقط من الرفع بنسبة 7٪ مقارنة بحشو الهيدروجين.

بدأت المفاعلات النووية عالية الحرارة من نوع جديد في العمل ، حيث يعمل الهيليوم كمبرد.

يستخدم الهيليوم السائل على نطاق واسع في البحث العلمي والهندسة. تفضل درجات الحرارة المنخفضة للغاية معرفة متعمقة بالمادة وبنيتها - عند درجات حرارة أعلى ، يتم إخفاء التفاصيل الدقيقة لأطياف الطاقة بالحركة الحرارية للذرات.

توجد بالفعل ملفات لولبية فائقة التوصيل مصنوعة من سبائك خاصة تخلق مجالات مغناطيسية قوية (تصل إلى 300000 درجة حرارة) عند درجة حرارة الهيليوم السائل مع إنفاق ضئيل للطاقة.

عند درجة حرارة الهيليوم السائل ، تصبح العديد من المعادن والسبائك موصلات فائقة. المرحلات فائقة التوصيل - يتم استخدام الكريوترونات بشكل متزايد في تصميم أجهزة الكمبيوتر الإلكترونية. إنها بسيطة وموثوقة ومضغوطة للغاية. تصبح الموصلات الفائقة ، ومعها الهيليوم السائل ، ضرورية للإلكترونيات. يتم تضمينها في تصميم أجهزة الكشف عن الأشعة تحت الحمراء ، والمضخمات الجزيئية (الماسرات) ، ومولدات الكم البصرية (الليزر) ، وأجهزة لقياس ترددات الميكروويف.

بالطبع ، هذه الأمثلة لا تستنفد دور الهيليوم في التكنولوجيا الحديثة. ولكن لولا الموارد الطبيعية المحدودة ، وليس للتشتت الشديد للهيليوم ، لكان قد وجد العديد من التطبيقات. من المعروف ، على سبيل المثال ، أنه عند حفظها في بيئة الهيليوم ، تحتفظ المنتجات الغذائية بمذاقها ورائحتها الأصلية. لكن الطعام المعلب "الهيليوم" لا يزال "شيئًا في حد ذاته" ، لأن الهيليوم لا يكفي ولا يستخدم إلا في أهم الصناعات وحيث لا غنى عنه. لذلك ، من المهين بشكل خاص أن ندرك أنه مع الغاز الطبيعي القابل للاحتراق ، فإن كميات أكبر بكثير من الهليوم تمر عبر أجهزة التخليق الكيميائي والأفران والأفران وتذهب إلى الغلاف الجوي أكثر من تلك المستخرجة من المصادر الحاملة للهيليوم.

يعتبر الآن من المفيد فصل الهيليوم فقط في الحالات التي لا يقل فيها محتواه في الغاز الطبيعي عن 0.05٪. احتياطيات هذا الغاز آخذة في التناقص طوال الوقت ، ومن المحتمل أن يتم استنفادها قبل نهاية قرننا. ومع ذلك ، من المحتمل أن يتم حل مشكلة "نقص الهليوم" بحلول هذا الوقت - ويرجع ذلك جزئيًا إلى إنشاء طرق جديدة وأكثر تقدمًا لفصل الغازات ، واستخراج الأجزاء الأكثر قيمة ، وإن كانت غير مهمة ، وجزئيًا بسبب الاندماج النووي الحراري المتحكم فيه . سيكون الهيليوم منتجًا هامًا ، وإن كان منتجًا ثانويًا ، من "شموس اصطناعية".

أنبوب الهيليوم

نظائر الهليوم

في الطبيعة ، هناك نوعان من نظائر الهيليوم المستقرة: الهليوم 3 والهيليوم 4. النظير الخفيف أقل شيوعًا على الأرض بمليون مرة من النظير الثقيل. إنه أندر النظائر المستقرة الموجودة على كوكبنا. تم الحصول على ثلاثة نظائر للهيليوم بشكل مصطنع. كلهم مشعة. عمر النصف للهيليوم -5 هو 2.4 10-21 ثانية ، الهيليوم -6 0.83 ثانية ، الهليوم -8 0.18 ثانية. تم اكتشاف أثقل نظير ، المثير للاهتمام في وجود ثلاثة نيوترونات لكل بروتون في نواته ، لأول مرة في دوبنا في الستينيات. لم تنجح محاولات الحصول على الهليوم 10 حتى الآن.

الغاز الصلب الأخير

كان الهيليوم آخر الغازات التي تم تحويلها إلى حالة سائلة وصلبة. يتم تفسير الصعوبات الخاصة في تسييل وتصلب الهيليوم من خلال بنية ذرته وبعض خصائص خواصه الفيزيائية. على وجه الخصوص ، الهيليوم ، مثل الهيدروجين ، عند درجات حرارة أعلى من -250 درجة مئوية ، يتمدد ، لا يبرد ، لكنه يسخن. من ناحية أخرى ، فإن درجة الحرارة الحرجة للهيليوم منخفضة للغاية. هذا هو السبب في الحصول على الهيليوم السائل لأول مرة فقط في عام 1908 ، وكان صلبًا - في عام 1926.

هواء الهيليوم

لم يعد الهواء الذي تم فيه استبدال كل أو معظم نيتروجينه بالهيليوم شيئًا جديدًا اليوم. يستخدم على نطاق واسع في الأرض وتحت الأرض وتحت الماء.

هواء الهليوم أخف بثلاث مرات وأكثر قدرة على الحركة من الهواء العادي. يتصرف بشكل أكثر نشاطًا في الرئتين - فهو يجلب الأكسجين بسرعة ويخرج ثاني أكسيد الكربون بسرعة. هذا هو السبب في إعطاء الهليوم الهواء للمرضى الذين يعانون من اضطرابات في الجهاز التنفسي وبعض العمليات. يخفف الاختناق ويعالج الربو القصبي وأمراض الحنجرة.

إن استنشاق هواء الهيليوم يزيل عمليًا انسداد النيتروجين (مرض الغواص) ، والذي يكون الغواصون والمتخصصون في المهن الأخرى ، الذين يتم عملهم تحت ظروف الضغط العالي ، عرضة للإصابة أثناء الانتقال من الضغط المرتفع إلى الوضع الطبيعي. سبب هذا المرض مهم جدًا ، خاصةً عند ارتفاع ضغط الدم ، قابلية ذوبان النيتروجين في الدم. مع انخفاض الضغط ، يتم إطلاقه على شكل فقاعات غازية يمكن أن تسد الأوعية الدموية وتضر بالعقد العصبية ... على عكس النيتروجين ، الهيليوم غير قابل للذوبان عمليًا في سوائل الجسم ، لذلك لا يمكن أن يسبب مرض تخفيف الضغط. بالإضافة إلى ذلك ، يزيل هواء الهيليوم حدوث "تخدير النيتروجين" ، الذي يشبه ظاهريًا تسمم الكحول.

عاجلاً أم آجلاً ، سيتعين على البشرية تعلم كيفية العيش والعمل لفترة طويلة في قاع البحر من أجل الاستفادة بجدية من الموارد المعدنية والغذائية على الرف. وفي أعماق كبيرة ، كما أظهرت تجارب الباحثين السوفييت والفرنسيين والأمريكيين ، لا يزال هواء الهيليوم لا غنى عنه. لقد أثبت علماء الأحياء أن التنفس المطول بهواء الهيليوم لا يسبب تغيرات سلبية في جسم الإنسان ولا يهدد التغيرات في الجهاز الوراثي: لا يؤثر جو الهيليوم على نمو الخلايا وتواتر الطفرات. هناك أعمال يعتبر مؤلفوها أن هواء الهيليوم هو الوسيط الجوي الأمثل للمركبات الفضائية التي تقوم برحلات طويلة المدى إلى الكون. لكن حتى الآن ، لم يرتفع هواء الهيليوم الاصطناعي بعد خارج الغلاف الجوي للأرض.

سمي كويكب هيليو (895) ، الذي اكتشف عام 1918 ، على اسم الهيليوم.

يتكون العالم من حولنا من حوالي 100 عنصر كيميائي مختلف. كيف تشكلوا في الظروف الطبيعية؟ يتم توفير تلميح للإجابة على هذا السؤال من خلال الوفرة النسبية للعناصر الكيميائية. من بين أهم سمات وفرة العناصر الكيميائية في النظام الشمسي ، يمكن تمييز ما يلي.

1. المادة في الكون تتكون أساسًا من الهيدروجين - ~ 90٪ من جميع الذرات.
2. من حيث الوفرة ، يحتل الهيليوم المرتبة الثانية ، حيث يمثل حوالي 10 ٪ من عدد ذرات الهيدروجين.
3. هناك حد أدنى عميق يتوافق مع العناصر الكيميائية: الليثيوم ، والبريليوم بي ، والبورون ب.
4. مباشرة بعد الحد الأدنى العميق لـ Li ، Be ، B ، يتبع الحد الأقصى بسبب زيادة وفرة الكربون C والأكسجين O.
5. بعد الحد الأقصى من الأكسجين ، هناك انخفاض مفاجئ في وفرة العناصر حتى سكانديوم (A = 45).
6. هناك زيادة حادة في وفرة العناصر في منطقة الحديد أ = 56 (مجموعة الحديد).
7. بعد A = 60 ، يحدث الانخفاض في وفرة العناصر بشكل أكثر سلاسة.
8. هناك فرق ملحوظ بين العناصر الكيميائية التي تحتوي على عدد زوجي وفردي من البروتونات ض. كقاعدة عامة ، العناصر الكيميائية مع زوج ضأكثر شيوعًا.

