Образуване на атомни ядра.

Хелий(He) е инертен газ, който е вторият елемент от периодичната система от елементи, както и вторият елемент по лекота и разпространение във Вселената. Принадлежи към простите вещества и при стандартни условия (стандартна температура и налягане) е едноатомен газ.

Хелийняма вкус, цвят, мирис и не съдържа токсини.

Сред всички прости вещества хелият има най-ниската точка на кипене (T = 4,216 K). При атмосферно налягане е невъзможно да се получи твърд хелий, дори при температури, близки до абсолютната нула - за да премине в твърда форма, хелият се нуждае от налягане над 25 атмосфери. Има малко химически съединения на хелия и всички те са нестабилни при стандартни условия.
Естествено срещащият се хелий се състои от два стабилни изотопа He и 4He. Изотопът „He“ е много рядък (изотопно изобилие 0,00014%) с 99,99986% за изотопа 4He. Освен естествени са известни и 6 изкуствени радиоактивни изотопа на хелия.
Появата на почти всичко във Вселената, хелий, беше първичната нуклеосинтеза, която се състоя в първите минути след Големия взрив.
В момента почти всички хелийОбразува се от водород в резултат на термоядрен синтез, протичащ във вътрешността на звездите. На нашата планета хелият се образува в процеса на алфа разпад на тежки елементи. Тази част от хелия, която успява да проникне през земната кора, излиза като част от природния газ и може да бъде до 7% от състава му. Какво да подчертая хелийот природен газ се използва фракционна дестилация - процесът на нискотемпературно разделяне на елементите.

Историята на откриването на хелия

На 18 август 1868 г. се очаква пълно слънчево затъмнение. Астрономите по света се подготвяха активно за този ден. Те се надяваха да разрешат мистерията на протуберанциите - светлинни проекции, видими по време на пълно слънчево затъмнение по краищата на слънчевия диск. Някои астрономи вярваха, че изпъкналостите са високи лунни планини, които по време на пълно слънчево затъмнение са осветени от слънчевите лъчи; други смятаха, че издатините са планини на самото Слънце; други виждаха огнени облаци от слънчевата атмосфера в слънчевите проекции. Мнозинството вярваха, че изпъкналостите не са нищо повече от оптична илюзия.

През 1851 г., по време на слънчево затъмнение, наблюдавано в Европа, немският астроном Шмид не само видя слънчеви проекции, но също така успя да различи, че техните очертания се променят с времето. Въз основа на своите наблюдения Шмид заключава, че изпъкналостите са нажежени газови облаци, изхвърлени в слънчевата атмосфера от гигантски изригвания. Въпреки това, дори след наблюденията на Шмид, много астрономи все още смятат огнените первази за оптична илюзия.

Едва след пълното затъмнение от 18 юли 1860 г., наблюдавано в Испания, когато много астрономи видяха слънчевите проекции със собствените си очи, а италианецът Секи и французинът Делар успяха не само да ги скицират, но и да ги снимат, никой имаше някакви съмнения относно съществуването на изпъкналости.

До 1860 г. вече е изобретен спектроскоп - устройство, което позволява чрез наблюдение на видимата част от оптичния спектър да се определи качественият състав на тялото, от което се получава наблюдаваният спектър. В деня на слънчевото затъмнение обаче никой от астрономите не е използвал спектроскоп, за да види спектъра на протуберанциите. Спектроскопът беше запомнен, когато затъмнението вече беше приключило.

Ето защо, подготвяйки се за слънчевото затъмнение от 1868 г., всеки астроном включваше спектроскоп в списъка на инструментите за наблюдение. Жул Янсен, известен френски учен, не забрави това устройство, когато отиде в Индия, за да наблюдава протуберанци, където условията за наблюдение на слънчево затъмнение, според изчисленията на астрономите, са били най-добри.

В момента, когато искрящият диск на Слънцето беше напълно покрит от Луната, Жул Янсен, изследвайки със спектроскоп оранжево-червените пламъци, излизащи от повърхността на Слънцето, видя в спектъра, в допълнение към три познати линии на водород : червено, зелено-синьо и синьо, ново, непознато - ярко жълто. Нито едно от веществата, известни на химиците от онова време, нямаше такава линия в частта от спектъра, където го откри Жул Янсен. Същото откритие, но у дома в Англия, е направено от астронома Норман Локиър.

На 25 октомври 1868 г. Парижката академия на науките получава две писма. Едната, написана в деня след слънчевото затъмнение, идва от Гунтур, малък град на източното крайбрежие на Индия, от Жул Янсен; друго писмо от 20 октомври 1868 г. е от Англия от Норман Локиър.

Получените писма бяха прочетени на среща на професори от Парижката академия на науките. В тях Жул Янсен и Норман Локиър независимо един от друг съобщават за откриването на едно и също „слънчево вещество“. Това ново вещество, открито на повърхността на Слънцето с помощта на спектроскоп, Локиър предложи да нарече хелий от гръцката дума за "слънце" - "helios".

Подобно съвпадение изненада научната среща на преподавателите от академиите и в същото време свидетелства за обективния характер на откриването на ново химическо вещество. В чест на откриването на веществото на слънчевите факли (протуберанци) беше изваден медал. От едната страна на този медал са гравирани портрети на Янсен и Локиър, а от другата - изображение на древногръцкия бог на слънцето Аполон в колесница, теглена от четири коня. Под колесницата имаше надпис на френски: „Анализ на слънчевите проекции на 18 август 1868 г.“.

През 1895 г. лондонският химик Хенри Майерс привлича вниманието на Уилям Рамзи, известният английски физикохимик, към забравената тогава статия на геолога Хилдебранд. В тази статия Хилдебранд твърди, че някои редки минерали, когато се нагряват в сярна киселина, отделят газ, който не гори и не поддържа горене. Сред тези редки минерали беше клевеитът, открит в Норвегия от Норденскиолд, известният шведски изследовател на полярните региони.

Рамзи решава да проучи естеството на газа, съдържащ се в клевейта. Във всички химически магазини в Лондон асистентите на Рамзи успяха да купят само ... един грам клевета, като платиха само 3,5 шилинга за него. След като изолира няколко кубически сантиметра газ от полученото количество клевеит и го пречиства от примеси, Рамзи го изследва със спектроскоп. Резултатът беше неочакван: газът, отделен от клевеит, се оказа ... хелий!

Без да се доверява на откритието си, Рамзи се обръща към Уилям Крукс, тогавашния водещ специалист по спектрален анализ в Лондон, с молба да изследва газа, отделен от клевеит.

Крукс проучи газа. Резултатът от изследването потвърдил откритието на Рамзи. Така на 23 март 1895 г. на Земята е открито вещество, открито на Слънцето преди 27 години. В същия ден Рамзи публикува откритието си, изпращайки едно съобщение до Кралското общество в Лондон и друго до известния френски химик академик Бертло. В писмо до Бертло Рамзи поиска да информира научната среща на професорите от Парижката академия за своето откритие.

Петнадесет дни след Рамзи, независимо от него, шведският химик Лангли изолира хелий от клевеит и, подобно на Рамзи, докладва за откритието си на хелия на химика Бертло.

За трети път хелият е открит във въздуха, където според Рамзи би трябвало да идва от редки минерали (клевеит и др.) по време на разрушението и химическите трансформации на Земята.

Малки количества хелий са открити и във водата на някои минерални извори. Така например той е открит от Рамзи в лечебния извор Котрет в Пиренеите, английският физик Джон Уилям Рейли го открива във водите на извори в известния курорт Бат, немският физик Кайзер открива хелий в изворите, бликащи в планините на Шварцвалд. Най-вече хелий обаче се намира в някои минерали. Намира се в самарскит, фергусонит, колумбит, монацит и уранит. Минералът торианит от остров Цейлон съдържа особено голямо количество хелий. Един килограм торианит при нагряване до червено освобождава 10 литра хелий.

Скоро беше установено, че хелият се намира само в онези минерали, които съдържат радиоактивен уран и торий. Алфа лъчите, излъчвани от някои радиоактивни елементи, не са нищо повече от ядрата на хелиевите атоми.

От историята...

Неговите необичайни свойства позволяват широкото използване на хелий за различни цели. Първият, абсолютно логичен, базиран на неговата лекота, е използването в балони и дирижабли. Освен това, за разлика от водорода, той не е експлозивен. Това свойство на хелия е използвано от германците през Първата световна война на бойни дирижабли. Недостатъкът на използването му е, че пълен с хелий дирижабъл няма да лети толкова високо, колкото водороден.

За бомбардировките на големи градове, главно столиците на Англия и Франция, германското командване през Първата световна война използва дирижабли (цепелини). За запълването им е използван водород. Следователно борбата с тях беше сравнително проста: запалителен снаряд, попаднал в обвивката на дирижабъла, запали водород, който моментално пламна и апаратът изгоря. От 123 дирижабъла, построени в Германия по време на Първата световна война, 40 са изгорели от запалителни снаряди. Но един ден генералният щаб на британската армия беше изненадан от съобщение от особено значение. Директните удари на запалителни снаряди върху немския цепелин не дадоха резултат. Дирижабълът не избухна в пламъци, но бавно изтичащ от някакъв неизвестен газ, отлетя обратно.

Военните експерти бяха озадачени и въпреки спешното и подробно обсъждане на въпроса за незапалимостта на цепелина от запалителни снаряди, те не можаха да намерят необходимото обяснение. Загадката е разрешена от английския химик Ричард Трелфол. В писмо до Британското адмиралтейство той пише: „... Вярвам, че германците са измислили някакъв начин за извличане на хелий в големи количества и този път те напълниха корпуса на своя цепелин не с водород, както обикновено, а с хелий ..."

Убедителността на аргументите на Threlfall обаче беше намалена от факта, че в Германия нямаше значителни източници на хелий. Вярно е, че хелий се съдържа във въздуха, но той не е достатъчен: един кубичен метър въздух съдържа само 5 кубически сантиметра хелий. Хладилната машина на системата Linde, превръщайки няколкостотин кубически метра въздух в течност за един час, можеше да произведе не повече от 3 литра хелий през това време.

3 литра хелий на час! А за да напълните цепелина, ви трябват 5÷6 хиляди кубически метра. м. За да се получи такова количество хелий, една машина на Linde трябваше да работи без спиране около двеста години, двеста такива машини биха дали необходимото количество хелий за една година. Изграждането на 200 инсталации за превръщане на въздуха в течност за производство на хелий е икономически много неизгодно и практически безсмислено.

Откъде германските химици са получили хелий?

Този проблем, както се оказа по-късно, беше решен сравнително просто. Дълго преди войната германските параходни компании, превозващи стоки до Индия и Бразилия, бяха инструктирани да товарят връщащите се параходи не с обикновен баласт, а с монацитов пясък, който съдържа хелий. Така се създава резерв от "хелиеви суровини" - около 5 хиляди тона монацитов пясък, от който се получава хелий за цепелините. Освен това хелий е извлечен от водата на минералния извор Наухайм, който дава до 70 куб.м. m хелий дневно.

Инцидентът с огнеупорния цепелин беше тласък за ново търсене на хелий. Химици, физици, геолози започнаха интензивно да търсят хелий. Изведнъж стана много ценен. През 1916 г. 1 кубичен метър хелий струва 200 000 златни рубли, тоест 200 рубли за литър. Ако вземем предвид, че един литър хелий тежи 0,18 g, тогава 1 g от него струва над 1000 рубли.

