Formiranje atomskih jezgara.

Helijum(He) je inertni gas, koji je drugi element periodnog sistema elemenata, kao i drugi element po lakoći i rasprostranjenosti u Univerzumu. Spada u jednostavne supstance i pod standardnim uslovima (standardna temperatura i pritisak) je jednoatomski gas.

Helijum nema ukus, boju, miris i ne sadrži toksine.

Među svim jednostavnim supstancama, helijum ima najnižu tačku ključanja (T = 4,216 K). Pri atmosferskom pritisku nemoguće je dobiti čvrsti helijum, čak i na temperaturama blizu apsolutne nule - da bi prešao u čvrsti oblik, helijumu je potreban pritisak iznad 25 atmosfera. Postoji nekoliko hemijskih jedinjenja helijuma i svi su nestabilni u standardnim uslovima.
Helij koji se pojavljuje u prirodi sastoji se od dva stabilna izotopa, He i 4He. Izotop “He” je vrlo rijedak (obilje izotopa 0,00014%) sa 99,99986% za izotop 4He. Osim prirodnih, poznato je i 6 umjetnih radioaktivnih izotopa helijuma.
Pojava gotovo svega u svemiru, helijuma, bila je primarna nukleosinteza koja se odvijala u prvim minutama nakon Velikog praska.
Trenutno, skoro sve helijum Nastaje iz vodonika kao rezultat termonuklearne fuzije koja se odvija u unutrašnjosti zvijezda. Na našoj planeti helijum nastaje u procesu alfa raspada teških elemenata. Onaj dio helijuma koji uspije prodrijeti kroz Zemljinu koru izlazi kao dio prirodnog plina i može biti do 7% njegovog sastava. Šta istaći helijum iz prirodnog plina koristi se frakciona destilacija - proces niskotemperaturnog odvajanja elemenata.

Istorija otkrića helijuma

18. avgusta 1868. očekivalo se potpuno pomračenje Sunca. Astronomi širom svijeta aktivno su se pripremali za ovaj dan. Nadali su se da će riješiti misteriju prominencija - svjetlosne projekcije vidljive u vrijeme potpune pomračenja Sunca duž rubova solarnog diska. Neki astronomi su vjerovali da su prominencije visoke lunarne planine, koje su, u vrijeme potpunog pomračenja Sunca, obasjane sunčevim zracima; drugi su mislili da su istaknute planine planine na samom Suncu; treći su vidjeli vatrene oblake sunčeve atmosfere u solarnim projekcijama. Većina je vjerovala da prominencije nisu ništa drugo do optička iluzija.

Godine 1851, tokom pomračenja Sunca posmatranog u Evropi, nemački astronom Šmit ne samo da je video solarne projekcije, već je i uspeo da uoči da se njihovi obrisi menjaju tokom vremena. Na osnovu svojih zapažanja, Schmidt je zaključio da su istaknuti oblaci užarenog plina izbačeni u sunčevu atmosferu džinovskim erupcijama. Međutim, čak i nakon Schmidtovih zapažanja, mnogi astronomi su i dalje smatrali vatrene izbočine optičkom iluzijom.

Tek nakon potpunog pomračenja 18. jula 1860. godine, koje je uočeno u Španiji, kada su mnogi astronomi vidjeli solarne projekcije svojim očima, a Italijan Secchi i Francuz Dellar uspjeli su ne samo da ih skiciraju, već i fotografišu, niko imao bilo kakve sumnje u postojanje istaknutosti .

Do 1860. već je izmišljen spektroskop - uređaj koji omogućava da se posmatranjem vidljivog dijela optičkog spektra odredi kvalitativni sastav tijela iz kojeg se dobiva posmatrani spektar. Međutim, na dan pomračenja Sunca, niko od astronoma nije koristio spektroskop da vidi spektar prominencija. Spektroskop je zapamćen kada se pomračenje već završilo.

Zato je, pripremajući se za pomračenje Sunca 1868. godine, svaki astronom uvrstio spektroskop na listu instrumenata za posmatranje. Jules Jansen, poznati francuski naučnik, nije zaboravio ovaj uređaj kada je otišao u Indiju da posmatra prominence, gde su uslovi za posmatranje pomračenja Sunca, prema proračunima astronoma, bili najbolji.