التفاعلات النووية في الكون

ر = 0		الانفجار العظيم. ولادة الكون
ر = 10-43 ثانية		عصر الجاذبية الكمومية. سلاسل ρ = 10 90 جم / سم 3 ، T = 10 32 كلفن
ر = 10-35 ثانية		متوسط ​​كوارك-غلوون ρ = 10 75 جم / سم 3 ، T = 10 28 كلفن
ر = 1 µs		تتحد الكواركات لتكوين النيوترونات والبروتونات ρ = 10 17 جم / سم 3 ، T = 6 10 12 ك
ر = 100 ثانية		تشكيل ما قبل النجم 4 هو ρ = 50 جم / سم 3 ، T = 9 10 ك
ر = 380 ألف سنة		تكوين ذرات متعادلة ρ = 0.5 10-20 جم / سم 3 ، T = 3 10 3 ك
ر = 10 8 سنوات	النجوم الأولى	حرق الهيدروجين في النجوم ρ \ u003d 10 2 جم / سم 3 ، T \ u003d 2 10 6 ك حرق الهيليوم في النجوم ρ = 10 3 جم / سم 3 ، T = 2 10 8 ك حرق الكربون في النجوم ρ \ u003d 10 5 جم / سم 3 ، T \ u003d 8 10 8 ك حرق الأكسجين في النجوم ρ = 10 5 ÷ 10 6 جم / سم 3 ، T = 2 10 9 ك حرق السيليكون في النجوم ρ = 10 6 جم / سم 3 ، T = (3 ÷ 5) 10 9 ك
ر = 13.7 مليار سنة		الكون الحديث ρ \ u003d 10-30 جم / سم 3 ، T = 2.73 كلفن

التخليق النووي قبل النجم. تعليم 4 هو

التوليف الكوني للهيليوم هو الآلية الرئيسية لتشكيله في الكون. يزيد تخليق الهيليوم من الهيدروجين في النجوم جزء الكتلة البالغ 4 He في المادة الباريونية بحوالي 10٪. تشرح آلية التكوين ما قبل النجمي للهيليوم من الناحية الكمية انتشار الهليوم في الكون وهي حجة قوية لصالح مرحلة ما قبل المجرة من تكوينها والمفهوم الكامل للانفجار العظيم.
يجعل التركيب النووي الكوني من الممكن تفسير انتشار نوى خفيفة مثل الديوتيريوم (2 H) والنظائر 3 He و 7 Li في الكون. ومع ذلك ، فإن أعدادهم لا تذكر مقارنة بنواة الهيدروجين و 4 He. فيما يتعلق بالهيدروجين ، يتكون الديوتيريوم بكمية 10 -4 -10 -5 ، 3 He - بكمية ≈ 10 -5 ، و 7 Li - بكمية ≈ 10-10.
لشرح تكوين العناصر الكيميائية في عام 1948 ، طرح ج. جامو نظرية الانفجار العظيم. وفقًا لنموذج Gamow ، حدث تخليق جميع العناصر الكيميائية أثناء الانفجار العظيم نتيجة لالتقاط غير متوازن للنيوترونات بواسطة النوى الذرية مع انبعاث γ-quanta وما تلاه من تحلل للنواة المشكلة. ومع ذلك ، أظهرت الحسابات أنه من المستحيل تفسير تكوين عناصر كيميائية أثقل من Li في هذا النموذج. اتضح أن آلية تكوين النوى الخفيفة (أ< 7) связан с условиями, существовавшими во Вселенной в течение первых трех минут. Более тяжелые ядра образовались в результате ядерных реакций, происходящих при горении звезд.

مرحلة ما قبل النجم لتشكيل أخف نوى.في مرحلة تطور الكون بعد 100 ثانية من الانفجار العظيم عند درجة حرارة ~ 10 9 كلفن ، كانت المادة في الكون تتكون من البروتونات p ، والنيوترونات n ، والإلكترونات e - ، والبوزيترونات e + ، والنيوترينوات ν ، ومضادات النيوترونات ، والفوتونات. γ. كان الإشعاع في حالة توازن حراري مع الإلكترونات e - والبوزيترونات e + والنكليونات.

في ظل ظروف التوازن الديناميكي الحراري ، يوصف توزيع جيبس ​​احتمال تكوين نظام بطاقة E N مساوية لباقي طاقة النوكليون . لذلك ، في ظل ظروف التوازن الديناميكي الحراري ، سيتم تحديد النسبة بين عدد النيوترونات والبروتونات من خلال الاختلاف في كتلة النيوترون والبروتون

يتوقف تكوين أزواج الإلكترون والبوزيترون عند T< 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.

ردود الفعل الرئيسية للتخليق النووي قبل النجمي هي:

ص + ن → د + γ ، د + ص → 3 هو + ،		3 هو + ن → 3 هو + ص
د + د →	3 هو + ن ،	3 هو + ن 3 ح + ع ، 3 H + p 4 He +، 3 H + d 4 He + n.
	3 س + ص ،

منذ نوى مستقرة مع لكن = 5 غير موجود ، التفاعلات النووية تنتهي بشكل أساسي بتكوين 4 He. 7 Be و 6 Li و 7 Li يشكلون فقط ~ 10-9 - 10-12 من تكوين نظير He. تختفي جميع النيوترونات تقريبًا ، وتشكل 4 نوى. عند كثافة مادة ρ ~ 10–3 - 10–4 جم / سم 3 ، يكون احتمال عدم تفاعل النيوترون والبروتون أثناء التركيب النووي الأولي أقل من 10-4. نظرًا لأنه في البداية كان هناك 5 بروتونات لكل نيوترون ، فإن النسبة بين عدد النوى 4 He و p يجب أن يكون ~ 1/10. وهكذا ، فإن نسبة وفرة الهيدروجين والهيليوم ، التي لوحظت في الوقت الحاضر ، تشكلت خلال الدقائق الأولى من وجود الكون. أدى توسع الكون إلى انخفاض درجة حرارته وإنهاء عملية التخليق النووي الأولي قبل النجمي.

تكوين العناصر الكيميائية في النجوم.نظرًا لأن عملية التخليق النووي في مرحلة مبكرة من تطور الكون انتهت بتكوين الهيدروجين والهيليوم وكمية صغيرة من Li ، Be ، B ، كان من الضروري العثور على الآليات والظروف التي يمكن من خلالها تكوين العناصر الأثقل .
أظهر كل من G. Bethe و K. Weizsäcker أن الظروف المقابلة موجودة داخل النجوم. تشكلت النوى الأثقل بعد مليارات السنين فقط من الانفجار العظيم في عملية تطور النجوم. يبدأ تكوين العناصر الكيميائية في النجوم باحتراق الهيدروجين لتكوين 4 He .

بيث ، 1968: "منذ زمن سحيق ، أراد الناس معرفة ما الذي يحافظ على توهج الشمس. أول محاولة للتفسير العلمي قام بها هيلمهولتز منذ حوالي مائة عام. كان يعتمد على استخدام أشهر القوى في ذلك الوقت - قوى الجاذبية الشاملة. إذا سقط جرام واحد من المادة على سطح الشمس ، فإنه يكتسب طاقة كامنة

E p \ u003d -GM / R \ u003d -1.91 10 15 erg / g.

من المعروف أنه في الوقت الحاضر يتم تحديد قوة إشعاع الشمس من خلال القيمة

ε = 1.96 erg / g s.

لذلك ، إذا كانت الجاذبية هي مصدر الطاقة ، فإن مخزون طاقة الجاذبية يمكن أن يوفر إشعاعًا لمدة 10 15 ق ، أي على مدى حوالي ثلاثين مليون سنة ...
في نهاية القرن التاسع عشر ، اكتشف بيكريل وبيير وماري كوري النشاط الإشعاعي. جعل اكتشاف النشاط الإشعاعي من الممكن تحديد عمر الأرض. بعد ذلك بقليل ، كان من الممكن تحديد عمر النيازك ، والتي من خلالها كان من الممكن الحكم على وقت ظهور المادة في النظام الشمسي في المرحلة الصلبة. من خلال هذه القياسات أمكن إثبات أن عمر الشمس بدقة 10٪ هو 5 مليارات سنة. وبالتالي ، لا يمكن للجاذبية أن توفر الإمداد المطلوب بالطاقة طوال هذا الوقت ...
منذ بداية الثلاثينيات ، بدأوا يميلون إلى حقيقة أن الطاقة النجمية نشأت بسبب التفاعلات النووية ... سيكون التفاعل أبسط من جميع التفاعلات الممكنة.