Хелият се превърна в обект на лов от търговци, спекуланти, борсови дилъри. Хелий е открит в значителни количества в природните газове, излизащи от земните недра в Америка, в щата Канзас, където след влизането на Америка във войната близо до град Форт Уърт е построен завод за хелий. Но войната приключи, запасите от хелий останаха неизползвани, цената на хелия рязко падна и в края на 1918 г. възлиза на около четири рубли за кубичен метър.

Извлеченият с такава трудност хелий бил използван от американците едва през 1923 г., за да напълни вече мирния дирижабъл Шенандоа. Това беше първият и единствен в света въздушен товаро-пътнически кораб, пълен с хелий. Неговият "живот" обаче беше кратък. Две години след раждането й Шенандоа е унищожена от буря. 55 хиляди кубически метра м, почти целият световен запас от хелий, който е бил събиран в продължение на шест години, се разпръсна без следа в атмосферата по време на буря, продължила само 30 минути.

Приложение на хелий

Хелий в природата

Предимно земни хелийсе образува при радиоактивното разпадане на уран-238, уран-235, торий и нестабилни продукти от тяхното разпадане. Несравнимо по-малки количества хелий се получават при бавното разпадане на самарий-147 и бисмут. Всички тези елементи пораждат само тежкия изотоп на хелия - He 4 , чиито атоми могат да се разглеждат като остатъци от алфа частици, заровени в обвивка от два сдвоени електрона - в електронен дублет. В ранните геоложки периоди вероятно е съществувала и друга естествено радиоактивна серия от елементи, които вече са изчезнали от лицето на Земята, насищайки планетата с хелий. Една от тях беше вече изкуствено пресъздадената нептунова серия.

По количеството хелий, уловен в скала или минерал, може да се съди за тяхната абсолютна възраст. Тези измервания се основават на законите на радиоактивния разпад: например половината от уран-238 за 4,52 милиарда години се превръща в хелийи олово.

Хелийсе натрупва бавно в земната кора. Един тон гранит, съдържащ 2 g уран и 10 g торий, произвежда само 0,09 mg хелий за милион години - половин кубичен сантиметър. Много малкото минерали, богати на уран и торий, съдържат доста голямо количество хелий - няколко кубически сантиметра хелий на грам. Делът на тези минерали в естественото производство на хелий обаче е близо до нула, тъй като те са много редки.

На Земята има малко хелий: 1 m 3 въздух съдържа само 5,24 cm 3 хелий, а всеки килограм земен материал съдържа 0,003 mg хелий. Но по отношение на разпространението във Вселената хелият се нарежда на второ място след водорода: хелият представлява около 23% от космическата маса. Приблизително половината от целия хелий е концентриран в земната кора, главно в нейната гранитна обвивка, в която са натрупани основните запаси от радиоактивни елементи. Съдържанието на хелий в земната кора е малко - 3 х 10 -7% от теглото. Хелият се натрупва в свободни газови натрупвания на червата и в масла; такива находища достигат индустриален мащаб. Максималните концентрации на хелий (10-13%) са установени в натрупвания на свободен газ и газове от уранови мини и (20-25%) в газове, отделяни спонтанно от подпочвените води. Колкото по-голяма е възрастта на газосъдържащите седиментни скали и колкото по-високо е съдържанието на радиоактивни елементи в тях, толкова повече хелий има в състава на природните газове.

Добив на хелий

Производството на хелий в промишлен мащаб се извършва от природни и нефтени газове с въглеводороден и азотен състав. Според качеството на суровините хелиевите находища се разделят на: богати (съдържание на He > 0,5% обемни); обикновени (0,10-0,50) и бедни< 0,10). Значительные его концентрации известны в некоторых месторождениях природного газа Канады, США (шт. Канзас, Техас, Нью-Мексико, Юта).

Световните запаси от хелий възлизат на 45,6 милиарда кубически метра. Големи находища се намират в САЩ (45% от световните ресурси), следвани от Русия (32%), Алжир (7%), Канада (7%) и Китай (4%).
САЩ също водят в производството на хелий (140 милиона кубични метра годишно), следвани от Алжир (16 милиона).

Русия е на трето място в света - 6 милиона кубически метра годишно. Заводът за хелий в Оренбург в момента е единственият вътрешен източник за производство на хелий, а производството на газ намалява. В това отношение газовите находища на Източен Сибир и Далечния Изток с високи концентрации на хелий (до 0,6%) са от особено значение. Един от най-обещаващите е ха Ковикта зокондензатно поле, разположено в северната част на Иркутска област. Според експертите той съдържа около 25% от световните x запаси от хелий.

Име на индикатора	Хелий (клас А) (съгласно TU 51-940-80)	Хелий (клас B) (съгласно TU 51-940-80)	Хелий с висока чистота, клас 5.5 (съгласно TU 0271-001-45905715-02)	Хелий с висока чистота, марка 6.0 (съгласно TU 0271-001-45905715-02)
Хелий, не по-малко
Азот, не повече
Кислород + аргон
Неон, не повече
Водна пара, не повече
Въглеводороди, не повече
CO2 + CO, не повече
Водород, не повече

Безопасност

– Хелият е нетоксичен, незапалим, неексплозивен
- Хелият е разрешен за използване на всякакви многолюдни места: на концерти, промоции, стадиони, магазини.
– Газообразният хелий е физиологично инертен и не представлява опасност за хората.
– Хелият също не е опасен за околната среда, поради което не се налага неутрализация, оползотворяване и елиминиране на остатъците от него в бутилките.
– Хелият е много по-лек от въздуха и се разсейва в горните слоеве на земната атмосфера.

Хелий (степени А и Б по TU 51-940-80)
Техническо наименование	Газообразен хелий
Химична формула
UN номер
Клас на опасност при транспортиране
Физични свойства
Физическо състояние	При нормални условия - газ
Плътност, kg/m³	При нормални условия (101,3 kPa, 20 C), 1627
Точка на кипене, С при 101,3 kPa
Температура на 3-та точка и нейното равновесно налягане C, (MPa)
Разтворимост във вода	незначителен
Опасност от пожар и експлозия	пожаро- и взривозащитен
Стабилност и реактивност
Стабилност	стабилен
Реактивност	инертен газ
Човешка опасност
Токсичен ефект	Нетоксичен
опасност за околната среда	Няма вредно въздействие върху околната среда
Финансови средства	Приложими са всякакви средства.

Съхранение и транспортиране на хелий

Газообразният хелий може да се транспортира с всички видове транспорт в съответствие с правилата за превоз на товари на конкретен вид транспорт. Транспортирането се извършва в специални кафяви стоманени цилиндри и контейнери с хелий. Течният хелий се транспортира в транспортни съдове като STG-40, STG-10 и STG-25 с обем 40, 10 и 25 литра.

Правила за транспортиране на бутилки с технически газове

Транспортирането на опасни товари в Руската федерация се регулира от следните документи:

1. "Правила за превоз на опасни товари по шосе" (изменени със заповеди на Министерството на транспорта на Руската федерация от 11 юни 1999 г. № 37, от 14 октомври 1999 г. № 77; регистрирани в Министерството на правосъдието на Руската федерация от 18 декември 1995 г., рег. № 997).

2. „Европейско споразумение за международен автомобилен превоз на опасни товари“ (ADR), към което Русия официално се присъедини на 28 април 1994 г. (Постановление на правителството на Руската федерация от 03.02.1994 г. № 76).

3. "Правила за движение" (SDA 2006), а именно член 23.5, установяващ, че "Превозът ... на опасни товари ... се извършва в съответствие със специални правила."

4. „Кодекс на Руската федерация за административните нарушения“, член 12.21, част 2 от който предвижда отговорност за нарушение на правилата за превоз на опасни товари под формата на „административна глоба на водачи в размер от един до три пъти минималната работна заплата или лишаване от право да управлява превозни средства за срок от един до три месеца; за длъжностните лица, отговорни за транспорта - от десет до двадесет пъти минималната работна заплата.

В съответствие с параграф 3 от параграф 1.2 „Правилата не се прилагат за ... превоз на ограничен брой опасни вещества на едно превозно средство, превозът на които може да се счита за превоз на неопасни товари.“ Уточнява се още, че "Ограниченото количество опасни товари е определено в изискванията за безопасен превоз на определен вид опасни товари. При определянето му е възможно да се използват изискванията на Европейската спогодба за международен превоз на опасни товари (ADR)". По този начин въпросът за максималното количество вещества, които могат да бъдат транспортирани като неопасни товари, се свежда до проучването на раздел 1.1.3 от ADR, който установява изключения от европейските правила за превоз на опасни товари, свързани с различни обстоятелства.

Така например, в съответствие с параграф 1.1.3.1 „Разпоредбите на ADR не се прилагат ... за превоз на опасни товари от частни лица, когато тези стоки са опаковани за продажба на дребно и са предназначени за лична консумация, употреба в ежедневието, свободното време или спорта, когато са взети мерки за предотвратяване на изтичане на съдържанието при нормални условия на превоз."

Въпреки това, групата от изключения, официално признати от правилата за превоз на опасни товари, са изключения, свързани с количествата, транспортирани в една транспортна единица (клауза 1.1.3.6).

Всички газове са причислени към втория клас вещества според класификацията на ADR. Незапалимите, неотровни газове (групи А - неутрални и О - окисляващи) принадлежат към трета транспортна категория, като максималното количество е 1000 единици. Запалими (група F) - към втората, с максимална граница от 333 единици. Под "единица" тук се разбира 1 литър вместимост на съд, съдържащ сгъстен газ, или 1 kg втечнен или разтворен газ. По този начин максималното количество газове, което може да се транспортира в една транспортна единица като неопасен товар, е както следва:

Хелият е наистина благороден газ. Все още не е възможно да го принуди да влезе в някакви реакции. Молекулата на хелия е едноатомна.

По отношение на лекотата този газ е на второ място след водорода, въздухът е 7,25 пъти по-тежък от хелия.

Хелият е почти неразтворим във вода и други течности. И по същия начин нито едно вещество не се разтваря забележимо в течен хелий.

Твърдият хелий не може да се получи при никаква температура, освен ако налягането не се увеличи.

В историята на откриването, изследването и приложението на този елемент има имена на много видни физици и химици от различни страни. Те се интересуваха от хелий, работеха с хелий: Янсен (Франция), Локиер, Рамзи, Крукс, Ръдърфорд (Англия), Палмиери (Италия), Кейсъм, Камерлинг-Онес (Холандия), Файнман, Онсагер (САЩ), Капица, Кикоин , Ландау (Съветски съюз) и много други видни учени.

Уникалността на външния вид на атома на хелия се определя от съчетанието на две удивителни природни структури в него - абсолютни шампиони по отношение на компактност и здравина. В хелиевото ядро, хелий-4, са наситени и двете вътрешноядрени обвивки - както протонната, така и неутронната. Електронният дублет, оформящ това ядро, също е наситен. В тези дизайни - ключът към разбирането на свойствата на хелия. Оттук и неговата феноменална химическа инертност и рекордно малкия размер на неговия атом.

Ролята на ядрото на атома на хелия - алфа частиците в историята на формирането и развитието на ядрената физика е огромна. Ако си спомняте, изследването на разсейването на алфа частици доведе Ръдърфорд до откриването на атомното ядро. Когато азотът беше бомбардиран с алфа частици, за първи път беше извършено взаимното преобразуване на елементите - нещо, за което много поколения алхимици са мечтали от векове. Вярно е, че при тази реакция не живакът се превърна в злато, а азотът в кислород, но това е почти толкова трудно да се направи. Същите алфа частици участват в откриването на неутрона и производството на първия изкуствен изотоп. По-късно курий, беркелий, калифорний и менделевий са синтезирани с помощта на алфа частици.