U trenutku kada je pjenušavi disk Sunca bio potpuno prekriven Mjesecom, Jules Jansen je, ispitujući spektroskopom narandžasto-crveni plamen koji je bježao s površine Sunca, vidio u spektru, pored tri poznate linije vodonika. : crvena, zeleno-plava i plava, nova, nepoznata - svijetlo žuta. Nijedna od supstanci poznatih hemičarima tog vremena nije imala takvu liniju u dijelu spektra gdje ju je otkrio Jules Jansen. Isto otkriće, ali kod kuće u Engleskoj, napravio je astronom Norman Lockyer.

Pariška akademija nauka je 25. oktobra 1868. primila dva pisma. Jedan, napisan dan nakon pomračenja Sunca, došao je iz Guntura, malog grada na istočnoj obali Indije, od Julesa Janssena; drugo pismo od 20. oktobra 1868. bilo je iz Engleske od Normana Lockyera.

Pristigla pisma pročitana su na sastanku profesora Pariške akademije nauka. U njima su Jules Jansen i Norman Lockyer, nezavisno jedan od drugog, prijavili otkriće iste "solarne supstance". Ovu novu supstancu, pronađenu na površini Sunca pomoću spektroskopa, Lockyer je predložio da se helijum nazove od grčke riječi za "sunce" - "helios".

Takva podudarnost iznenadila je naučni skup profesora Akademija i istovremeno svjedočila o objektivnoj prirodi otkrića nove hemijske supstance. U čast otkrića supstance solarnih baklji (prominence) izbačena je medalja. Na jednoj strani ove medalje ugravirani su portreti Jansena i Lockyera, a na drugoj lik starogrčkog boga sunca Apolona u kočiji koju vuku četiri konja. Ispod kočije je bio natpis na francuskom: "Analiza solarnih projekcija 18. avgusta 1868."

Godine 1895. londonski hemičar Henry Myers skrenuo je pažnju Williama Ramsaya, poznatog engleskog fizičkog hemičara, na tada zaboravljeni članak geologa Hildebranda. U ovom članku Hildebrand je tvrdio da neki rijetki minerali, kada se zagrijavaju u sumpornoj kiselini, emituju plin koji ne gori i ne podržava sagorijevanje. Među ovim rijetkim mineralima bio je i kleveit, koji je u Norveškoj pronašao Nordenskiöld, poznati švedski istraživač polarnih područja.

Ramsay je odlučio istražiti prirodu plina sadržanog u kleveitu. U svim hemijskim radnjama u Londonu, Ramsayevi pomoćnici uspjeli su kupiti samo ... jedan gram klevete, plativši za to samo 3,5 šilinga. Nakon što je iz dobivene količine kleveita izdvojio nekoliko kubnih centimetara plina i očistio ga od nečistoća, Ramsay ga je ispitao spektroskopom. Rezultat je bio neočekivan: ispostavilo se da je plin oslobođen iz kleveita ... helijum!

Ne vjerujući svom otkriću, Ramsay se obratio Williamu Crookesu, tadašnjem vodećem specijalistu za spektralnu analizu u Londonu, sa zahtjevom da istraži plin koji se oslobađa iz cleveitea.

Crookes je istraživao gas. Rezultat studije potvrdio je Ramsayevo otkriće. Tako je 23. marta 1895. godine na Zemlji otkrivena supstanca koja je pronađena na Suncu 27 godina ranije. Istog dana, Ramsay je objavio svoje otkriće, poslavši jednu poruku Kraljevskom društvu u Londonu, a drugu poznatom francuskom hemičaru akademiku Berthelotu. U pismu Berthelotu, Ramsay je tražio da o svom otkriću obavijesti naučni skup profesora Pariške akademije.

Petnaest dana nakon Ramsaya, nezavisno od njega, švedski hemičar Langley je izolovao helijum iz kleveita i, poput Ramsaya, prijavio je svoje otkriće helijuma hemičaru Berthelotu.

Po treći put, helijum je otkriven u vazduhu, gde je, prema Ramziju, trebalo da dođe iz retkih minerala (kleveit i dr.) tokom razaranja i hemijskih transformacija na Zemlji.