H + H → D + e + + v.

نظرًا لأن عملية التخليق النووي الأولي انتهت بشكل أساسي بتكوين 4 نوى نتيجة تفاعلات التفاعل p + n و d + d و d + 3 He و d + 3 H وتم استهلاك جميع النيوترونات ، كان من الضروري العثور على الظروف التي تشكلت فيها العناصر الثقيلة. في عام 1937 ، ابتكر ج. بيث نظرية تشرح أصل طاقة الشمس والنجوم نتيجة تفاعلات الاندماج لنواة الهيدروجين والهيليوم التي تحدث في مركز النجوم. نظرًا لعدم وجود عدد كافٍ من النيوترونات في وسط النجوم للتفاعلات من النوع p + n ، يمكن أن تستمر التفاعلات فقط فيها
p + p → d + e + + v. حدثت هذه التفاعلات في النجوم عندما وصلت درجة الحرارة في مركز النجم إلى 10 7 كلفن وبلغت الكثافة 10 5 كجم / م 3. حقيقة أن التفاعل p + p → d + e + حدث نتيجة للتفاعل الضعيف أوضحت ميزات مخطط Hertzsprung-Russell.

جائزة نوبل في الفيزياء
1967 - ج. بيته
لإسهاماته في نظرية التفاعلات النووية وخاصة لاكتشاف مصدر الطاقة النجمية.

بعد أن وضعت افتراضات معقولة حول قوة التفاعلات ، بناءً على المبادئ العامة للفيزياء النووية ، اكتشفت في عام 1938 أن دورة الكربون والنيتروجين يمكن أن توفر الإطلاق الضروري للطاقة في الشمس ... يعمل الكربون فقط كمحفز ؛ نتيجة التفاعل هي مزيج من أربعة بروتونات وإلكترونين لتشكيل نواة 4 هو . في هذه العملية ، ينبعث اثنان من النيوترينوات ، تحمل معهم حوالي 2 ميجا إلكترون فولت من الطاقة. يتم إطلاق الطاقة المتبقية البالغة حوالي 25 ميجا فولت لكل دورة وتحافظ على درجة حرارة الشمس دون تغيير ... كان هذا هو الأساس الذي قام فاولر وآخرون على أساسه بحساب معدلات التفاعل في الدورة (C ، N) ".

حرق الهيدروجين.من الممكن وجود تسلسلين مختلفين لتفاعلات احتراق الهيدروجين - تحويل أربع نوى هيدروجين إلى نواة 4 He ، والتي يمكن أن توفر إطلاقًا كافيًا للطاقة للحفاظ على لمعان النجم:

• سلسلة بروتون-بروتون (سلسلة pp) ، حيث يتحول الهيدروجين مباشرة إلى هيليوم ؛
• دورة الكربون - النيتروجين - الأكسجين (دورة CNO) ، حيث تشارك نوى C و N و O كمحفزات.

أي من هذين التفاعلين يلعب دورًا أكثر أهمية يعتمد على درجة حرارة النجم. في النجوم ذات الكتلة المماثلة لكتلة الشمس أو أقل ، تهيمن سلسلة البروتون-البروتون. في النجوم الأكثر ضخامة مع درجات حرارة أعلى ، المصدر الرئيسي للطاقة هو دورة CNO. في هذه الحالة ، بطبيعة الحال ، من الضروري أن تكون نوى C و N و O موجودة في تكوين المادة النجمية.درجة حرارة الطبقات الداخلية للشمس هي 1.5 10 7 كلفن ، ويتم تشغيل سلسلة بروتون-بروتون دور مهيمن في إطلاق الطاقة.

اعتماد درجة الحرارة على لوغاريتم المعدل الخامس لإطلاق الطاقة في دورات الهيدروجين (pp) والكربون (CNO)

حرق الهيدروجين. سلسلة بروتون بروتون.التفاعل النووي

p + p → 2 H + e + + v e + Q ،

يبدأ في الجزء المركزي من النجم بكثافة 100 جم / سم 3. هذا التفاعل يوقف الانكماش الإضافي للنجم. تولد الحرارة المنبعثة أثناء تفاعل اندماج الهيدروجين ضغطًا يصد الانكماش الثقالي ويمنع النجم من الانهيار. هناك تغيير نوعي في آلية إطلاق الطاقة في النجم. إذا حدث تسخين النجم قبل بدء التفاعل النووي لاحتراق الهيدروجين بشكل أساسي بسبب ضغط الجاذبية ، تظهر الآن آلية أخرى مهيمنة - يتم إطلاق الطاقة بسبب تفاعلات الاندماج النووي.

يكتسب النجم حجمًا ثابتًا وإشراقًا ، والذي لا يتغير بالنسبة لنجم ذي كتلة قريبة من الشمس لمليارات السنين ، بينما يحدث "احتراق" الهيدروجين. هذه هي أطول مرحلة في تطور النجوم. نتيجة لاحتراق الهيدروجين ، تتشكل نواة هيليوم واحدة من كل أربعة نوى هيدروجين. تسمى السلسلة الأكثر احتمالا للتفاعلات النووية على الشمس المؤدية إلى ذلك دورة البروتون والبروتونويبدو مثل هذا:

p + p → 2 H + e + + ν e + 0.42 MeV ،
p + 2 H → 3 He + 5.49 MeV ،
3 He + 3 He → 4 He + p + p + 12.86 MeV

أو في شكل أكثر إحكاما

4p → 4He + 2e + 2νe + 24.68 MeV.

النيوترينوات هي المصدر الوحيد الذي يوفر معلومات حول الأحداث التي تحدث في باطن الشمس. يمتد طيف النيوترينوات الناتج على الشمس نتيجة احتراق الهيدروجين في تفاعل 4p → 4 He وفي دورة CNO من طاقة قدرها 0.1 MeV إلى طاقة ~ 12 MeV. تتيح مراقبة النيوترينوات الشمسية التحقق المباشر من نموذج التفاعلات النووية الحرارية على الشمس.
الطاقة المنبعثة نتيجة لسلسلة pp هي 26.7 MeV. تم تسجيل النيوترينوات المنبعثة من الشمس بواسطة أجهزة الكشف الأرضية ، مما يؤكد تفاعل الاندماج على الشمس.
حرق الهيدروجين. دورة CNO.تتمثل إحدى ميزات دورة CNO في أنها ، بدءًا من نواة الكربون ، تقلل إلى الارتباط المتسلسل لـ 4 بروتونات مع تكوين نواة 4He في نهاية دورة CNO.

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

دورة CNO

سلسلة التفاعل أنا

12 C + p → 13 N + γ (Q = 1.94 MeV) ،
13 N → 13 C + e + + e (Q = 1.20 MeV، T 1/2 = 10 min) ،
13 C + p → 1 4 N + γ (Q = 7.55 MeV) ،
14 N + p → 15 O + γ (Q = 7.30 MeV) ،
15 O → 15 N + e + + e (Q = 1.73 MeV، T 1/2 = 124 s) ،
15 N + p → 12 C + 4 He (Q = 4.97 MeV).

سلسلة التفاعل II

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

سلسلة التفاعل III

17 O + p → 18 F + γ (Q = 6.38 MeV) ،
18 F → 18 O + e + + e (Q = 0.64 MeV، T 1/2 = 110 min) ،
18 O + p → 15 N + α (Q = 3.97 MeV).

يرتبط الوقت الرئيسي لتطور النجم بحرق الهيدروجين. عند الكثافات النموذجية للجزء المركزي من النجم ، يحدث احتراق الهيدروجين عند درجة حرارة (1-3) 10 7 كلفن في درجات الحرارة هذه ، يستغرق الأمر 10 6-10 10 سنوات لجزء كبير من الهيدروجين في المركز من النجم ليتم تحويله إلى هيليوم. مع زيادة درجة الحرارة ، يمكن تكوين عناصر كيميائية أثقل Z> 2 في مركز النجم ، حيث تحرق النجوم المتسلسلة الرئيسية الهيدروجين في الجزء المركزي ، حيث تحدث التفاعلات النووية بشكل مكثف بسبب ارتفاع درجة الحرارة. عندما يحترق الهيدروجين في مركز النجم ، يبدأ تفاعل احتراق الهيدروجين بالانتقال إلى محيط النجم. تزداد درجة الحرارة في مركز النجم باستمرار ، وعندما تصل إلى 10 6 كلفن ، تبدأ تفاعلات الاحتراق بمقدار 4. التفاعل 3α → 12 C + هو الأكثر أهمية لتكوين العناصر الكيميائية. يتطلب تصادمًا متزامنًا لثلاث جسيمات ألفا وهو محتمل نظرًا لحقيقة أن طاقة التفاعل 8 Be + 4 يتزامن مع رنين الحالة المثارة 12 C. وجود الرنين يزيد بشكل حاد من احتمال اندماج ثلاثة جسيمات ألفا.