Изброихме тези факти само с една цел - да покажем, че елемент #2 е много необичаен елемент.

На голям балон... Хелият се използва за приготвяне на дихателни смеси, включително за атмосферата на обитавани космически кораби, за дълбоководни гмуркания, както и за лечение на астма, за пълнене на дирижабли и балони. Той е нетоксичен, така че вдишването на малки количества хелий заедно с въздуха е напълно безвредно.

Родоски колос, гигантска статуя на древния бог на слънцето Хелиос. Елементът хелий е открит чрез спектрален метод на Слънцето и едва по-късно е открит на Земята.

земен хелий

Хелият е необичаен елемент и неговата история е необичайна. Открит е в атмосферата на Слънцето 13 години по-рано, отколкото на Земята. По-точно, в спектъра на слънчевата корона беше открита яркожълта линия D, а какво се крие зад нея, стана надеждно известно едва след като хелий беше извлечен от земни минерали, съдържащи радиоактивни елементи.

Хелият на Слънцето е открит от французина Й. Янсен, който прави своите наблюдения в Индия на 19 август 1868 г., и англичанина Дж. Lockyer – 20 октомври същата година. Писмата и на двамата учени пристигнаха в Париж в един и същи ден и бяха прочетени на заседание на Парижката академия на науките на 26 октомври с интервал от няколко минути. Академиците, поразени от такова странно съвпадение, решиха да извадят златен медал в чест на това събитие.

През 1881 г. италианският учен Палмиери съобщава за откриването на хелий във вулканични газове. Посланието му обаче, потвърдено по-късно, беше прието на сериозно от малко учени. Вторичният земен хелий е открит от Рамзи през 1895 г.

В земната кора има 29 изотопа, при радиоактивния разпад на които се образуват алфа частици - високоактивни ядра на хелиеви атоми с висока енергия.

По принцип земният хелий се образува по време на радиоактивния разпад на уран-238, уран-235, торий и нестабилни продукти от техния разпад. Несравнимо по-малки количества хелий се получават при бавното разпадане на самарий-147 и бисмут. Всички тези елементи генерират само тежкия изотоп на хелия - 4He, чиито атоми могат да се разглеждат като останки от алфа частици, заровени в обвивка от два сдвоени електрона - в електронен дублет. В ранните геоложки периоди вероятно е съществувала и друга естествено радиоактивна серия от елементи, които вече са изчезнали от лицето на Земята, насищайки планетата с хелий. Една от тях беше вече изкуствено пресъздадената нептунова серия.

По количеството хелий, уловен в скала или минерал, може да се съди за тяхната абсолютна възраст. Тези измервания се основават на законите на радиоактивния разпад: например половината от уран-238 се превръща в хелий и олово за 4,52 милиарда години.

Хелият в земната кора се натрупва бавно. Един тон гранит, съдържащ 2 g уран и 10 g торий, произвежда само 0,09 mg хелий за милион години - половин кубичен сантиметър. В много малко минерали, богати на уран и торий, съдържанието на хелий е доста високо - няколко кубически сантиметра хелий на грам. Делът на тези минерали в естественото производство на хелий обаче е близо до нула, тъй като те са много редки.

Природните съединения, съдържащи алфа активни изотопи, са само първичен източник, но не и суровина за промишленото производство на хелий. Вярно е, че някои минерали с плътна структура - самородни метали, магнетит, гранат, апатит, циркон и други - здраво задържат съдържащия се в тях хелий. Повечето минерали обаче в крайна сметка претърпяват процеси на изветряне, рекристализация и т.н. и хелият ги напуска.

Мехурчетата хелий, освободени от кристалните структури, тръгват на пътешествие през земната кора. Много малка част от тях се разтварят в подземните води. Образуването на повече или по-малко концентрирани разтвори на хелий изисква специални условия, предимно високо налягане. Друга част от номадския хелий навлиза в атмосферата през порите и пукнатините на минералите. Останалите газови молекули попадат в подземни капани, където се натрупват в продължение на десетки, стотици милиони години. Капаните са слоеве от рохкави скали, чиито кухини са пълни с газ. Основата за такива газови резервоари обикновено е вода и нефт, а отгоре те са блокирани от газонепроницаеми слоеве от плътни скали.

Тъй като други газове също се скитат в земната кора (главно метан, азот, въглероден диоксид) и освен това в много по-големи количества, няма чисто хелиеви натрупвания. Хелият присъства в природните газове като незначителен примес. Съдържанието му не надвишава хилядни, стотни, рядко - десети от процента. Голямото (1,5...10%) съдържание на хелий в метано-азотните отлагания е изключително рядко явление.

Символ на елемент, направен от газоразрядни тръби, пълни с хелий. Хелият свети в светло прасковен цвят, когато през него премине електрически ток.

Природните газове се оказаха практически единственият източник на суровини за промишленото производство на хелий. За отделяне от други газове се използва изключителната летливост на хелия, свързана с неговата ниска температура на втечняване. След като всички други компоненти на природния газ се кондензират чрез дълбоко охлаждане, хелиевият газ се изпомпва. След това се пречиства от примеси. Чистотата на фабричния хелий достига 99,995%.

Запасите от хелий на Земята се оценяват на 5 1014 m3; съдейки по изчисленията, той се е образувал в земната кора за 2 милиарда години десет пъти повече. Това разминаване между теория и практика е разбираемо. Хелият е лек газ и подобно на водорода (макар и по-бавно) не излиза от атмосферата в открития космос. Вероятно по време на съществуването на Земята хелият на нашата планета е бил многократно обновяван - старият е избягал в космоса, а вместо него свежият - „издишан“ от Земята е влязъл в атмосферата.

В литосферата има поне 200 000 пъти повече хелий, отколкото в атмосферата; още повече потенциален хелий се съхранява в "утробата" на Земята - в алфа активни елементи. Но общото съдържание на този елемент в Земята и атмосферата е малко. Хелият е рядък и дифузен газ. За 1 kg земен материал има само 0,003 mg хелий, а съдържанието му във въздуха е 0,00052 обемни процента. Такава ниска концентрация все още не позволява икономично извличане на хелий от въздуха.

Хелият се образува от водород в резултат на термоядрена реакция. Именно термоядрените реакции са източникът на енергия за нашето Слънце и много милиарди други звезди.

Хелий във Вселената

Недрата и атмосферата на нашата планета са бедни на хелий. Но това не означава, че не е достатъчно навсякъде във Вселената. Според съвременни оценки 76% от космическата маса е водород и 23% хелий; само 1% остава на всички останали елементи! Така световната материя може да се нарече водород-хелий. Тези два елемента преобладават в звездите, планетарните мъглявини и междузвездния газ.

Ориз. 1. Криви на изобилието на елементи на Земята (отгоре) и в космоса.

„Космическата“ крива отразява изключителната роля на водорода и хелия във Вселената и специалното значение на групата на хелия в структурата на атомното ядро. Тези елементи и техните изотопи, чието масово число е кратно на четири, имат най-голямо относително съдържание: 16О, 20Ne, 24Mg и др.

Вероятно всички планети от Слънчевата система съдържат радиогенен (образуван по време на алфа-разпад) хелий, а големите планети също съдържат реликтов хелий от космоса. Хелият е изобилно представен в атмосферата на Юпитер: според някои данни той е 33%, според други - 17%. Това откритие е в основата на сюжета на един от разказите на известния учен и писател на научна фантастика А. Азимов. В центъра на историята е план (вероятно осъществим в бъдеще) за доставяне на хелий от Юпитер или дори до най-близкия спътник на тази планета - Юпитер V - армада от кибернетични машини на криотрони (за тях - по-долу). Потопени в течния хелий на атмосферата на Юпитер (свръхниските температури и свръхпроводимостта са необходими условия за работата на криотроните), тези машини ще превърнат Юпитер V в мозъчния център на Слънчевата система...

Произходът на звездния хелий е обяснен през 1938 г. от немските физици Бете и Вайцзакер. По-късно тяхната теория получи експериментално потвърждение и усъвършенстване с помощта на ускорители на частици. Същността му е следната.

Хелиевите ядра се синтезират при звездни температури от протони в процес на синтез, който освобождава 175 милиона киловатчаса енергия за всеки килограм хелий.

Различни цикли на реакции могат да доведат до сливане на хелий.

В условията на не много горещи звезди, като нашето Слънце, протон-протонният цикъл изглежда преобладава. Състои се от три последователни трансформации. Първо, два протона се комбинират с големи скорости, за да образуват дейтрон - структура от протон и неутрон; в този случай позитрон и неутрино са разделени. Освен това дейтронът се комбинира с протон, за да образува лек хелий с излъчване на гама квант. Накрая две ядра 3He реагират, превръщайки се в алфа частица и два протона. Алфа частица, след като е придобила два електрона, ще се превърне в атом на хелий.

Същият краен резултат дава по-бърз цикъл въглерод-азот, чието значение не е много голямо при слънчеви условия, но при звезди, по-горещи от Слънцето, ролята на този цикъл се засилва. Състои се от шест стъпки – реакции. Въглеродът тук играе ролята на катализатор за процеса на протонен синтез. Енергията, която се отделя при тези трансформации, е същата като при протон-протонния цикъл – 26,7 MeV на атом на хелий.

Реакцията на синтез на хелий е в основата на енергийната активност на звездите, тяхното сияние. Следователно, синтезът на хелий може да се счита за прародителя на всички реакции в природата, първопричината за живота, светлината, топлината и метеорологичните явления на Земята.

Хелият не винаги е крайният продукт на звездния синтез. Според теорията на професор Д.А. Франк-Каменецки, последователното сливане на хелиеви ядра произвежда 3Be, 12C, 16O, 20Ne, 24Mg и улавянето на протони от тези ядра води до образуването на други ядра. За синтеза на ядра от тежки елементи до трансуран са необходими изключителни свръхвисоки температури, които се развиват върху нестабилни "нови" и "свръхнови" звезди.

Известният съветски химик А.Ф. Капустински нарича водород и хелий протоелементи - елементи на първичната материя. Не е ли това първостепенно значение, което обяснява особеното положение на водорода и хелия в периодичната система от елементи, по-специално факта, че първият период е по същество лишен от периодичността, характерна за другите периоди?

Атомна структура на хелия

Най-доброто...

Атомът на хелий (известен още като молекула) е най-силната молекулярна структура. Орбитите на двата му електрона са напълно еднакви и минават изключително близо до ядрото. За да изложите ядро ​​на хелий, трябва да изразходвате рекордно висока енергия - 78,61 MeV. Оттук и феноменалната химическа пасивност на хелия.

През последните 15 години химиците са успели да получат повече от 150 химични съединения на тежки благородни газове (съединенията на тежки благородни газове ще бъдат обсъдени в статиите "Криптон" и "Ксенон"). Въпреки това, инертността на хелия остава, както и преди, извън подозрение.

Изчисленията показват, че ако се намери начин да се получи, да речем, флуорид или хелиев оксид, тогава по време на образуването те ще абсорбират толкова много енергия, че получените молекули ще бъдат „взривени“ от тази енергия отвътре.

Молекулите на хелия са неполярни. Силите на междумолекулно взаимодействие между тях са изключително малки - по-малко, отколкото във всяко друго вещество. Оттук - най-ниските стойности на критичните количества, най-ниската точка на кипене, най-ниските топлина на изпарение и топене. Що се отнася до точката на топене на хелия, при нормално налягане тя изобщо не съществува. Течният хелий при температура произволно близка до абсолютната нула не се втвърдява, ако в допълнение към температурата е подложен на налягане от 25 или повече атмосфери. В природата няма друго подобно вещество.