Male količine helijuma pronađene su i u vodi nekih mineralnih izvora. Tako ga je, na primjer, pronašao Ramsay u ljekovitom izvoru Cotret na Pirinejima, engleski fizičar John William Rayleigh pronašao ga je u vodama izvora u poznatom ljetovalištu Bath, njemački fizičar Kaiser otkrio je helijum u izvorima koji šikljaju u planine Švarcvalda. Međutim, najviše helijuma je pronađeno u nekim mineralima. Nalazi se u samarskitu, fergusonitu, kolumbitu, monazitu i uranitu. Mineral torijanit sa ostrva Cejlon sadrži posebno veliku količinu helijuma. Kilogram torijanita, kada se zagrije usijano, oslobađa 10 litara helijuma.

Ubrzo je ustanovljeno da se helijum nalazi samo u onim mineralima koji sadrže radioaktivni uranijum i torij. Alfa zraci koje emituju neki radioaktivni elementi nisu ništa drugo do jezgra atoma helija.

Iz istorije...

Njegova neobična svojstva omogućavaju široku upotrebu helija u različite svrhe. Prvi, apsolutno logičan, zasnovan na svojoj lakoći, je upotreba u balonima i vazdušnim brodovima. Štaviše, za razliku od vodonika, nije eksplozivan. Ovo svojstvo helijuma Nemci su koristili u Prvom svetskom ratu na borbenim vazdušnim brodovima. Nedostatak njegove upotrebe je što vazdušni brod napunjen helijumom neće letjeti tako visoko kao vodonik.

Za bombardiranje velikih gradova, uglavnom prijestolnica Engleske i Francuske, njemačka komanda u Prvom svjetskom ratu koristila je zračne brodove (cepeline). Za njihovo punjenje je korišten vodonik. Stoga je borba protiv njih bila relativno jednostavna: zapaljivi projektil koji je pao u školjku zračnog broda zapalio je vodonik, koji je momentalno planuo i aparat je izgorio. Od 123 zračna broda izgrađena u Njemačkoj tokom Prvog svjetskog rata, 40 je izgorjelo od zapaljivih granata. Ali jednog dana generalštab britanske vojske bio je iznenađen porukom od posebnog značaja. Direktni pogoci zapaljivih granata na njemački cepelin nisu dali rezultate. Dirižabl se nije zapalio, već je polako istječući iz nekog nepoznatog plina poletio nazad.

Vojni stručnjaci su bili zbunjeni i, uprkos hitnoj i detaljnoj raspravi o pitanju nezapaljivosti cepelina od zapaljivih projektila, nisu mogli pronaći potrebno objašnjenje. Zagonetku je riješio engleski hemičar Richard Threlfall. U pismu britanskom admiralitetu, napisao je: "...Vjerujem da su Nemci izmislili neki način da izvuku helijum u velikim količinama, a ovaj put su napunili školjku svog cepelina ne vodonikom, kao obično, već helijumom ..."

Međutim, uvjerljivost Threlfallovih argumenata smanjena je činjenicom da u Njemačkoj nije bilo značajnijih izvora helijuma. Istina, helijum se nalazi u zraku, ali on tamo nije dovoljan: jedan kubni metar zraka sadrži samo 5 kubnih centimetara helijuma. Mašina za hlađenje Linde sistema, pretvarajući nekoliko stotina kubnih metara vazduha u tečnost u jednom satu, mogla je da proizvede ne više od 3 litre helijuma za to vreme.

3 litre helijuma na sat! A da biste napunili cepelin, potrebno vam je 5÷6 hiljada kubnih metara. m. Da bi se dobila tolika količina helijuma, jedna Linde mašina je morala da radi bez prestanka oko dve stotine godina, dve stotine takvih mašina bi dalo potrebnu količinu helijuma u jednoj godini. Izgradnja 200 postrojenja za pretvaranje zraka u tečnost za proizvodnju helijuma ekonomski je vrlo neisplativa, a praktički besmislena.

Odakle su njemački hemičari dobili helijum?