تكوين النوى الوسطى أ< 60. تعتمد التفاعلات النووية التي ستحدث في مركز النجم على كتلة النجم ، والتي يجب أن توفر درجة حرارة عالية بسبب ضغط الجاذبية في مركز النجم. نظرًا لأن النوى ذات Z كبيرة تشارك الآن في تفاعلات الاندماج ، فإن الجزء المركزي من النجم ينضغط أكثر فأكثر ، ترتفع درجة الحرارة في مركز النجم. عند درجات حرارة تصل إلى عدة مليارات من الدرجات ، يتم تدمير النوى المستقرة التي تم تشكيلها سابقًا ، وتتشكل البروتونات والنيوترونات وجسيمات ألفا وفوتونات عالية الطاقة ، مما يؤدي إلى تكوين عناصر كيميائية في الجدول الدوري بأكمله لمندليف حتى الحديد. يحدث تكوين العناصر الكيميائية الأثقل من الحديد نتيجة الالتقاط المتتالي للنيوترونات وما يتبعها من تحلل β.
تكوين نوى متوسطة وثقيلةأ > 60. في عملية الاندماج النووي الحراري ، تتشكل النوى الذرية في النجوم حتى الحديد. مزيد من التوليف أمر مستحيل ، لأن نوى مجموعة الحديد لديها أقصى طاقة ربط محددة. يتم إعاقة تكوين النوى الأثقل في التفاعلات مع الجسيمات المشحونة - البروتونات والنوى الخفيفة الأخرى - بسبب زيادة حاجز كولوم للنواة الثقيلة.

تكوين العناصر 4 He → 32 Ge.

تطور نجم هائل M> M

كعناصر ذات قيم متزايدة تشارك في عملية الاحتراق ضتزداد درجة الحرارة والضغط في مركز النجم بمعدل متزايد باستمرار ، مما يؤدي بدوره إلى زيادة معدل التفاعلات النووية. إذا استمر تفاعل حرق الهيدروجين لعدة ملايين من السنين بالنسبة لنجم ضخم ، فإن احتراق الهيليوم يحدث 10 مرات أسرع. تستغرق عملية احتراق الأكسجين حوالي 6 أشهر ، ويحدث احتراق السيليكون في يوم واحد.
تعتمد وفرة العناصر الموجودة في المنطقة خلف الحديد بشكل ضعيف نسبيًا على رقم الكتلة A. وهذا يشير إلى حدوث تغيير في آلية تكوين هذه العناصر. يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن معظم النوى الثقيلة هي β - المشعة. في تكوين العناصر الثقيلة ، تلعب تفاعلات التقاط النيوترونات بواسطة النوى (n ،) دورًا حاسمًا:

(A، Z) + n → (A + 1، Z) +.

نتيجة لسلسلة من عمليات الالتقاط المتناوبة بواسطة نوى لنيوترون واحد أو أكثر ، متبوعًا بـ β - الاضمحلال ، تزداد أعداد الكتلة لكنوشحن ضالنوى ومن العناصر الأولية للمجموعة الحديدية ، تتشكل عناصر أثقل بشكل متزايد حتى نهاية الجدول الدوري.

في مرحلة المستعر الأعظم ، يتكون الجزء المركزي من النجم من الحديد وجزء ضئيل من النيوترونات وجسيمات ألفا ، وهي نواتج تفكك الحديد تحت تأثير γ - الكميات. قرب
M / M = 1.5 يهيمن عليها 28 Si. 20 ني و 16 O تشكل الجزء الأكبر من المادة في المنطقة من 1.6 إلى 6 م / م. الغلاف الخارجي للنجم (M / M> 8) يتكون من الهيدروجين والهيليوم.
في هذه المرحلة ، في العمليات النووية ، لا يتم إطلاق الطاقة فحسب ، بل يتم امتصاصها أيضًا. النجم الهائل يفقد الاستقرار. يحدث انفجار سوبرنوفا ، حيث يتم إخراج جزء كبير من العناصر الكيميائية المتكونة في النجم إلى الفضاء بين النجوم. إذا كانت نجوم الجيل الأول تتكون من الهيدروجين والهيليوم ، فعندئذٍ في نجوم الأجيال اللاحقة ، توجد بالفعل عناصر كيميائية أثقل في المرحلة الأولى من التركيب النووي.

التفاعلات النووية لتخليق النواة.أعطى E. Burbidge ، G. Burbidzh ، V. Fowler ، F. Hoyle في عام 1957 الوصف التالي للعمليات الرئيسية للتطور النجمي التي يحدث فيها تكوين النوى الذرية.

1. نتيجة احتراق الهيدروجين ، تتشكل 4 نوى.

احتراق الهيليوم. نتيجة لرد الفعل 4 He + 4 He + 4 He → 12 C + γ تتشكل نوى 12 ج.

2. عملية α. نتيجة الالتقاط المتتالي لجسيمات ألفا ، نوى جسيمات ألفا 16 س ، 20 ني ، 24 مغ ، 28 سي ، ...
3. العملية الإلكترونية. عندما يتم الوصول إلى درجة حرارة 5 10 9 كلفن ، يستمر عدد كبير من التفاعلات المختلفة في النجوم في ظل ظروف التوازن الديناميكي الحراري ، مما يؤدي إلى تكوين نوى ذرية تصل إلى الحديد والنيكل. حبات مع لكن~ 60 هي النوى الذرية الأكثر ارتباطًا. لذلك ، فإنهم ينهون سلسلة تفاعلات الاندماج النووي ، المصحوبة بإطلاق الطاقة.
4. عملية s. تتشكل النوى الأثقل من الحديد في تفاعلات التقاط النيوترونات المتتالية. في كثير من الأحيان ، يتبين أن النواة التي استولت على النيوترون هي β - -إشعاعية. قبل أن تلتقط النواة النيوترون التالي ، يمكن أن تتحلل نتيجة β - الاضمحلال. كل β - -decay يزيد الرقم التسلسلي للنواة الذرية الناتجة بمقدار واحد. إذا كان الفاصل الزمني بين عمليات الالتقاط المتتالية للنيوترونات أكبر من فترات - الاضمحلال ، فإن عملية التقاط النيوترونات تسمى العملية s (البطيئة). وبالتالي ، نتيجة لالتقاط النيوترون وما تلاه من انحلال ، تصبح النواة أثقل تدريجيًا ، ولكنها في نفس الوقت لا تنحرف كثيرًا عن وادي الاستقرار في مخطط NZ.
5. ص العملية. إذا كان معدل الالتقاط المتتالي للنيوترونات أكبر بكثير من معدل β - اضمحلال نواة الذرة ، فإنه يتمكن من التقاط عدد كبير من النيوترونات مرة واحدة. نتيجة لعملية r ، تتشكل نواة غنية بالنيوترونات ، وهي بعيدة عن وادي الاستقرار. عندها فقط تتحول ، نتيجة لسلسلة متتالية من - تتحلل ، إلى نواة مستقرة. يُعتقد عادةً أن عمليات r تحدث نتيجة انفجارات المستعر الأعظم.
6. R- عملية. تتشكل بعض النوى المستقرة التي تعاني من نقص النيوترونات (ما يسمى بالنواة الالتفافية) في تفاعلات التقاط البروتون ، في تفاعلات ( γ ,ن) أو في التفاعلات التي تحركها النيوترينوات.

توليف عناصر ما بعد اليورانيوم.فقط تلك العناصر الكيميائية هي التي نجت في النظام الشمسي ، وعمرها أطول من عمر النظام الشمسي. هذه هي 85 عنصرًا كيميائيًا. تم الحصول على العناصر الكيميائية المتبقية نتيجة تفاعلات نووية مختلفة في المعجلات أو نتيجة التشعيع في المفاعلات النووية. تم توليف أول عناصر عبر اليورانيوم في المختبر باستخدام التفاعلات النووية تحت تأثير النيوترونات وجسيمات ألفا المتسارعة. ومع ذلك ، تبين أن المزيد من التقدم إلى العناصر الأثقل أمر مستحيل عمليًا بهذه الطريقة. لتركيب عناصر أثقل من mendelevium Md ( ض= 101) استخدم التفاعلات النووية مع الأيونات المشحونة الأثقل - الكربون والنيتروجين والأكسجين والنيون والكالسيوم. لتسريع الأيونات الثقيلة ، بدأ بناء مسرعات الأيونات المشحونة المضاعفة.

جائزة نوبل في الفيزياء
1983 - دبليو فاولر
للدراسات النظرية والتجريبية للعمليات النووية المهمة في تكوين العناصر الكيميائية في الكون.