Освен това няма друг газ, толкова пренебрежимо разтворим в течности, особено полярни, и толкова малко склонен към адсорбция, като хелия. Той е най-добрият проводник на електричество сред газовете и вторият след водорода проводник на топлина. Топлинният му капацитет е много висок, а вискозитетът му е нисък.

Хелият прониква удивително бързо през тънки прегради от някои органични полимери, порцелан, кварц и боросиликатно стъкло. Любопитно е, че хелият дифундира през меко стъкло 100 пъти по-бавно, отколкото през боросиликатно стъкло. Хелият може да проникне и през много метали. Само желязото и металите от платиновата група, дори и горещите, са напълно непроницаеми за него.

Нов метод за извличане на чист хелий от природен газ се основава на принципа на селективната пропускливост.

Учените проявяват изключителен интерес към течния хелий. Първо, това е най-студената течност, в която освен това нито едно вещество не се разтваря забележимо. Второ, това е най-леката течност с минимално повърхностно напрежение.

При температура от 2,172°K има рязка промяна в свойствата на течния хелий. Полученият вид условно се нарича хелий II. Хелий II кипи съвсем различно от другите течности, той не кипи при кипене, повърхността му остава напълно спокойна. Хелий II провежда топлина 300 милиона пъти по-добре от обикновения течен хелий (хелий I). Вискозитетът на хелий II е практически нулев, той е хиляда пъти по-малък от вискозитета на течния водород. Следователно, хелий II има свръхфлуидност - способността да тече без триене през капиляри с произволно малък диаметър.

Друг стабилен изотоп на хелия, 3He, преминава в свръхфлуидно състояние при температура, която е само стотни от градуса от абсолютния куршум. Свръхфлуидните хелий-4 и хелий-3 се наричат ​​квантови течности: квантово-механичните ефекти се появяват в тях още преди да се втвърдят. Това обяснява много подробното изследване на течния хелий. И сега произвеждат много - стотици хиляди литри годишно. Но твърдият хелий почти не е изследван: експерименталните трудности при изучаването на това много студено тяло са големи. Несъмнено тази празнина ще бъде запълнена, тъй като физиците очакват много нови неща от познаването на свойствата на твърдия хелий: все пак той също е квантово тяло.

Хелиеви цилиндри

Инертен, но много необходим

В края на миналия век английското списание Punch публикува карикатура, в която хелият е изобразен като хитро намигащ човек - жител на Слънцето. Текстът под снимката гласеше: „Най-накрая ме хванаха на Земята! Мина достатъчно време! Чудя се колко време ще мине, преди да измислят какво да правят с мен?

Наистина са изминали 34 години от откриването на земния хелий (първият доклад за това е публикуван през 1881 г.), преди той да намери практическо приложение. Определена роля тук изиграха първоначалните физични, технически, електрически и в по-малка степен химични свойства на хелия, които изискваха дълго проучване. Основните пречки бяха разсеяността и високата цена на елемент №2.

Германците са първите, които използват хелий. През 1915 г. те започват да пълнят своите дирижабли, бомбардиращи Лондон с него. Скоро лекият, но незапалим хелий се превърна в незаменим пълнител за аеронавтически превозни средства. Упадъкът на производството на дирижабли, започнал в средата на 30-те години, води до лек спад в производството на хелий, но само за кратко време. Този газ все повече привлича вниманието на химици, металурзи и машиностроители.

Много технологични процеси и операции не могат да се извършват във въздуха. За да се избегне взаимодействието на полученото вещество (или суровина) с въздушни газове, се създават специални защитни среди; и няма по-подходящ газ за тези цели от хелия.

Хелиеви цилиндри

Инертен, лек, подвижен, добър проводник на топлина, хелият е идеален инструмент за прехвърляне на запалими течности и прахове от един контейнер в друг; точно тези функции изпълнява в ракетите и управляемите ракети. В хелиева защитна среда протичат отделни етапи на получаване на ядрено гориво. Горивните елементи на ядрените реактори се съхраняват и транспортират в контейнери, пълни с хелий.

С помощта на специални детектори за течове, чието действие се основава на изключителната дифузионна способност на хелия, те откриват и най-малката възможност за теч в ядрени реактори и други системи под налягане или вакуум.

Последните години бяха белязани от подновен възход в строителството на дирижабли, вече на по-висока научна и техническа основа. В редица страни са построени и се строят дирижабли с хелиев пълнеж с товароподемност от 100 до 3000 т. Те са икономични, надеждни и удобни за превоз на обемисти товари, като газопроводи, нефтопреработвателни заводи, електропреносни кули. и т.н. Пълненето с 85% хелий и 15% водород е огнеупорно и намалява повдигането само със 7% в сравнение с пълненето с водород.

Започнаха да работят високотемпературни ядрени реактори от нов тип, в които хелият служи като охладител.

Течният хелий се използва широко в научните изследвания и инженерството. Свръхниските температури благоприятстват задълбочените познания за материята и нейната структура - при по-високи температури фините детайли на енергийните спектри се маскират от топлинното движение на атомите.

Вече има свръхпроводящи соленоиди от специални сплави, които създават силни магнитни полета (до 300 000 ерстеда) при температура на течен хелий с незначителен разход на енергия.

При температурата на течния хелий много метали и сплави стават свръхпроводници. Свръхпроводящите релета - криотрони намират все по-широко приложение при проектирането на електронни компютри. Те са прости, надеждни, много компактни. Свръхпроводниците, а с тях и течният хелий, стават основни за електрониката. Те са включени в дизайна на детектори за инфрачервено лъчение, молекулярни усилватели (мазери), оптични квантови генератори (лазери) и устройства за измерване на микровълнови честоти.

Разбира се, тези примери не изчерпват ролята на хелия в съвременните технологии. Но ако не бяха ограничените природни ресурси, не и изключителното разпръскване на хелия, той щеше да намери много повече приложения. Известно е например, че когато се съхраняват в среда с хелий, хранителните продукти запазват оригиналния си вкус и аромат. Но „хелиевите” консерви все още са „нещо само по себе си”, защото хелият не е достатъчен и се използва само в най-важните отрасли и там, където е незаменим. Ето защо е особено обидно да разберем, че при горимия природен газ много по-големи количества хелий преминават през апарати за химичен синтез, пещи и пещи и отиват в атмосферата, отколкото тези, извлечени от източници, съдържащи хелий.

Сега се счита за полезно отделянето на хелий само в случаите, когато съдържанието му в природния газ е не по-малко от 0,05%. Запасите от такъв газ непрекъснато намаляват и е възможно те да бъдат изчерпани преди края на нашия век. Проблемът с „дефицита на хелий“ обаче вероятно ще бъде решен до този момент - отчасти поради създаването на нови, по-модерни методи за разделяне на газове, извличане на най-ценните, макар и незначителни фракции от тях, и отчасти поради контролирания термоядрен синтез . Хелият ще бъде важен, макар и страничен продукт от "изкуствените слънца".

Хелиева тръба

Изотопи на хелия

В природата има два стабилни изотопа на хелия: хелий-3 и хелий-4. Лекият изотоп е милион пъти по-рядко срещан на Земята от тежкия изотоп. Това е най-редкият от стабилните изотопи, които съществуват на нашата планета. Изкуствено са получени още три изотопа на хелий. Всички те са радиоактивни. Полуживотът на хелий-5 е 2,4 10-21 секунди, хелий-6 е 0,83 секунди, хелий-8 е 0,18 секунди. Най-тежкият изотоп, интересен с това, че в ядрата му има три неутрона на протон, е открит за първи път в Дубна през 60-те години. Опитите да се получи хелий-10 досега са неуспешни.

Последен твърд газ

Хелият беше последният от всички газове, който се превърна в течно и твърдо състояние. Особените трудности при втечняването и втвърдяването на хелий се обясняват със структурата на неговия атом и някои характеристики на неговите физични свойства. По-специално, хелият, подобно на водорода, при температури над -250 ° C, разширявайки се, не се охлажда, а се нагрява. От друга страна, критичната температура на хелия е изключително ниска. Ето защо течният хелий е получен за първи път едва през 1908 г., а твърдият - през 1926 г.

хелиев въздух

Въздухът, в който целият или по-голямата част от азота е заменен с хелий, днес вече не е новост. Използва се широко на сушата, под земята и под водата.

Хелиевият въздух е три пъти по-лек и много по-подвижен от обикновения въздух. Той се държи по-активно в белите дробове - бързо внася кислород и бързо евакуира въглеродния диоксид. Ето защо хелиевият въздух се дава на пациенти с дихателни заболявания и някои операции. Облекчава задушаване, лекува бронхиална астма и заболявания на ларинкса.

Вдишването на хелиев въздух практически елиминира азотната емболия (кесонова болест), на която са податливи водолази и специалисти от други професии, чиято работа протича в условия на високо налягане, по време на прехода от високо налягане към нормално. Причината за това заболяване е доста значима, особено при високо кръвно налягане, разтворимостта на азота в кръвта. Когато налягането намалява, той се освобождава под формата на газови мехурчета, които могат да запушат кръвоносните съдове, да увредят нервните възли ... За разлика от азота, хелият е практически неразтворим в телесните течности, така че не може да причини декомпресионна болест. В допълнение, хелиевият въздух елиминира появата на "азотна анестезия", външно подобна на алкохолна интоксикация.

Рано или късно човечеството ще трябва да се научи как да живее и работи дълго време на морското дъно, за да се възползва сериозно от минералните и хранителни ресурси на шелфа. И на голяма дълбочина, както показват експериментите на съветски, френски и американски изследователи, хелиевият въздух все още е незаменим. Биолозите са доказали, че продължителното дишане с хелиев въздух не предизвиква негативни промени в човешкото тяло и не застрашава промени в генетичния апарат: хелиевата атмосфера не влияе върху развитието на клетките и честотата на мутациите. Има работи, чиито автори смятат, че хелиевият въздух е оптималната въздушна среда за космически кораби, извършващи дългосрочни полети до Вселената. Но досега въздухът с изкуствен хелий все още не се е издигнал отвъд земната атмосфера.

Астероидът (895) Хелио, открит през 1918 г., е кръстен на хелий.

Светът около нас се състои от ~ 100 различни химични елемента. Как са се образували в естествени условия? Подсказка за отговор на този въпрос дава относителното изобилие от химични елементи. Сред най-значимите характеристики на изобилието от химични елементи в Слънчевата система могат да бъдат разграничени следните.

1. Материята във Вселената се състои главно от водород H - ~ 90% от всички атоми.
2. По отношение на изобилието, хелият He се нарежда на второ място, като представлява ~ 10% от броя на водородните атоми.
3. Има дълбок минимум, съответстващ на химичните елементи литий Li, берилий Be и бор B.
4. Непосредствено след дълбокия минимум на Li, Be, B следва максимум поради повишеното съдържание на въглерод С и кислород О.
5. След максимума на кислорода има рязък спад в изобилието на елементи до скандий (A = 45).
6. Има рязко увеличение на изобилието на елементи в областта на желязо А = 56 (група желязо).
7. След A = 60 намаляването на изобилието на елементи става по-плавно.
8. Има забележима разлика между химичните елементи с четен и нечетен брой протони З. Като правило химичните елементи с дори Зса по-чести.