Ovo pitanje je, kako se kasnije pokazalo, riješeno relativno jednostavno. Davno prije rata, njemačke parobrodske kompanije koje su isporučivale robu u Indiju i Brazil dobile su instrukcije da utovare parobrode koji se vraćaju ne običnim balastom, već monazitnim pijeskom, koji sadrži helijum. Tako je stvorena rezerva "helijumskih sirovina" - oko 5 hiljada tona monazitnog peska, iz kojeg se dobija helijum za cepeline. Osim toga, helijum je izvađen iz vode mineralnog izvora Nauheim, koja je dala do 70 kubnih metara. m helijuma dnevno.

Incident s vatrostalnim cepelinom bio je poticaj za novu potragu za helijumom. Hemičari, fizičari, geolozi počeli su intenzivno da traže helijum. To je odjednom postalo od velike vrijednosti. Godine 1916. 1 kubni metar helijuma koštao je 200.000 zlatnih rubalja, odnosno 200 rubalja po litru. Ako uzmemo u obzir da litra helijuma teži 0,18 g, onda 1 g košta preko 1000 rubalja.

Helijum je postao predmet lova za trgovce, špekulante, berzanske dilere. Helijum je u značajnim količinama pronađen u prirodnim gasovima koji izlaze iz utrobe zemlje u Americi, u državi Kanzas, gde je, nakon što je Amerika ušla u rat, izgrađena fabrika helijuma u blizini grada Fort Vorta. Ali rat je završio, rezerve helijuma su ostale neiskorištene, cijena helijuma je naglo pala i na kraju 1918. iznosila je oko četiri rublje po kubnom metru.

Helij izvađen s takvim poteškoćama Amerikanci su upotrijebili tek 1923. da napune sada mirni zračni brod Shenandoah. Bio je to prvi i jedini zračni teretno-putnički brod na svijetu napunjen helijumom. Međutim, njegov "život" bio je kratkog vijeka. Dvije godine nakon njenog rođenja, Shenandoah je uništen u oluji. 55 hiljada kubnih metara m, gotovo cjelokupna svjetska zaliha helijuma, koja je sakupljana šest godina, raspršila se bez traga u atmosferi tokom oluje koja je trajala samo 30 minuta.

Aplikacija helijuma

Helijum u prirodi

Uglavnom zemaljski helijum nastaje tokom radioaktivnog raspada uranijuma-238, uranijuma-235, torija i nestabilnih produkata njihovog raspada. Neuporedivo manje količine helijuma nastaju sporim raspadom samarija-147 i bizmuta. Svi ovi elementi stvaraju samo teški izotop helijuma - He 4 , čiji se atomi mogu smatrati ostacima alfa čestica, zakopanih u ljusci od dva uparena elektrona - u elektronskom dubletu. U ranim geološkim periodima vjerovatno su postojale i druge prirodno radioaktivne serije elemenata koji su već nestali sa lica Zemlje, zasićujući planetu helijumom. Jedna od njih bila je sada umjetno rekreirana neptunska serija.

Po količini helijuma zarobljenog u stijeni ili mineralu može se suditi o njihovoj apsolutnoj starosti. Ova mjerenja su zasnovana na zakonima radioaktivnog raspada: na primjer, polovina uranijuma-238 za 4,52 milijarde godina pretvara se u helijum i olovo.

Helijum polako se akumulira u zemljinoj kori. Jedna tona granita, koja sadrži 2 g uranijuma i 10 g torijuma, proizvodi samo 0,09 mg helijuma za milion godina - pola kubnog centimetra. Vrlo malo minerala bogatih uranijumom i torijumom sadrži prilično veliku količinu helijuma - nekoliko kubnih centimetara helijuma po gramu. Međutim, udio ovih minerala u prirodnoj proizvodnji helijuma je blizu nule, jer su vrlo rijetki.

Na Zemlji ima malo helijuma: 1 m 3 zraka sadrži samo 5,24 cm 3 helijuma, a svaki kilogram zemaljskog materijala sadrži 0,003 mg helijuma. Ali u smislu rasprostranjenosti u svemiru, helijum je na drugom mjestu nakon vodonika: helijum čini oko 23% kosmičke mase. Otprilike polovina ukupnog helijuma koncentrirana je u zemljinoj kori, uglavnom u njenoj granitnoj ljusci, koja je akumulirala glavne rezerve radioaktivnih elemenata. Sadržaj helijuma u zemljinoj kori je mali - 3 x 10 -7% po težini. Helijum se akumulira u akumulacijama slobodnih gasova u crevima i u uljima; takva ležišta dostižu industrijske razmjere. Maksimalne koncentracije helijuma (10-13%) nađene su u akumulacijama slobodnog gasa i gasovima rudnika uranijuma i (20-25%) u gasovima koji se spontano oslobađaju iz podzemnih voda. Što je starija starost sedimentnih stijena koje sadrže plin i što je u njima veći sadržaj radioaktivnih elemenata, to je više helija u sastavu prirodnih plinova.