عام الافتتاح	عنصر كيميائي	ض	رد فعل
1936	Np ، Pu	93, 94
1945	أكون	95
1961	سم	96
1956	bk	97
1950	راجع	98
1952	إس	99
1952	اف ام	100
1955	م	101
1957	رقم	102
1961	lr	103
1964	الترددات اللاسلكية	104
1967-1970	ديسيبل	105
1974	سان جرمان	106
1976	به	107
1984-1987	ح	108
1982	جبل	109
1994	س	110
1994	ار جي	111
1996	سي ان	112
2004		113, 115
1998		114
2000		116
2009		117
2006		118

رذرفورد: إذا كانت هناك عناصر أثقل من اليورانيوم ، فمن المحتمل أن تتحول إلى مواد مشعة. ستجعل الحساسية الاستثنائية لطرق التحليل الكيميائي ، القائمة على النشاط الإشعاعي ، من الممكن تحديد هذه العناصر ، حتى لو كانت موجودة بكميات ضئيلة. لذلك ، يمكن توقع أن عدد العناصر المشعة بكميات ضئيلة أكبر بكثير من العناصر المشعة الثلاثة المعروفة حاليًا. ستثبت طرق البحث الكيميائي البحت أنها قليلة الفائدة في المرحلة الأولى من دراسة هذه العناصر. العوامل الرئيسية هنا هي ثبات الإشعاع وخصائصه ووجود أو عدم وجود انبعاث أو نواتج تسوس أخرى ".

تم تصنيع العنصر الكيميائي ذو العدد الذري الأقصى Z = 118 في دوبنا بالتعاون مع مختبر ليفرمور في الولايات المتحدة الأمريكية. يرتبط الحد الأعلى لوجود العناصر الكيميائية بعدم استقرارها فيما يتعلق بالتحلل الإشعاعي. لوحظ استقرار إضافي للنواة الذرية بالقرب من الأعداد السحرية. وفقًا للتقديرات النظرية ، يجب أن يكون هناك أرقام سحرية مضاعفة Z = 108 ، N = 162 و Z = 114 ، N = 184. يمكن أن يكون نصف عمر النوى مع مثل هذه الأعداد من البروتونات والنيوترونات مئات الآلاف من السنين. هذه هي ما يسمى ب "جزر الاستقرار". تتمثل مشكلة تكوين نوى "جزيرة الاستقرار" في تعقيد اختيار الأهداف والأيونات المتسارعة. تحتوي النظائر المُصنَّعة حاليًا لعناصر 108-112 على عدد قليل جدًا من النيوترونات. على النحو التالي من فترات نصف العمر المقاسة للنظائر المكونة من 108-112 عنصرًا ، تؤدي الزيادة في عدد النيوترونات بمقدار 6-10 وحدات (أي الاقتراب من جزيرة الاستقرار) إلى زيادة فترة انحلال ألفا بمقدار 10 4 - 10 5 مرات.
نظرًا لأنه يتم حساب عدد النوى فائقة الثقل Z> 110 بالوحدات ، فقد كان من الضروري تطوير طريقة للتعرف عليها. يتم تحديد العناصر الكيميائية المشكلة حديثًا بواسطة سلاسل تحلل α المتتالية ، مما يزيد من موثوقية النتائج. هذه الطريقة في تحديد عناصر عبر اليورانيوم لها ميزة على جميع الطرق الأخرى ، منذ ذلك الحين يعتمد على قياس الفترات القصيرة لانحلال ألفا. في الوقت نفسه ، وفقًا للتقديرات النظرية ، يمكن أن تتجاوز أعمار نصف العناصر الكيميائية لجزيرة الاستقرار أشهرًا وسنوات. لتحديدها ، من الضروري تطوير طرق تسجيل جديدة بشكل أساسي بناءً على تحديد عدد واحد من النوى على مدى عدة أشهر.

جي فليروف ، ك ، بترزاك:"التنبؤ بإمكانية وجود منطقة جديدة في النظام الدوري للعناصر بواسطة D.I. Mendeleev - مجال العناصر فائقة الثقل (SHE) - هو لعلم النواة الذرية أحد أهم نتائج الدراسات التجريبية والنظرية لعملية الانشطار التلقائي. مجموع معرفتنا بالنواة الذرية ، الذي حصلنا عليه خلال العقود الأربعة الماضية ، يجعل هذا التنبؤ موثوقًا به تمامًا. وهو أمر مهم ، بغض النظر عن اختيار متغير معين أو آخر من طراز الصدفة. قد تعني الإجابة على السؤال حول وجود SHE ، ربما ، الاختبار الأكثر أهمية لمفهوم بنية غلاف النواة - النموذج النووي الرئيسي ، الذي صمد حتى الآن بنجاح في العديد من الاختبارات في شرح خصائص معروفة. النوى الذرية.
وبشكل أكثر تحديدًا ، يتم تحديد استقرار النوى الأثقل بشكل أساسي من خلال انشطارها التلقائي ، وبالتالي فإن الشرط الضروري لوجود مثل هذه النوى هو أن لديها حواجز أمام الانشطار. بالنسبة للنواة من اليورانيوم إلى الفيرميوم ، فإن مكون الغلاف في حاجز الانشطار ، على الرغم من أنه يؤدي إلى بعض الظواهر الفيزيائية المثيرة للاهتمام ، لا يزال ليس له تأثير حاسم على استقرارها ويتجلى في تراكب مع مكون قطرة السائل للحاجز. في منطقة SHE ، يختفي مكون إسقاط الحاجز تمامًا ، ويتم تحديد استقرار النوى فائقة الثقل من خلال نفاذية حاجز الصدفة البحت.
في الوقت نفسه ، إذا كان وجود الحاجز كافيًا للوجود الأساسي لنواة SHE ، فعندئذ من أجل التحقق التجريبي من مثل هذا التنبؤ ، يلزم معرفة عمر نوى SHE بالنسبة للانشطار التلقائي ، لأنه مع أي إعداد معين من التجربة للبحث عنها ، من المستحيل تغطية النطاق الكامل للأعمار - من 10 10 سنوات إلى 10-10 ثوانٍ. يعتمد اختيار التقنية التجريبية بشكل أساسي على الفترة العمرية التي تُجرى فيها الدراسة.
كما ذكرنا سابقًا ، فإن عدم اليقين في الحساب النظري لفترة الانشطار التلقائي T SF كبير جدًا ، ولا يقل عن 8-10 درجات من حيث الحجم. لا يستبعد عدم اليقين هذا بداهة أيًا من احتمالات الحصول على SHE أو اكتشافها ، وكإرشادات للحل التجريبي للمشكلة ، يمكن للمرء أن يختار كلاً من البحث عن SHE في الطبيعة (على الأرض ، في كائنات من أصل كوني ، كجزء للإشعاع الكوني ، وما إلى ذلك) ، والإنتاج الاصطناعي للعناصر في المسرعات (في التفاعلات النووية بين النوى المعقدة).
من الواضح أن البحث عن SHE في الأجسام الأرضية يمكن أن يؤدي إلى النجاح فقط في ظل مزيج سعيد من حالتين. من ناحية أخرى ، يجب أن تكون هناك آلية فعالة للتخليق النووي ، مما يؤدي إلى تكوين نوى ذرية SHE باحتمالية كافية. من ناحية أخرى ، من الضروري وجود نوكليدة واحدة على الأقل تنتمي إلى منطقة الاستقرار الجديدة ، والتي سيكون لها عمر مماثل لعمر الأرض ، 4.5· 10 - 9 سنوات.
إذا كنا نتحدث عن وجود SHEs في أجسام من خارج كوكب الأرض - في النيازك والإشعاع الكوني وما إلى ذلك ، فيمكن أن تؤدي عمليات البحث هذه إلى النجاح حتى لو كان عمر نوى SHE أقل بكثير من 10 10 سنوات: يمكن أن تتحول هذه الكائنات أن تكون أصغر بكثير من العينات الأرضية (10 7-10 8 سنوات).

الهيليوم هو غاز خامل من المجموعة الثامنة عشر من الجدول الدوري. إنه ثاني أخف عنصر بعد الهيدروجين. الهيليوم غاز عديم اللون والرائحة والمذاق يتحول إلى سائل عند درجة حرارة -268.9 درجة مئوية. نقاط غليانها وتجميدها أقل من تلك الموجودة في أي مادة أخرى معروفة. إنه العنصر الوحيد الذي لا يتجمد عند تبريده عند الضغط الجوي العادي. يستغرق الهيليوم 25 جوًا حتى يتصلب عند 1 كلفن.

تاريخ الاكتشاف

تم اكتشاف الهيليوم في الغلاف الجوي الغازي المحيط بالشمس من قبل عالم الفلك الفرنسي بيير يانسن ، الذي اكتشف في عام 1868 أثناء الكسوف خطًا أصفر لامعًا في طيف الكروموسفير الشمسي. كان يُعتقد في الأصل أن هذا الخط يمثل عنصر الصوديوم. في نفس العام ، لاحظ عالم الفلك الإنجليزي جوزيف نورمان لوكير وجود خط أصفر في الطيف الشمسي لا يتوافق مع خطي الصوديوم المعروفين D 1 و D 2 ، ولذلك أطلق عليه اسم خط D 3. خلص لوكير إلى أن سبب ذلك هو مادة في الشمس غير معروفة على الأرض. استخدم هو والكيميائي إدوارد فرانكلاند الاسم اليوناني للشمس ، هيليوس ، لتسمية العنصر.