Ядрени реакции във Вселената

t = 0		Голям взрив. Раждането на Вселената
t = 10 -43 s		Ерата на квантовата гравитация. струни ρ = 10 90 g/cm 3 , T = 10 32 K
t = 10 - 35 s		Кварк-глуонна среда ρ = 10 75 g/cm 3 , T = 10 28 K
t = 1 µs		Кварките се комбинират, за да образуват неутрони и протони ρ = 10 17 g/cm 3 , T = 6 10 12 K
t = 100 s		Образуване на предзвезден 4 He ρ = 50 g/cm 3 , T = 10 9 K
t = 380 хиляди години		Образуване на неутрални атоми ρ = 0,5 10 -20 g/cm 3 , T = 3 10 3 K
t = 10 8 години	Първи звезди	Изгаряне на водород в звездите ρ \u003d 10 2 g / cm 3, T = 2 10 6 K Изгаряне на хелий в звездите ρ = 10 3 g/cm 3 , T = 2 10 8 K Изгаряне на въглерод в звездите ρ \u003d 10 5 g / cm 3, T \u003d 8 10 8 K Изгаряне на кислород в звездите ρ = 10 5 ÷10 6 g/cm 3 , T = 2 10 9 K Изгаряне на силиций в звезди ρ = 10 6 g/cm 3 , T = (3÷5) 10 9 K
t = 13,7 милиарда години		Съвременна Вселена ρ \u003d 10 -30 g / cm 3, T \u003d 2,73 K

Престеларна нуклеосинтеза. образование 4 Той

Космологичният синтез на хелий е основният механизъм на образуването му във Вселената. Синтезът на хелий от водород в звездите увеличава масовата част на 4 He в барионната материя с около 10%. Механизмът на предзвездното образуване на хелий обяснява количествено разпространението на хелий във Вселената и е силен аргумент в полза на предгалактическата фаза на неговото формиране и цялата концепция за Големия взрив.
Космологичният нуклеосинтез позволява да се обясни преобладаването във Вселената на такива леки ядра като деутерий (2H), изотопи 3He и 7Li. Техният брой обаче е незначителен в сравнение с ядрата на водорода и 4He. По отношение на водорода деутерият се образува в количество 10 -4 -10 -5 , 3 He - в количество ≈ 10 -5 и 7 Li - в количество ≈ 10 -10 .
За да обясни образуването на химичните елементи през 1948 г. Г. Гамов изложи теорията за Големия взрив. Според модела на Гамов, синтезът на всички химични елементи е настъпил по време на Големия взрив в резултат на неравновесно улавяне на неутрони от атомни ядра с излъчване на γ-кванти и последващо β-разпадане на образуваните ядра. Изчисленията обаче показаха, че е невъзможно да се обясни образуването на химически елементи, по-тежки от Li в този модел. Оказа се, че механизмът на образуване на леки ядра (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.

Предзвезден етап на образуване на най-леките ядра.На етапа на еволюция на Вселената 100 s след Големия взрив при температура ~ 10 9 K материята във Вселената се състои от протони p, неутрони n, електрони e - , позитрони e + , неутрино ν, антинеутрино и фотони γ. Излъчването беше в топлинно равновесие с електрони e - , позитрони e + и нуклони.

При условия на термодинамично равновесие вероятността за образуване на система с енергия E N, равна на енергията на покой на нуклона, се описва от разпределението на Гибс . Следователно при условията на термодинамично равновесие съотношението между броя на неутроните и протоните ще се определя от разликата в масите на неутрона и протона

Образуването на двойки електрон-позитрон спира 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.

Основните реакции на предзвездната нуклеосинтеза са:

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

Тъй като стабилни ядра с НО = 5 не съществува, ядрените реакции завършват главно с образуването на 4He. 7 Be, 6 Li и 7 Li съставляват само ~ 10–9 – 10–12 от образуването на изотопа 4 He. Почти всички неутрони изчезват, образувайки ядра 4He. При плътност на веществото ρ ~ 10–3 – 10–4 g/cm3 вероятността неутрон и протон да не взаимодействат по време на първичната нуклеосинтеза е по-малка от 10–4. Тъй като в началото имаше 5 протона на неутрон, съотношението между броя на ядрата 4 He и p трябва да бъде ~1/10. По този начин съотношението на изобилието на водород и хелий, наблюдавано в момента, се формира през първите минути от съществуването на Вселената. Разширяването на Вселената доведе до намаляване на нейната температура и прекратяване на първичната предзвездна нуклеосинтеза.

Образуване на химични елементи в звездите.Тъй като процесът на нуклеосинтеза на ранен етап от еволюцията на Вселената завърши с образуването на водород, хелий и малко количество Li, Be, B, беше необходимо да се намерят механизмите и условията, при които могат да се образуват по-тежки елементи .
G. Bethe и K. Weizsäcker показаха, че съответните условия съществуват вътре в звездите. По-тежките ядра са се образували само милиарди години след Големия взрив в процеса на еволюцията на звездите. Образуването на химичните елементи в звездите започва с изгарянето на водород до образуването на 4 He .

Г. Бете, 1968 г.: „От незапомнени времена хората са искали да знаят какво кара слънцето да свети. Първият опит за научно обяснение е направен от Хелмхолц преди около сто години. Тя се основава на използването на най-известните сили по онова време - силите на универсалната гравитация. Ако един грам материя падне върху повърхността на Слънцето, тя придобива потенциална енергия

E p \u003d -GM / R \u003d -1,91 10 15 erg / g.

Известно е, че в момента мощността на излъчване на Слънцето се определя от стойността

ε = 1,96 erg/g s.

Следователно, ако гравитацията е източникът на енергия, запасът от гравитационна енергия може да осигури радиация за 10 15 s, т.е. за период от около тридесет милиона години...
В края на 19 век Бекерел, Пиер и Мария Кюри откриват радиоактивността. Откриването на радиоактивността направи възможно определянето на възрастта на Земята. Малко по-късно беше възможно да се определи възрастта на метеоритите, по които беше възможно да се прецени кога материята се появи в Слънчевата система в твърда фаза. От тези измервания беше възможно да се установи, че възрастта на Слънцето с точност от 10% е 5 милиарда години. Така гравитацията не може да осигури необходимата доставка на енергия за цялото това време ...
От началото на 30-те години те започнаха да се накланят към факта, че звездната енергия възниква поради ядрени реакции ... Най-простата от всички възможни реакции ще бъде реакцията

H + H → D + e + + v.

Тъй като процесът на първична нуклеосинтеза завърши главно с образуването на ядра 4 He в резултат на реакциите на взаимодействие p + n, d + d, d + 3 He, d + 3 H и всички неутрони бяха изразходвани, беше необходимо да се намери условията, при които са се образували по-тежките елементи. През 1937 г. Г. Бете създава теория, обясняваща произхода на енергията на Слънцето и звездите в резултат на реакции на синтез на водородни и хелиеви ядра, възникващи в центъра на звездите. Тъй като в центъра на звездите нямаше достатъчно неутрони за реакции от типа p + n, в тях можеха да продължат само реакции
p + p → d + e + + v. Тези реакции протичат в звездите, когато температурата в центъра на звездата достигне 10 7 K и плътността достигне 10 5 kg/m 3 . Фактът, че реакцията p + p → d + e + + ν възниква в резултат на слабото взаимодействие, обяснява характеристиките на диаграмата на Hertzsprung-Russell.

Нобелова награда по физика
1967 − Г. Бете
За приноса му в теорията на ядрените реакции и особено за откриването на източника на звездна енергия.

След като направих разумни предположения за силата на реакциите, основани на общите принципи на ядрената физика, открих през 1938 г., че цикълът въглерод-азот може да осигури необходимото освобождаване на енергия в Слънцето ... Въглеродът служи само като катализатор; резултатът от реакцията е комбинация от четири протона и два електрона, образуващи ядро 4 Той . В този процес се излъчват две неутрино, носещи около 2 MeV енергия със себе си. Останалата енергия от около 25 MeV на цикъл се освобождава и поддържа температурата на Слънцето непроменена ... Това беше основата, на която Фаулър и други изчислиха скоростта на реакцията в (C, N)-цикъла ”.

Изгаряне на водород.Възможни са две различни последователности от реакции на изгаряне на водород - превръщането на четири водородни ядра в 4 He ядро, което може да осигури достатъчно освобождаване на енергия за поддържане на светимостта на звездата:

• протон-протонна верига (pp-верига), в която водородът се превръща директно в хелий;
• цикъл въглерод-азот-кислород (CNO-цикъл), в който C, N и O ядра участват като катализатори.

Коя от тези две реакции играе по-значима роля зависи от температурата на звездата. В звезди с маса, сравнима с тази на Слънцето или по-малка, доминира веригата протон-протон. При по-масивните звезди с по-високи температури основният източник на енергия е CNO цикълът. В този случай, естествено, е необходимо в състава на звездната материя да присъстват ядра C, N и O. Температурата на вътрешните слоеве на Слънцето е 1,5∙10 7 K, а веригата протон-протон играе доминираща роля в освобождаването на енергия.

Температурна зависимост на логаритъма на скоростта V на освобождаване на енергия в циклите на водород (pp) и въглерод (CNO)

Изгаряне на водород. Протон-протонна верига.ядрена реакция

p + p → 2 H + e + + v e + Q,

започва в централната част на звездата при плътност ≈100 g/cm3. Тази реакция спира по-нататъшното свиване на звездата. Топлината, отделена по време на реакцията на синтез на водород, създава налягане, което противодейства на гравитационното свиване и предотвратява колапса на звездата. Има качествена промяна в механизма на освобождаване на енергия в звездата. Ако преди началото на ядрената реакция на изгаряне на водород, нагряването на звездата се е случвало главно поради гравитационното компресиране, сега се появява друг доминиращ механизъм - енергията се освобождава поради реакции на ядрен синтез.

Звездата придобива стабилен размер и яркост, които за звезда с маса, близка до слънцето, не се променят милиарди години, докато се случва "изгарянето" на водорода. Това е най-дългият етап от еволюцията на звездите. В резултат на изгарянето на водорода от всеки четири водородни ядра се образува едно хелиево ядро. Най-вероятната верига от ядрени реакции на Слънцето, водеща до това, се нарича протон-протонен цикъли изглежда така:

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

или в по-компактна форма

4p → 4He + 2e + 2νe + 24,68 MeV.

Неутриното са единственият източник, предоставящ информация за събития, случващи се във вътрешността на Слънцето. Спектърът на неутрино, произведени на Слънцето в резултат на изгаряне на водород в реакцията 4p → 4 He и в цикъла CNO, се простира от енергия от 0,1 MeV до енергия от ~12 MeV. Наблюдението на слънчевите неутрино дава възможност директно да се провери моделът на термоядрените реакции на Слънцето.
Енергията, освободена в резултат на веригата pp, е 26,7 MeV. Излъчваните от Слънцето неутрино са регистрирани от наземни детектори, което потвърждава реакцията на термоядрен синтез на Слънцето.
Изгаряне на водород. CNO цикъл.Характеристика на CNO цикъла е, че започвайки от въглеродното ядро, той се свежда до последователно свързване на 4 протона с образуването на 4He ядро ​​в края на CNO цикъла.

l2 C + p → 13 N + γ
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

CNO цикъл

Реакционна верига I

12 C + p → 13 N + γ (Q = 1,94 MeV),
13 N → 13 C + e + + ν e (Q = 1,20 MeV, T 1/2 = 10 минути),
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 + + ν e (Q = 1,73 MeV, T 1/2 = 124 s),
15 N + p → 12 C + 4 He (Q = 4,97 MeV).

Реакционна верига 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 + + ν e (Q = 1,74 MeV, T 1/2 =66 s),
17 O + p → 14 N + ν (Q = 1,19 MeV).

Реакционна верига III

17 O + p → 18 F + γ (Q = 6,38 MeV),
18 F → 18 O + e + + ν e (Q = 0,64 MeV, T 1/2 = 110 минути),
18 O + p → 15 N + α (Q = 3,97 MeV).

Основното време на еволюцията на звезда е свързано с изгарянето на водород. При плътности, типични за централната част на звездата, изгарянето на водорода става при температура (1–3)∙10 7 K. При тези температури са необходими 10 6 – 10 10 години, за да остане значителна част от водорода в центъра на звездата да се превърне в хелий. При по-нататъшно повишаване на температурата в центъра на звездата могат да се образуват по-тежки химически елементи Z > 2. Звездите от главната последователност изгарят водород в централната част, където поради по-високата температура протичат най-интензивно ядрените реакции. Тъй като водородът изгаря в центъра на звездата, реакцията на изгаряне на водород започва да се движи към периферията на звездата. Температурата в центъра на звездата непрекъснато се повишава и когато достигне 10 6 K, започват реакции на изгаряне на 4 He. Реакцията 3α → 12 C + γ е най-важна за образуването на химичните елементи. Изисква едновременния сблъсък на три α-частици и е възможен поради факта, че енергията на реакцията 8 Be + 4 He съвпада с резонанса на възбуденото състояние 12 C. Наличието на резонанс рязко увеличава вероятността от синтез на три α-частици.

Образуване на средни ядра А< 60. Какви ядрени реакции ще протичат в центъра на звездата зависи от масата на звездата, която трябва да осигури висока температура поради гравитационното компресиране в центъра на звездата. Тъй като ядра с голямо Z сега участват в реакциите на синтез, централната част на звездата се компресира все повече и повече, температурата в центъра на звездата се повишава. При температури от няколко милиарда градуса образуваните преди това стабилни ядра се разрушават, образуват се протони, неутрони, α-частици, високоенергийни фотони, което води до образуването на химични елементи от цялата Менделеева таблица до желязото. Образуването на химични елементи, по-тежки от желязото, възниква в резултат на последователно улавяне на неутрони и последващо β - разпадане.
Образуване на средни и тежки ядраА > 60. В процеса на термоядрен синтез в звездите се образуват атомни ядра до желязо. По-нататъшният синтез е невъзможен, тъй като ядрата на желязната група имат максимална специфична енергия на свързване. Образуването на по-тежки ядра при реакции със заредени частици - протони и други леки ядра - се възпрепятства от нарастващата Кулонова бариера на тежките ядра.

Образуване на елементи 4 He → 32 Ge.

Еволюция на масивна звезда M > M

Като елементи с нарастващи стойности участват в процеса на горене Зтемпературата и налягането в центъра на звездата нарастват с непрекъснато нарастваща скорост, което от своя страна увеличава скоростта на ядрените реакции. Ако за масивна звезда реакцията на изгаряне на водород продължава няколко милиона години, тогава изгарянето на хелий става 10 пъти по-бързо. Процесът на изгаряне на кислорода продължава около 6 месеца, а изгарянето на силиций става за един ден.
Изобилието от елементи, разположени в областта зад желязото, зависи относително слабо от масовото число А. Това показва промяна в механизма на образуване на тези елементи. Трябва да се има предвид, че повечето тежки ядра са β - радиоактивен. При образуването на тежки елементи решаваща роля играят реакциите на улавяне на неутрони от ядра (n, γ):

(A, Z) + n → (A+1, Z) + γ.

В резултат на верига от редуващи се процеси на улавяне от ядра на един или повече неутрони, последвано от β - разпад, масовите числа се увеличават НОи заредете Зядра и от началните елементи на желязната група се образуват все по-тежки елементи до края на периодичната система.

В стадия на свръхнова централната част на звездата се състои от желязо и незначителна част от неутрони и α-частици, продуктите на дисоциацията на желязото под действието на γ - кванти. Близо до
M/M = 1,5 е доминиран от 28 Si. 20 Не и 16 O съставляват по-голямата част от веществото в областта от 1,6 до 6 M/M. Външната обвивка на звездата (M/M > 8) се състои от водород и хелий.
На този етап в ядрените процеси се извършва не само освобождаването на енергия, но и нейното усвояване. Масивната звезда губи стабилност. Възниква експлозия на свръхнова, при която значителна част от химическите елементи, образувани в звездата, се изхвърлят в междузвездното пространство. Ако звездите от първото поколение се състоят от водород и хелий, тогава в звездите от следващите поколения по-тежките химически елементи вече присъстват в началния етап на нуклеосинтезата.

Ядрени реакции на нуклеосинтеза. E. Burbidge, G. Burbidzh, V. Fowler, F. Hoyle през 1957 г. дават следното описание на основните процеси на еволюцията на звездите, при които се извършва образуването на атомни ядра.

1. Изгарянето на водород, в резултат на този процес се образуват ядра 4He.

Изгаряне на хелий. В резултат на реакцията 4 He + 4 He + 4 He → 12 C + γ Образуват се 12 С ядра.

2. α-процес. В резултат на последователно улавяне на α-частици, ядра на α-частици 16 O, 20 Ne, 24 Mg, 28 Si, ...
3. електронен процес. При достигане на температура от 5∙10 9 K в звездите протичат голям брой различни реакции в условията на термодинамично равновесие, което води до образуването на атомни ядра до Fe и Ni. Ядки с НО~ 60 са най-силно свързаните атомни ядра. Следователно те завършват веригата от реакции на ядрен синтез, придружени от освобождаване на енергия.
4. s-процес. Ядрата, по-тежки от Fe, се образуват в реакции на последователно улавяне на неутрони. Много често ядрото, уловило неутрона, се оказва β - -радиоактивно. Преди ядрото да улови следващия неутрон, то може да се разпадне в резултат на β - разпадане. Всеки β - -разпад увеличава поредния номер на получените атомни ядра с едно. Ако интервалът от време между последователните улавяня на неутрони е по-голям от периодите на β-разпад, процесът на улавяне на неутрони се нарича s-процес (бавен). По този начин, в резултат на улавяне на неутрони и последващи β-разпади, ядрото става прогресивно по-тежко, но в същото време не се отклонява твърде далеч от долината на стабилност на диаграмата N-Z.
5. r-процес. Ако последователната скорост на улавяне на неутрони е много по-голяма от скоростта на β - разпадане на атомно ядро, тогава то успява да улови голям брой неутрони наведнъж. В резултат на r-процеса се образува богато на неутрони ядро, което е далеч от долината на стабилност. Едва тогава то, в резултат на последователна верига от β - разпади, се превръща в стабилно ядро. Обикновено се смята, че r-процесите възникват в резултат на експлозии на свръхнови.
6. R-процес. Някои стабилни ядра с неутронен дефицит (така наречените заобиколени ядра) се образуват в реакции на улавяне на протони, в реакции ( γ ,н) или в реакции, управлявани от неутрино.

Синтез на трансуранови елементи.В Слънчевата система са оцелели само онези химически елементи, чийто живот е по-дълъг от възрастта на Слънчевата система. Това са 85 химични елемента. Останалите химични елементи са получени в резултат на различни ядрени реакции в ускорители или в резултат на облъчване в ядрени реактори. Синтезът на първите трансуранови елементи в лабораторията е извършен с помощта на ядрени реакции под действието на неутрони и ускорени α-частици. По-нататъшното преминаване към по-тежки елементи обаче се оказва практически невъзможно по този начин. За синтеза на елементи, по-тежки от менделевия Md ( З= 101) използват ядрени реакции с по-тежки многозарядни йони - въглерод, азот, кислород, неон, калций. За ускоряване на тежки йони започнаха да се изграждат многозарядни йонни ускорители.

Нобелова награда по физика
1983 - У. Фаулър
За теоретични и експериментални изследвания на ядрени процеси, важни за образуването на химичните елементи във Вселената.

Година на откриване	Химичен елемент	З	реакция
1936	Np, Pu	93, 94
1945	Am	95
1961	см	96
1956	кн	97
1950	вж	98
1952	Ес	99
1952	FM	100
1955	md	101
1957	не	102
1961	lr	103
1964	RF	104
1967-1970	Db	105
1974	Sg	106
1976	бх	107
1984-1987	hs	108
1982	планината	109
1994	Ds	110
1994	Rg	111
1996	Cn	112
2004		113, 115
1998		114
2000		116
2009		117
2006		118

Е. Ръдърфорд: „Ако има елементи, по-тежки от урана, тогава е вероятно те да се окажат радиоактивни. Изключителната чувствителност на методите за химичен анализ, базирани на радиоактивността, ще позволи идентифицирането на тези елементи, дори и да присъстват в незначителни количества. Следователно може да се очаква, че броят на радиоактивните елементи в следи е много по-голям от трите известни понастоящем радиоактивни елемента. Чисто химическите методи на изследване ще се окажат малко полезни на първия етап от изследването на такива елементи. Основните фактори тук са постоянството на радиацията, техните характеристики и наличието или отсъствието на еманации или други продукти на разпад.

Химическият елемент с максимален атомен номер Z = 118 е синтезиран в Дубна в сътрудничество с Ливърморската лаборатория в САЩ. Горната граница на съществуването на химичните елементи е свързана с тяхната нестабилност по отношение на радиоактивния разпад. Допълнителна стабилност на атомните ядра се наблюдава в близост до магически числа. Според теоретичните оценки трябва да има двойно магически числа Z = 108, N = 162 и Z = 114, N = 184. Времето на полуразпад на ядрата с такъв брой протони и неутрони може да бъде стотици хиляди години. Това са така наречените "острови на стабилността". Проблемът с образуването на ядра на "острова на стабилност" е сложността на избора на мишени и ускорени йони. Синтезираните в момента изотопи на 108-112 елемента имат твърде малко неутрони. Както следва от измерените периоди на полуразпад на изотопи от 108 - 112 елемента, увеличаването на броя на неутроните с 6 - 10 единици (т.е. приближаването до острова на стабилност) води до увеличаване на периода на α-разпад с 10 4 - 10 5 пъти.
Тъй като броят на свръхтежките ядра Z > 110 се изчислява в единици, беше необходимо да се разработи метод за тяхното идентифициране. Идентифицирането на новообразуваните химични елементи се извършва по веригите на техните последователни α-разпади, което повишава надеждността на резултатите. Този метод за идентифициране на трансуранови елементи има предимство пред всички други методи, тъй като се основава на измерване на кратки периоди на α-разпад. В същото време, според теоретичните оценки, химичните елементи на острова на стабилността могат да имат полуразпад над месеци и години. За тяхното идентифициране е необходимо да се разработят принципно нови методи за регистрация, базирани на идентифицирането на един брой ядра в продължение на няколко месеца.