في عام 1895 ، أثبت الكيميائي البريطاني السير ويليام رامزي وجود الهيليوم على الأرض. حصل على عينة من معدن الكليفايت الحامل لليورانيوم ، وبعد فحص الغازات المتكونة عند تسخينه ، وجد أن الخط الأصفر اللامع في الطيف يتزامن مع خط D 3 الذي لوحظ في طيف الشمس. وهكذا ، تم تثبيت العنصر الجديد أخيرًا. في عام 1903 ، قرر رامزي وفريدريك سودو أن الهليوم هو نتاج اضمحلال تلقائي للمواد المشعة.

التوزيع في الطبيعة

يشكل الهيليوم حوالي 23٪ من الكتلة الكلية للكون ، والعنصر هو ثاني أكثر العناصر وفرة في الفضاء. يتركز في النجوم ، حيث يتكون من الهيدروجين نتيجة اندماج نووي حراري. على الرغم من وجود الهيليوم في الغلاف الجوي للأرض بتركيز جزء واحد لكل 200000 (5 جزء في المليون) ويوجد بكميات صغيرة في المعادن المشعة والحديد النيزكي والينابيع المعدنية ، توجد كميات كبيرة من العنصر في الولايات المتحدة (خاصةً في تكساس ، نيويورك) المكسيك وكنساس وأوكلاهوما وأريزونا ويوتا) كمكون (يصل إلى 7.6٪) من الغاز الطبيعي. تم العثور على احتياطيات صغيرة في أستراليا والجزائر وبولندا وقطر وروسيا. في قشرة الأرض ، يبلغ تركيز الهيليوم حوالي 8 أجزاء فقط في المليار.

النظائر

تحتوي نواة كل ذرة هيليوم على بروتونين ، ولكن مثل العناصر الأخرى ، لها نظائر. تحتوي على واحد إلى ستة نيوترونات ، لذا فإن أعداد كتلتها تتراوح من ثلاثة إلى ثمانية. العناصر المستقرة هي العناصر التي يتم فيها تحديد كتلة الهيليوم بالأرقام الذرية 3 (3 He) و 4 (4 He). كل ما تبقى مشعة وتتحلل بسرعة كبيرة إلى مواد أخرى. الهليوم الأرضي ليس المكون الأصلي للكوكب ، لقد تشكل نتيجة الاضمحلال الإشعاعي. جسيمات ألفا المنبعثة من نوى المواد المشعة الثقيلة هي نوى النظير الرابع. لا يتراكم الهيليوم بكميات كبيرة في الغلاف الجوي لأن جاذبية الأرض ليست قوية بما يكفي لمنعه من الهروب تدريجيًا إلى الفضاء. يتم تفسير آثار 3 He على الأرض من خلال اضمحلال بيتا السلبي لعنصر الهيدروجين 3 النادر (التريتيوم). 4 هو أكثر النظائر المستقرة شيوعًا: نسبة عدد الذرات 4 He إلى 3 وهو حوالي 700 ألف إلى 1 في الغلاف الجوي وحوالي 7 ملايين إلى 1 في بعض المعادن المحتوية على الهيليوم.

الخصائص الفيزيائية للهيليوم

درجة غليان وانصهار هذا العنصر هي الأدنى. لهذا السبب ، يوجد الهيليوم إلا في ظل الظروف القاسية. غازي يذوب في الماء أقل من أي غاز آخر ، ومعدل الانتشار عبر المواد الصلبة هو ثلاثة أضعاف الهواء. يقترب معامل الانكسار من 1.

تأتي الموصلية الحرارية للهيليوم في المرتبة الثانية بعد الهيدروجين ، وقدرته الحرارية النوعية عالية بشكل غير عادي. في درجات الحرارة العادية ، يسخن أثناء التمدد ، ويبرد إلى أقل من 40 كلفن. لذلك ، في T<40 K гелий можно превратить в жидкость путем расширения.

يعتبر العنصر عازلًا كهربائيًا ما لم يكن في حالة تأين. مثل الغازات النبيلة الأخرى ، يمتلك الهيليوم مستويات طاقة ثابتة تسمح له بالبقاء متأينًا في التفريغ الكهربائي عندما يظل الجهد أقل من جهد التأين.

الهليوم -4 فريد من نوعه لأنه يحتوي على شكلين سائلين. يُطلق على النوع العادي اسم الهيليوم I ويتواجد في درجات حرارة تتراوح من 4.21 كلفن (-268.9 درجة مئوية) إلى حوالي 2.18 كلفن (-271 درجة مئوية). أقل من 2.18 كلفن ، الموصلية الحرارية لـ 4 He تصبح 1000 مرة أكبر من تلك الخاصة بالنحاس. يسمى هذا النموذج بالهيليوم II لتمييزه عن الشكل الطبيعي. إنه سائل فائق: اللزوجة منخفضة للغاية بحيث لا يمكن قياسها. ينتشر الهيليوم II في غشاء رقيق على سطح أي شيء يلمسه ، ويتدفق هذا الفيلم دون احتكاك حتى ضد الجاذبية.

تشكل الهيليوم 3 الأقل وفرة ثلاث مراحل سائلة مميزة ، اثنتان منها فائقتين. الميوعة الفائقة في 4 اكتشفه عالم فيزياء سوفيتي في منتصف الثلاثينيات من القرن الماضي ، ونفس الظاهرة في 3 لاحظها لأول مرة دوغلاس د. أوشيروف ، وديفيد إم لي ، وروبرت س.

خليط سائل من نظيري الهليوم -3 و -4 عند درجات حرارة أقل من 0.8 كلفن (-272.4 درجة مئوية) ينقسم إلى طبقتين - نقي تقريبًا 3 He ومزيج من 4 He مع 6٪ هيليوم 3. يترافق انحلال 3 He إلى 4 He مع تأثير التبريد ، والذي يستخدم في تصميم أجهزة التبريد ، حيث تنخفض درجة حرارة الهيليوم إلى أقل من 0.01 كلفن (-273.14 درجة مئوية) ويتم الحفاظ عليها عند درجة الحرارة هذه لعدة أيام.

روابط

في ظل الظروف العادية ، يكون الهيليوم خامل كيميائيًا. في الظروف القاسية ، يمكنك إنشاء اتصالات عنصر غير مستقرة في درجات الحرارة والضغوط العادية. على سبيل المثال ، يمكن أن يشكل الهيليوم مركبات بها اليود والتنغستن والفلور والفوسفور والكبريت عند تعرضه لتفريغ توهج كهربائي عند قصفه بالإلكترونات أو في حالة البلازما. وهكذا ، تم إنشاء HeNe و HgHe 10 و WHe 2 والأيونات الجزيئية He 2 + و He 2 ++ و HeH + و HeD +. أتاحت هذه التقنية أيضًا الحصول على جزيئات He 2 و HgHe المحايدة.

بلازما

في الكون ، يتم توزيع الهيليوم المتأين في الغالب ، وتختلف خصائصه بشكل كبير عن جزيئات الهيليوم. إلكتروناتها وبروتوناتها غير مرتبطة ، ولديها موصلية كهربائية عالية جدًا حتى في حالة التأين جزئيًا. تتأثر الجسيمات المشحونة بشدة بالمجالات المغناطيسية والكهربائية. على سبيل المثال ، في الرياح الشمسية ، تتفاعل أيونات الهليوم مع الهيدروجين المتأين مع الغلاف المغناطيسي للأرض ، مما يتسبب في حدوث الشفق القطبي.

اكتشاف الودائع في الولايات المتحدة الأمريكية

بعد حفر بئر في عام 1903 في دكستر ، كانساس ، تم الحصول على غاز غير قابل للاشتعال. في البداية ، لم يكن معروفًا أنه يحتوي على الهيليوم. تم تحديد الغاز الذي تم العثور عليه من قبل الجيولوجي بالولاية إيراسموس هاورث ، الذي جمع عينات منه وفي جامعة كانساس ، بمساعدة الكيميائيين كادي هاميلتون وديفيد ماكفارلاند ، وجد أنه يحتوي على 72٪ نيتروجين ، 15٪ ميثان ، 1٪ هيدروجين و 12٪ لم يتم تحديدها. بعد مزيد من التحليل ، وجد العلماء أن 1.84٪ من العينة كانت من الهيليوم. لذلك علموا أن هذا العنصر الكيميائي موجود بكميات هائلة في أحشاء السهول الكبرى ، حيث يمكن استخراجه من الغاز الطبيعي.

الإنتاج الصناعي

هذا جعل الولايات المتحدة رائدة العالم في إنتاج الهليوم. بناءً على اقتراح السير ريتشارد ثريلفال ، مولت البحرية الأمريكية ثلاثة مصانع تجريبية صغيرة لإنتاج هذه المادة خلال الحرب العالمية الأولى لتزويد بالونات وابل بغاز رفع خفيف غير قابل للاشتعال. تم إنتاج ما مجموعه 5700 م 3 من 92 ٪ في إطار هذا البرنامج ، على الرغم من أنه تم إنتاج أقل من 100 لتر فقط من الغاز في السابق. تم استخدام جزء من هذا المجلد في أول منطاد هيليوم C-7 في العالم ، والذي قام بأول رحلة له من Hampton Roads إلى Bolling Field في 7 ديسمبر 1921.