Г. Флеров, К. Петржак:„Прогноза за възможното съществуване на нов регион в периодичната система от елементи от D.I. Менделеев - областта на свръхтежките елементи (SHE) - е за науката за атомното ядро ​​едно от най-значимите последствия от експерименталните и теоретични изследвания на процеса на спонтанно делене. Сумата от нашите знания за атомното ядро, получени през последните четири десетилетия, прави тази прогноза доста надеждна и. което е важно, независимо от избора на един или друг конкретен вариант на модела на черупката. Отговорът на въпроса за съществуването на ТЯ би означавал може би най-критичният тест на самата концепция за структурата на черупката на ядрото - основният ядрен модел, който досега успешно е издържал много тестове за обяснение на свойствата на известните атомни ядра.
По-конкретно, стабилността на най-тежките ядра се определя главно от тяхното спонтанно делене и следователно необходимо условие за съществуването на такива ядра е те да имат бариери за делене. За ядрата от уран до фермий, обвивката на компонента в бариерата на делене, въпреки че води до някои много интересни физически явления, все още няма критичен ефект върху тяхната стабилност и се проявява в суперпозиция с течно-капковия компонент на бариерата. В областта на SHE капковият компонент на бариерата напълно изчезва и стабилността на свръхтежките ядра се определя от пропускливостта на чисто черупковата бариера.
В същото време, ако наличието на бариера е достатъчно за фундаменталното съществуване на ядрата SHE, тогава за експерименталната проверка на такава прогноза е необходимо познаване на живота на ядрата SHE спрямо спонтанното делене, тъй като при всяка конкретна настройка на експеримента за търсенето им, е невъзможно да се покрие целият диапазон от времена на живот - от 10 10 години до 10 -10 s. Изборът на експериментална техника основно зависи от жизнения интервал, в който се провежда изследването.
Както вече беше споменато, несигурността в теоретичното изчисляване на периода на спонтанно делене T SF е твърде голяма, не по-малко от 8–10 порядъка. Тази несигурност a priori не изключва нито една от възможностите за получаване или откриване на ТХЕ, а като насоки за експериментално решаване на проблема може да се избере както търсенето на ТХЕ в природата (на Земята, в обекти от космически произход, като част от тях). космическа радиация и др.) и изкуствено производство на елементи в ускорители (при ядрени реакции между сложни ядра).
Очевидно търсенето на ТЯ в земни обекти може да доведе до успех само при щастливо съчетание на две обстоятелства. От една страна, трябва да има ефективен механизъм на нуклеосинтеза, който води до образуването на SHE атомни ядра с достатъчна вероятност. От друга страна, необходимо е да има поне един нуклид, принадлежащ към новия регион на стабилност, който би имал живот, сравним с живота на Земята, 4,5· 10 9 години.
Ако говорим за наличието на SHE в обекти с извънземен произход - в метеорити, космическа радиация и т.н., тогава подобни търсения могат да доведат до успех, дори ако животът на ядрата SHE е значително по-малък от 10 10 години: такива обекти могат да се превърнат се оказва значително по-млад от наземните проби (10 7 -10 8 години).

Хелият е инертен газ от 18-та група на периодичната система. Той е вторият най-лек елемент след водорода. Хелият е газ без цвят, мирис и вкус, който става течен при -268,9 °C. Неговите точки на кипене и замръзване са по-ниски от тези на всяко друго известно вещество. Това е единственият елемент, който не се втвърдява при охлаждане при нормално атмосферно налягане. Необходими са 25 атмосфери, за да се втвърди хелият при 1 K.

История на откритията

Хелият е открит в газовата атмосфера около Слънцето от френския астроном Пиер Янсен, който през 1868 г. по време на затъмнение открива ярко жълта линия в спектъра на слънчевата хромосфера. Първоначално се смяташе, че тази линия представлява елемента натрий. През същата година английският астроном Джоузеф Норман Локиър наблюдава жълта линия в слънчевия спектър, която не съответства на известните линии D 1 и D 2 на натрия, и затова я нарича линия D 3. Локиър заключава, че е причинено от вещество в Слънцето, неизвестно на Земята. Той и химикът Едуард Франкланд използваха гръцкото име за слънцето, хелиос, за да назоват елемента.

През 1895 г. британският химик сър Уилям Рамзи доказва съществуването на хелий на Земята. Той получава проба от съдържащия уран минерал клевеит и след като изследва газовете, образувани при нагряването му, установява, че яркожълтата линия в спектъра съвпада с линията D 3, наблюдавана в спектъра на Слънцето. Така новият елемент е най-накрая монтиран. През 1903 г. Рамзи и Фредерик Соду определят, че хелият е продукт на спонтанен разпад на радиоактивни вещества.

Разпространение в природата

Хелият съставлява около 23% от цялата маса на Вселената и елементът е вторият най-разпространен в космоса. Той е концентриран в звездите, където се образува от водород в резултат на термоядрен синтез. Въпреки че хелият се намира в земната атмосфера в концентрация от 1 част на 200 000 (5 ppm) и се намира в малки количества в радиоактивни минерали, метеорно ​​желязо и минерални извори, големи количества от елемента се намират в Съединените щати (особено в Тексас, Ню Йорк), Мексико, Канзас, Оклахома, Аризона и Юта) като компонент (до 7,6%) от природния газ. Малки запаси са открити в Австралия, Алжир, Полша, Катар и Русия. В земната кора концентрацията на хелий е само около 8 части на милиард.

изотопи

Ядрото на всеки хелиев атом съдържа два протона, но подобно на други елементи, има изотопи. Те съдържат от един до шест неутрона, така че техните масови числа варират от три до осем. Стабилни са елементите, в които масата на хелия се определя от атомните номера 3 (3 He) и 4 (4 He). Всички останали са радиоактивни и много бързо се разпадат на други вещества. Земният хелий не е първоначалният компонент на планетата, той се е образувал в резултат на радиоактивен разпад. Алфа частиците, излъчвани от ядрата на тежки радиоактивни вещества, са ядра на изотопа 4 He. Хелият не се натрупва в големи количества в атмосферата, тъй като гравитацията на Земята не е достатъчно силна, за да му попречи постепенно да избяга в космоса. Следи от 3 He на Земята се обясняват с отрицателния бета разпад на редкия елемент водород-3 (тритий). 4 He е най-разпространеният от стабилните изотопи: съотношението на броя на атомите 4 He към 3 He е около 700 хиляди към 1 в атмосферата и около 7 милиона към 1 в някои минерали, съдържащи хелий.

Физични свойства на хелия

Точките на кипене и топене на този елемент са най-ниски. Поради тази причина хелият съществува освен при екстремни условия. Газообразен He се разтваря по-малко във вода от всеки друг газ, а скоростта на дифузия през твърди вещества е три пъти по-висока от тази на въздуха. Неговият индекс на пречупване е най-близо до 1.

Топлопроводимостта на хелия е на второ място след тази на водорода, а неговият специфичен топлинен капацитет е необичайно висок. При обикновени температури той се нагрява по време на разширение и се охлажда под 40 K. Следователно, при Т<40 K гелий можно превратить в жидкость путем расширения.

Един елемент е диелектрик, освен ако не е в йонизирано състояние. Подобно на други благородни газове, хелият има метастабилни енергийни нива, които му позволяват да остане йонизиран при електрически разряд, когато напрежението остава под йонизационния потенциал.

Хелий-4 е уникален с това, че има две течни форми. Обикновеният се нарича хелий I и съществува при температури, вариращи от точка на кипене от 4,21 K (-268,9 °C) до около 2,18 K (-271 °C). Под 2,18 K топлопроводимостта на 4 He става 1000 пъти по-голяма от тази на медта. Тази форма се нарича хелий II, за да се разграничи от нормалната форма. Той е свръхтечен: вискозитетът е толкова нисък, че не може да бъде измерен. Хелий II се разпространява в тънък филм върху повърхността на каквото и да докосне и този филм протича без триене дори срещу гравитацията.

По-малко изобилният хелий-3 образува три отделни течни фази, две от които са свръхтечни. Свръхфлуидността в 4 He е открита от съветски физик в средата на 30-те години на миналия век, а същото явление в 3 He е забелязано за първи път от Дъглас Д. Ошеров, Дейвид М. Лий и Робърт С. Ричардсън от САЩ през 1972 г.

Течна смес от два изотопа на хелий-3 и -4 при температури под 0,8 K (-272,4 °C) се разделя на два слоя - почти чист 3He и смес от 4He с 6% хелий-3. Разтварянето на 3 He в 4 He е придружено от охлаждащ ефект, който се използва при проектирането на криостати, при които температурата на хелия пада под 0,01 K (-273,14 °C) и се поддържа при тази температура в продължение на няколко дни.

Връзки

При нормални условия хелият е химически инертен. При екстремни условия можете да създадете връзки на елементи, които не са стабилни при нормални температури и налягания. Например, хелият може да образува съединения с йод, волфрам, флуор, фосфор и сяра, когато е подложен на електрически тлеещ разряд, когато е бомбардиран с електрони или в плазмено състояние. Така са създадени HeNe, HgHe 10 , WHe 2 и молекулни йони He 2 + , He 2 ++ , HeH + и HeD + . Тази техника също направи възможно получаването на неутрални He 2 и HgHe молекули.

плазма

Във Вселената е разпространен предимно йонизиран хелий, чиито свойства се различават значително от молекулния хелий. Неговите електрони и протони не са свързани и има много висока електропроводимост дори в частично йонизирано състояние. Заредените частици се влияят силно от магнитни и електрически полета. Например в слънчевия вятър хелиевите йони, заедно с йонизирания водород, взаимодействат с магнитосферата на Земята, причинявайки полярното сияние.

Откриване на находища в САЩ

След пробиване на кладенец през 1903 г. в Декстър, Канзас, е получен незапалим газ. Първоначално не беше известно, че съдържа хелий. Какъв газ е открит, беше определено от държавния геолог Еразъм Хауърт, който събра проби от него и в Университета на Канзас, с помощта на химиците Кади Хамилтън и Дейвид Макфарланд, установи, че той съдържа 72% азот, 15% метан, 1% водород и 12% не са идентифицирани. След допълнителен анализ учените установиха, че 1,84% от пробата е хелий. Така те научиха, че този химичен елемент присъства в огромни количества в недрата на Големите равнини, откъдето може да бъде извлечен от природен газ.

промишлено производство

Това превърна САЩ в световен лидер в производството на хелий. По предложение на сър Ричард Трелфол американският флот финансира три малки експериментални завода за производство на това вещество по време на Първата световна война, за да осигури баражни балони с лек, незапалим повдигащ газ. Общо 5700 m 3 от 92% He са произведени по тази програма, въпреки че преди това са произведени само по-малко от 100 литра газ. Част от този том е използван в първия в света хелиев дирижабъл C-7, който направи първия си полет от Хамптън Роудс до Болинг Фийлд на 7 декември 1921 г.

Въпреки че процесът на втечняване на газ при ниска температура не е бил достатъчно напреднал по това време, за да бъде значим по време на Първата световна война, производството продължава. Хелият се използва главно като подемен газ в самолети. Търсенето му нараства по време на Втората световна война, когато се използва за електродъгово заваряване. Елементът беше важен и в проекта за атомна бомба в Манхатън.

Национален резерв на САЩ

През 1925 г. правителството на Съединените щати създава Национален хелиев резерват в Амарило, Тексас с цел осигуряване на военни дирижабли по време на война и търговски дирижабли по време на мир. Употребата на газ намаля след Втората световна война, но доставките бяха увеличени през 50-те години на миналия век, за да осигурят, наред с други неща, доставките му като охладител, използван при производството на кислородно-водородно ракетно гориво по време на космическата надпревара и Студената война. Използването на хелий в САЩ през 1965 г. е било осем пъти по-високо от пиковото военно потребление.

След Закона за хелия от 1960 г., Бюрото по мините е сключило договор с 5 частни компании за извличане на елемента от природен газ. За тази програма беше построен 425-километров газопровод, свързващ тези централи с частично изчерпано газово находище на правителството близо до Амарило, Тексас. Хелиево-азотната смес се изпомпва в подземно хранилище и остава там, докато стане необходимост.

До 1995 г. бяха изградени милиард кубични метра запаси и Националният резерв имаше дълг от 1,4 милиарда долара, което накара Конгреса на САЩ да го прекрати постепенно през 1996 г. След приемането на закона за приватизация на хелий през 1996 г. Министерството на природните ресурси започна да ликвидира съоръжението за съхранение през 2005 г.

Чистота и производствени обеми

Хелият, произведен преди 1945 г., е с около 98% чистота, а останалите 2% са азот, който е достатъчен за дирижабли. През 1945 г. малко количество от 99,9% газ е произведено за използване при електродъгово заваряване. До 1949 г. чистотата на получения елемент достига 99,995%.

В продължение на много години Съединените щати произвеждаха над 90% от световния търговски хелий. От 2004 г. насам се произвеждат 140 млн. м3 годишно, от които 85% се произвеждат в САЩ, 10% се произвеждат в Алжир, а останалите - в Русия и Полша. Основните източници на хелий в света са газовите находища на Тексас, Оклахома и Канзас.

Процес на получаване

Хелият (чистота 98,2%) се изолира от природния газ чрез втечняване на други компоненти при ниски температури и високо налягане. Адсорбцията на други газове с охладен активен въглен постига чистота от 99,995%. Малко количество хелий се получава чрез втечняване на въздуха в голям мащаб. От 900 тона въздух могат да се получат около 3,17 кубически метра. м газ.

Приложения

Благородният газ е намерил приложение в различни области.

• Хелият, чиито свойства позволяват получаването на ултраниски температури, се използва като охлаждащ агент в Големия адронен колайдер, свръхпроводящи магнити в ЯМР машини и спектрометри за ядрено-магнитен резонанс, сателитно оборудване, както и за втечняване на кислород и водород в Аполо ракети.
• Като инертен газ за заваряване на алуминий и други метали, в производството на оптични влакна и полупроводници.
• За създаване на налягане в резервоарите за гориво на ракетни двигатели, особено тези, които работят с течен водород, тъй като само газообразният хелий запазва агрегатното си състояние, когато водородът остава течен);
• He-Ne се използват за сканиране на баркодове на касата в супермаркетите.
• Хелиево-йонният микроскоп създава по-добри изображения от електронния микроскоп.
• Поради високата си пропускливост, благородният газ се използва за проверка за течове, например в климатичните системи на автомобили, както и за бързо надуване на въздушни възглавници при сблъсък.
• Ниската плътност ви позволява да пълните декоративни балони с хелий. Инертният газ замени експлозивния водород в дирижаблите и балоните. Например в метеорологията балони с хелий се използват за повдигане на измервателни уреди.
• В криогенната технология той служи като охлаждаща течност, тъй като температурата на този химичен елемент в течно състояние е възможно най-ниската.
• Хелият, чиито свойства му осигуряват ниска реактивност и разтворимост във вода (и кръв), смесен с кислород, е намерил приложение в дихателни състави за гмуркане и работа с кесон.
• Метеоритите и скалите се анализират за този елемент, за да се определи тяхната възраст.

Хелий: свойства на елемента

Основните физически свойства на He са както следва:

• Атомен номер: 2.
• Относителна маса на атом хелий: 4,0026.
• Точка на топене: не.
• Точка на кипене: -268,9 °C.
• Плътност (1 atm, 0 °C): 0,1785 g/p.
• Степен на окисление: 0.

След няколко поколения балоните може да са история. Купете си балон. Пуснете го и вижте как се свива в малка точка и изчезва в стратосферата. Тогава или ще отлети твърде далеч и ще се спука, или компоненти, които са по-леки от въздуха, бавно ще излязат от него. По един или друг начин хелият ще избяга от балона и от атмосферата. Земният хелий буквално лети в космоса.

Това е бъдещето на глобалния хелий през следващите сто години, казват учените. Такава е съдбата на газ, който е по-лек от въздуха: гравитацията просто не може да го задържи. Земната кора отделя малко хелий, но той бързо излиза от атмосферата. Количеството хелий в него е стабилно при 0,00052 обемни процента. Извличането на такова малко количество от въздуха би било много скъпо. Хелият, който може да се купи и използва, идва от запасите на природен газ, предимно в САЩ.

Използван (в балони, ЯМР или ракети) хелият се издига нагоре, нагоре и надалеч. Тъй като запасите от хелий бавно се изчерпват, цените вече започват да растат и балоните отстъпват място на по-сериозни приложения. След сто години един балон може да струва повече от пръстен от масивно злато. Въпреки че учените знаеха за предстоящия недостиг на хелий преди десетилетия, това стана новина едва през последните пет години.

Защо? Причините се крият в сложната политическа история на хелия.

Как стигнахме до там?

Хелиос на колесницата на Слънцето. Никола Бертен Никола Бертен

През 1868 г. хелият за първи път е видян като линия в спектъра на светлината по време на слънчево затъмнение. Името "хелий" се свързва с гръцкия бог Хелиос, който всеки ден караше слънцето по небето в златна колесница. През 1895 г. шотландският химик Уилям Рамзи за първи път открива този газ на Земята. През същата година шведските химици Пер Теодор Клеве и Абрам Ленгле събраха достатъчно газ, за ​​да определят атомния му номер 2.

Елементът присъства в слънчевата енергия, защото Слънцето е огромна топка от водород и хелий. Привличането на Слънцето е толкова силно, че в центъра му водородните атоми (с един протон) се сливат и се превръщат в хелиеви атоми (с два протона). Този процес се нарича термоядрена реакция и освобождава достатъчно енергия, за да ни накара да видим слънчева светлина и да усетим топлина на разстояние от 150 000 000 км. Но ние не получаваме слънчев хелий. Този газ, изолиран за първи път от учените, е страничен продукт от разтварянето на настина (най-разпространения уранов минерал) в киселина, процес, който е едновременно радиоактивен и скъп.

През 1903 г. петролна платформа в Канзас открива гейзер с разочароващо незапалим газ. Този газ отиде в лабораторията за анализ и се оказа, че е 1,8% хелий - много по-концентриран от този, открит в атмосферата. Инженерите започват да изследват газ от други кладенци в страната и в резултат на това през 1906 г. учените заявяват: "Хелият не е рядък, а често срещан елемент и ние трябва да намерим приложение за огромните му запаси."

Защо хелият е много повече от водорода, подходящ за дирижабли

Веднъж често срещан, хелият се превърна в естествено решение за гумени балони и дирижабли, които преди бяха пълни с еднакво лек, но запалим водород. Хелият е по-рядко срещан извън САЩ и правителството искаше да запази това предимство. През 1925 г. Конгресът одобри Федералния резерв на хелий за военни и търговски дирижабли, а закон, приет през 1927 г., забрани износа на хелий. В резултат на това дирижаблите на други страни, като Хинденбург, все още бяха заредени с водород, което доведе до добре познатата катастрофа.

Скоро бяха намерени други начини за използване на ресурса. Хелият има най-ниската точка на кипене от всички известни вещества - минус 269 градуса по Целзий, така че в течно състояние хелият е идеален хладилен агент. Кипящата течност поддържа температурата, при която кипи, докато остане течност - тя не става по-гореща. Водата не може да бъде по-гореща от сто градуса, а течният хелий не може да бъде по-горещ от -269. Ресурсът започва да се използва за изолиране на заваръчни дъги, а по-късно - в свръхпроводници, ядрени реактори и криогеника. Сега този газ най-често се използва като охлаждаща течност.

От дните на проекта Манхатън хелият се използва за намиране на течове: това е инертен газ, който не реагира с други вещества и прониква много бързо в дупки. Използва се за измерване на радиация и в медицински изображения.

Температурата на магнитите в апарата за ЯМР се поддържа с хелий.

федерален резерв

Въпреки че използването на пълни с хелий дирижабли е спряно, Федералният резерв за хелий продължава да съществува и да се разширява през втората половина на ХХ век, тъй като газът е полезен за правителствени нужди, главно за космическата и отбранителната индустрия.

През 1996 г. Федералният резерв възлизаше на милиард кубични метра, но вече не представляваше интерес за правителството на САЩ, отчасти поради лошо финансово управление. The Washington Post написа: „През 1996 г. доставката на хелий изглежда като загуба. Дирижаблите вече не са жизненоважна част от военновъздушните сили и, най-важното, като плащат на сондажи да извличат хелий от природен газ, съоръжението за съхранение дължи 1 400 000 000 долара.

И Рейгън, и Клинтън обещаха да решат този проблем и през 1996 г. Конгресът прие законодателство за приватизация на хелия. От 2005 г. акциите трябваше да се продават на фиксирана цена, а не на пазарна стойност, а до 2015 г. беше планирано продажбите да бъдат прекратени и трезорът да бъде закрит.

Балон на парада на Деня на благодарността на Мейси (Парад на Деня на благодарността на Мейси)

Поради това пазарът се напълни с хелий, цената му рязко падна, а потреблението, според природозащитниците, рязко се повиши. „Заради този закон хелият стана твърде евтин и не се възприема като ценен ресурс. Те го пропиляват. [...] Хелият не успя да се продаде толкова бързо, колкото се искаше, а световните цени за него са абсурдно ниски“, каза Нобеловият лауреат Робърт Ричардсън през 2010 г.

Професор Ричардсън смята, че цените на хелия трябва да бъдат увеличени 20 до 50 пъти, за да се насърчи рециклирането. Например НАСА дори не се опитва да използва повторно хелий след почистване на резервоарите за ракетно гориво, което изразходва много от този газ. Професор Ричардсън също смята, че пълните с хелий балони са твърде евтини. Всеки от тях би трябвало да струва около 100 долара - такава е стойността на газа, който се намира в тях.

Ричардсън смята, че ако сегашните нива на потребление се запазят, световните запаси от хелий ще стигнат за около сто години.

Вместо да насърчи частния сектор да произвежда хелий, разпродажбата на акции имаше точно обратния ефект. Газът стана толкова евтин, че никой не видя нуждата или ползата от собствения си добив. В очакване на 2015 г. учените алармираха: ако запасите се продадат според плана, те вече няма да бъдат възстановени. Съединените щати, които произвеждат около 70% от целия хелий на планетата, остават световен лидер в производството му, което означава, че недостигът му в САЩ може да създаде проблеми по целия свят.

През 2013 г. беше одобрен Законът за стратегическия контрол на хелиума, който позволява да се продава на търг до 2021 г., така че цената скоро ще се доближи до пазара, след като огромна част от акциите се продадат за жълти стотинки.

Хелий днес

Дори ако търгът постепенно реши проблема с цената, хелият е невъзобновяем ресурс. Очаква се резервите да се изчерпят до 2020 г., а дори и това да не се случи, според сегашните закони хранилището на този газ трябва да бъде затворено до 2021 г. В същото време алтернативни хладилни агенти, левитатори и източници на хелий отчаяно се търсят по целия свят.

Геоложката служба на САЩ пише: „До края на десетилетието международните съоръжения за производство на хелий вероятно ще станат основният източник на хелий в света. Такива инсталации вече са създадени в Алжир и Катар. Китай планира да извлича на Луната хелий-3, който в момента се произвежда предимно само.

Много потребители, гледайки нарастващите цени, започнаха да търсят начини за повторна употреба на хелий. В зависимост от това докъде водят тези усилия, може би ще отложим деня, в който куп балони ще се превърнат в безумен лукс като сребърните прибори за хранене или облицованите със слонова кост клавиши на пиано.