على الرغم من أن عملية تسييل الغاز ذات درجة الحرارة المنخفضة لم تكن متقدمة بما يكفي في ذلك الوقت لتكون مهمة خلال الحرب العالمية الأولى ، استمر الإنتاج. تم استخدام الهيليوم بشكل رئيسي كغاز رفع في الطائرات. نما الطلب عليها خلال الحرب العالمية الثانية ، عندما تم استخدامها في اللحام بالقوس المحمي. كان العنصر مهمًا أيضًا في مشروع القنبلة الذرية في مانهاتن.

الاحتياطي الوطني الأمريكي

في عام 1925 ، أنشأت حكومة الولايات المتحدة محمية الهيليوم الوطنية في أماريلو ، تكساس لغرض توفير المناطيد العسكرية في أوقات الحرب والمناطيد التجارية في أوقات السلم. انخفض استخدام الغاز بعد الحرب العالمية الثانية ، ولكن تم زيادة العرض في الخمسينيات من القرن الماضي لتوفير ، من بين أمور أخرى ، إمدادها كمبرد يستخدم في إنتاج وقود الصواريخ الهيدروجينية أثناء سباق الفضاء والحرب الباردة. كان استخدام الهيليوم في الولايات المتحدة في عام 1965 ثمانية أضعاف استهلاك الذروة في زمن الحرب.

منذ قانون الهيليوم لعام 1960 ، تعاقد مكتب المناجم مع 5 شركات خاصة لاستخراج العنصر من الغاز الطبيعي. بالنسبة لهذا البرنامج ، تم بناء خط أنابيب غاز بطول 425 كيلومترًا يربط هذه المحطات بحقل غاز حكومي مستنفد جزئيًا بالقرب من أماريلو ، تكساس. تم ضخ خليط الهيليوم-النيتروجين في مخزن تحت الأرض وبقي هناك حتى الحاجة إليه.

بحلول عام 1995 ، تم بناء مليار متر مكعب من المخزون وكان الاحتياطي الوطني ديونًا بقيمة 1.4 مليار دولار ، مما دفع الكونجرس الأمريكي إلى التخلص التدريجي منه في عام 1996. بعد اعتماد قانون خصخصة الهيليوم في عام 1996 ، بدأت وزارة الموارد الطبيعية في تصفية منشأة التخزين في عام 2005.

النقاء وحجم الإنتاج

كان الهيليوم المنتج قبل عام 1945 نقيًا بنسبة 98 ٪ تقريبًا ، والنيتروجين بنسبة 2 ٪ ، وهو ما يكفي للمناطيد. في عام 1945 ، تم إنتاج كمية صغيرة من الغاز بنسبة 99.9٪ لاستخدامها في اللحام بالقوس الكهربائي. بحلول عام 1949 ، وصلت درجة نقاء العنصر الناتج إلى 99.995٪.

لسنوات عديدة ، أنتجت الولايات المتحدة أكثر من 90٪ من الهليوم التجاري في العالم. منذ عام 2004 ، تم إنتاج 140 مليون متر مكعب منها سنويًا ، ينتج 85٪ منها في الولايات المتحدة الأمريكية ، و 10٪ يتم إنتاجها في الجزائر ، والباقي - في روسيا وبولندا. المصادر الرئيسية للهيليوم في العالم هي حقول الغاز في تكساس وأوكلاهوما وكانساس.

عملية الاستلام

الهليوم (98.2٪ نقاوة) معزول عن الغاز الطبيعي عن طريق تسييل المكونات الأخرى عند درجات حرارة منخفضة وضغوط عالية. يحقق امتصاص الغازات الأخرى بالكربون المنشط المبرد درجة نقاء 99.995٪. يتم إنتاج كمية صغيرة من الهيليوم عن طريق تسييل الهواء على نطاق واسع. يمكن الحصول على حوالي 3.17 متر مكعب من 900 طن من الهواء. م من الغاز.

التطبيقات

وجد الغاز النبيل تطبيقًا في مختلف المجالات.

• يستخدم الهيليوم ، الذي تتيح خواصه الحصول على درجات حرارة منخفضة للغاية ، كعامل تبريد في مصادم الهادرون الكبير ، ومغناطيس فائق التوصيل في آلات التصوير بالرنين المغناطيسي ، ومقاييس الطيف بالرنين المغناطيسي النووي ، ومعدات الأقمار الصناعية ، وكذلك لتسييل الأكسجين والهيدروجين في أبولو الصواريخ.
• كغاز خامل لحام الألومنيوم والمعادن الأخرى ، في إنتاج الألياف البصرية وأشباه الموصلات.
• لخلق ضغط في خزانات الوقود لمحركات الصواريخ ، خاصة تلك التي تعمل على الهيدروجين السائل ، حيث يحتفظ الهيليوم الغازي فقط بحالة التجميع عندما يظل الهيدروجين سائلاً) ؛
• يتم استخدام He-Ne لمسح الرموز الشريطية عند الخروج في محلات السوبر ماركت.
• ينتج مجهر الهليوم أيون صورًا أفضل من المجهر الإلكتروني.
• نظرًا لنفاذه العالية ، يتم استخدام الغاز الخامل للتحقق من وجود تسربات ، على سبيل المثال ، في أنظمة تكييف هواء السيارات ، وكذلك لتضخيم الوسائد الهوائية بسرعة في حالة حدوث تصادم.
• تسمح لك الكثافة المنخفضة بملء البالونات الزخرفية بالهيليوم. حل الغاز الخامل محل الهيدروجين المتفجر في المناطيد والبالونات. على سبيل المثال ، في الأرصاد الجوية ، تُستخدم بالونات الهيليوم لرفع أدوات القياس.
• في التكنولوجيا المبردة ، يعمل كمبرد ، لأن درجة حرارة هذا العنصر الكيميائي في الحالة السائلة هي أدنى درجة ممكنة.
• الهيليوم ، الذي توفر له خواص تفاعلية منخفضة وقابلية للذوبان في الماء (والدم) ، ممزوجًا بالأكسجين ، قد وجد تطبيقًا في تركيبات التنفس لغوص السكوبا وعمل الغواص.
• يتم تحليل النيازك والصخور لهذا العنصر لتحديد عمرها.

الهيليوم: خصائص العنصر

الخصائص الفيزيائية الرئيسية هي كما يلي:

• العدد الذري: 2.
• الكتلة النسبية لذرة الهيليوم: 4.0026.
• نقطة الانصهار: لا.
• نقطة الغليان: -268.9 درجة مئوية.
• الكثافة (1 ضغط جوي ، 0 درجة مئوية): 0.1785 جم / ع.
• حالات الأكسدة: 0.

في غضون أجيال قليلة ، قد تصبح البالونات من الماضي. قم بشراء بالون. حررها وشاهدها وهي تتقلص إلى نقطة صغيرة وتختفي في الستراتوسفير. ثم إما أن تطير بعيدًا وتتشقق ، أو ستخرج منه المكونات التي تكون أخف من الهواء ببطء. بطريقة أو بأخرى ، سوف يهرب الهيليوم من البالون ومن الغلاف الجوي. الهليوم الأرضي يطير حرفيا في الفضاء.

يقول العلماء إن هذا هو مستقبل الهليوم العالمي في المائة عام القادمة. هذا هو مصير غاز أخف من الهواء: الجاذبية ببساطة لا تستطيع الاحتفاظ به. تطلق القشرة الأرضية بعض الهيليوم ، لكنه يهرب بسرعة من الغلاف الجوي. كمية الهليوم الموجودة فيه مستقرة عند 0.00052٪ حجم. إن استخراج مثل هذه الكمية الصغيرة من الهواء سيكون مكلفًا للغاية. يأتي الهيليوم الذي يمكن شراؤه واستخدامه من احتياطيات الغاز الطبيعي ، ومعظمها في الولايات المتحدة.

يستخدم (في البالونات أو التصوير بالرنين المغناطيسي أو الصواريخ) يرتفع الهيليوم لأعلى وبعيدًا. مع استنفاد إمدادات الهيليوم ببطء ، بدأت الأسعار بالفعل في الارتفاع وأفسحت البالونات المجال لاستخدامات أكثر خطورة. في غضون مائة عام ، قد يكلف البالون أكثر من خاتم من الذهب الخالص. على الرغم من أن العلماء كانوا على علم بنقص الهليوم الوشيك منذ عقود ، إلا أنه لم يصبح خبرًا إلا في السنوات الخمس الماضية.

لماذا ا؟ تكمن الأسباب في التاريخ السياسي المعقد للهيليوم.

كيف نصل إلى هناك؟

هيليوس على عربة الشمس. نيكولا بيرتين ، نيكولا بيرتين

في عام 1868 ، كان ينظر إلى الهيليوم لأول مرة على أنه خط في طيف الضوء أثناء كسوف الشمس. يرتبط اسم "الهليوم" بالإله اليوناني هيليوس ، الذي كان يقود الشمس كل يوم عبر السماء في عربة ذهبية. في عام 1895 ، اكتشف الكيميائي الاسكتلندي ويليام رامزي هذا الغاز على الأرض. في نفس العام ، جمع الكيميائي السويدي بير تيودور كليف وأبرام لينجل ما يكفي من الغاز لتحديد عدده الذري ، 2.

العنصر موجود في الطاقة الشمسية لأن الشمس عبارة عن كرة ضخمة من الهيدروجين والهيليوم. جاذبية الشمس قوية جدًا لدرجة أن ذرات الهيدروجين (مع بروتون واحد) في مركزها تندمج وتصبح ذرات الهيليوم (مع بروتونين). تسمى هذه العملية تفاعل نووي حراري ، وهي تطلق طاقة كافية لتجعلنا نرى ضوء الشمس ونشعر بالحرارة على مسافة 150.000.000 كيلومتر. لكننا لا نحصل على الهيليوم الشمسي. كان هذا الغاز ، الذي عزله العلماء لأول مرة ، نتيجة ثانوية لإذابة البتشبلند (أكثر معادن اليورانيوم شيوعًا) في الحمض ، وهي عملية مشعة ومكلفة.

في عام 1903 ، اكتشفت منصة نفطية في كانساس نبعًا حارًا من الغاز غير القابل للاشتعال بشكل مخيب للآمال. ذهب هذا الغاز إلى المختبر لتحليله وتبين أنه يحتوي على 1.8٪ هيليوم - وهو أكثر تركيزًا بكثير من ذلك الموجود في الغلاف الجوي. بدأ المهندسون بدراسة الغاز من آبار أخرى في البلاد ، ونتيجة لذلك ، أعلن العلماء في عام 1906: "الهيليوم ليس عنصرًا نادرًا ، ولكنه عنصر مشترك ، وعلينا أن نجد استخدامًا لاحتياطياته الهائلة".

لماذا الهيليوم أكثر بكثير من الهيدروجين مناسب للمناطيد

وبمجرد شيوعه ، أصبح الهيليوم الحل الطبيعي للبالونات المطاطية والمناطيد التي كانت مملوءة بالهيدروجين الخفيف والقابل للاشتعال على حد سواء. الهيليوم أقل شيوعًا خارج الولايات المتحدة وأرادت الحكومة الحفاظ على هذه الميزة. في عام 1925 ، وافق الكونجرس على الاحتياطي الفيدرالي للهيليوم للطائرات العسكرية والتجارية ، وحظر قانون صدر في عام 1927 تصدير الهليوم. نتيجة لذلك ، كانت المناطيد في البلدان الأخرى ، مثل هيندنبورغ ، لا تزال تزود بالوقود بالهيدروجين ، مما أدى إلى الكارثة المعروفة.

سرعان ما تم العثور على طرق أخرى لاستخدام المورد. يحتوي الهيليوم على أدنى نقطة غليان لجميع المواد المعروفة - أقل من 269 درجة مئوية ، لذلك في الحالة السائلة ، يعتبر الهيليوم مبردًا مثاليًا. يحافظ السائل المغلي على درجة غليانه طالما بقي سائلاً - فلا يسخن. لا يمكن أن يكون الماء أكثر سخونة من مائة درجة ، ولا يمكن أن يكون الهيليوم السائل أكثر سخونة من -269. بدأ استخدام المورد لعزل أقواس اللحام ، ولاحقًا - في الموصلات الفائقة والمفاعلات النووية وعلم التبريد. الآن يستخدم هذا الغاز غالبًا كمبرد.

منذ أيام مشروع مانهاتن ، تم استخدام الهيليوم للعثور على التسريبات: إنه غاز خامل لا يتفاعل مع المواد الأخرى ويخترق الثقوب بسرعة كبيرة. يتم استخدامه لقياس الإشعاع والتصوير الطبي.

يتم الحفاظ على درجة حرارة المغناطيس في جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي باستخدام الهيليوم.

الاحتياطي الفيدرالي

على الرغم من توقف استخدام المناطيد المليئة بالهيليوم ، إلا أن الاحتياطي الفيدرالي للهليوم استمر في الوجود والتوسع في النصف الثاني من القرن العشرين لأن الغاز كان مفيدًا لاحتياجات الحكومة ، وخاصة في صناعات الفضاء والدفاع.

في عام 1996 ، بلغ الاحتياطي الفيدرالي مليار متر مكعب ، لكنه لم يعد موضع اهتمام حكومة الولايات المتحدة ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى سوء الإدارة المالية. كتبت الواشنطن بوست: "في عام 1996 ، يبدو إمداد الهيليوم وكأنه نفايات. لم تعد المناطيد جزءًا حيويًا من القوة الجوية ، والأهم من ذلك ، من خلال دفع أموال للحفارين لاستخراج الهيليوم من الغاز الطبيعي ، يدين مرفق التخزين بمبلغ 1،400،000،000 دولار ".

وعد كل من ريغان وكلينتون بحل هذه المشكلة ، وفي عام 1996 أصدر الكونجرس تشريعًا لخصخصة الهليوم. بدءًا من عام 2005 ، كان من المقرر بيع السهم بسعر ثابت ، بدلاً من القيمة السوقية ، وبحلول عام 2015 كان من المخطط إنهاء المبيعات وإغلاق الخزنة.

بالون في موكب Macy's Thanksgiving Day (موكب Macy's Thanksgiving Day)

لذلك ، امتلأ السوق بالهيليوم ، وانخفض سعره بشكل حاد ، وارتفع الاستهلاك بشكل حاد ، وفقًا لدعاة الحفاظ على البيئة. "بسبب هذا القانون ، أصبح الهيليوم رخيصًا جدًا ولا يُنظر إليه على أنه مصدر ثمين. يبددونه. قال روبرت ريتشاردسون الحائز على جائزة نوبل في عام 2010: [...] الهيليوم لم يكن قادرًا على البيع بالسرعة المطلوبة ، والأسعار العالمية له منخفضة بشكل يبعث على السخرية.

يعتقد البروفيسور ريتشاردسون أنه يجب زيادة أسعار الهيليوم 20 إلى 50 مرة لتشجيع إعادة التدوير. على سبيل المثال ، لا تحاول ناسا حتى إعادة استخدام الهيليوم بعد تنظيف خزانات وقود الصواريخ ، والتي تستهلك الكثير من هذا الغاز. يعتقد البروفيسور ريتشاردسون أيضًا أن البالونات المملوءة بالهيليوم رخيصة جدًا. يجب أن يكلف كل واحد منهم حوالي 100 دولار - هذه هي قيمة الغاز الموجود فيها.

يعتقد ريتشاردسون أنه إذا استمرت معدلات الاستهلاك الحالية ، فإن احتياطيات الهليوم في العالم ستستمر حوالي مائة عام.

بدلاً من تشجيع القطاع الخاص على إنتاج الهيليوم ، كان لبيع الأسهم تأثير معاكس تمامًا. أصبح الغاز رخيصًا لدرجة أن أحداً لم يرَ ضرورة أو فائدة استخراجه بمفرده. تحسبًا لعام 2015 ، أطلق العلماء ناقوس الخطر: إذا تم بيع المخزونات وفقًا للخطة ، فلن يتم استعادتها مرة أخرى. لا تزال الولايات المتحدة ، التي تنتج حوالي 70٪ من إجمالي الهيليوم على هذا الكوكب ، رائدة العالم في إنتاجها ، مما يعني أن نقصها في الولايات المتحدة يمكن أن يسبب مشاكل في جميع أنحاء العالم.

في عام 2013 ، تمت الموافقة على قانون التحكم الاستراتيجي الهليوم ، مما سمح ببيعه بالمزاد العلني حتى عام 2021 ، لذلك سيقترب السعر قريبًا من السوق بعد بيع جزء كبير من المخزون مقابل أجر ضئيل.

الهليوم اليوم

حتى لو أدى المزاد إلى حل مشكلة السعر تدريجيًا ، فإن الهيليوم هو مورد غير متجدد. من المتوقع أن تنضب الاحتياطيات بحلول عام 2020 ، وحتى إذا لم يحدث ذلك ، بموجب القوانين الحالية ، يجب إغلاق تخزين هذا الغاز بحلول عام 2021. في الوقت نفسه ، هناك حاجة ماسة إلى المبردات البديلة وأجهزة الرفع ومصادر الهيليوم في جميع أنحاء العالم.

كتبت هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية: "بحلول نهاية العقد ، من المرجح أن تصبح مرافق إنتاج الهيليوم الدولية المصدر الرئيسي للهيليوم في العالم. وقد تم بالفعل إنشاء مثل هذه المنشآت في الجزائر وقطر ". تخطط الصين لاستخراج الهيليوم 3 ، الذي ينتج الآن في الغالب فقط ، على القمر.

بدأ العديد من المستهلكين ، الذين نظروا إلى ارتفاع الأسعار ، في البحث عن طرق لإعادة استخدام الهيليوم. اعتمادًا على المكان الذي ستؤدي إليه هذه الجهود ، ربما نؤخر اليوم الذي تصبح فيه مجموعة من البالونات رفاهية مجنونة مثل أدوات المائدة الفضية أو مفاتيح البيانو المبطنة باللون العاجي.