Rudarstvo helijuma

Proizvodnja helijuma u industrijskim razmjerima vrši se iz prirodnih i naftnih plinova i ugljikovodika i dušika. Prema kvalitetu sirovina ležišta helijuma se dijele na: bogata (sadržaj He >0,5% zapremine); obične (0,10-0,50) i loše< 0,10). Значительные его концентрации известны в некоторых месторождениях природного газа Канады, США (шт. Канзас, Техас, Нью-Мексико, Юта).

Svjetske rezerve helijuma iznose 45,6 milijardi kubnih metara. Velika ležišta nalaze se u SAD (45% svjetskih resursa), a slijede Rusija (32%), Alžir (7%), Kanada (7%) i Kina (4%).
Sjedinjene Američke Države također vode u proizvodnji helijuma (140 miliona kubnih metara godišnje), a slijedi ih Alžir (16 miliona).

Rusija je na trećem mestu u svetu - 6 miliona kubnih metara godišnje. Fabrika helijuma u Orenburgu trenutno je jedini domaći izvor proizvodnje helijuma, a proizvodnja gasa je u padu. U tom smislu, od posebnog su značaja gasna polja Istočnog Sibira i Dalekog istoka sa visokim koncentracijama helijuma (do 0,6%). Jedna od najperspektivnijih je ha Kovykta zokondenzatno polje koje se nalazi na severu Irkutske oblasti. Prema stručnjacima, sadrži oko 25% svjetskog x rezerve helijuma.

Naziv indikatora	Helijum (razred A) (prema TU 51-940-80)	Helijum (razred B) (prema TU 51-940-80)	Helijum visoke čistoće, stepen 5,5 (prema TU 0271-001-45905715-02)	Helijum visoke čistoće, marke 6.0 (prema TU 0271-001-45905715-02)
Helijum, ne manje
Azot, ne više
Kiseonik + argon
Neon, ne više
Vodena para, ne više
Ugljovodonici, ne više
CO2 + CO, ne više
Vodonik, ne više

Sigurnost

– Helijum je netoksičan, nezapaljiv, neeksplozivan
- Helijum je dozvoljeno koristiti na svim mestima gde je velika gužva: na koncertima, promocijama, stadionima, prodavnicama.
– Plinoviti helijum je fiziološki inertan i ne predstavlja opasnost za ljude.
– Helijum nije opasan ni po životnu sredinu, stoga nije potrebna neutralizacija, iskorišćavanje i eliminacija njegovih ostataka u bocama.
– Helijum je mnogo lakši od vazduha i raspršuje se u gornjim slojevima Zemljine atmosfere.

Helijum (razred A i B prema TU 51-940-80)
Tehnički naziv	Helijum gasovit
Hemijska formula
UN broj
Klasa opasnosti u transportu
Fizička svojstva
Fizičko stanje	U normalnim uslovima - gas
Gustina, kg/m³	U normalnim uslovima (101,3 kPa, 20 C), 1627
Tačka ključanja, C na 101,3 kPa
Temperatura 3. tačke i njen ravnotežni pritisak C, (MPa)
Rastvorljivost u vodi	minor
Opasnost od požara i eksplozije	otporan na vatru i eksploziju
Stabilnost i reaktivnost
Stabilnost	stabilan
Reaktivnost	inertni gas
Ljudska opasnost
Toksičan efekat	Nije toksično
opasnost po životnu sredinu	Nema štetan uticaj na životnu sredinu
Sredstva	Bilo koja sredstva su primjenjiva.

Skladištenje i transport helijuma

Plinoviti helijum se može transportovati svim vidovima transporta u skladu sa pravilima za prevoz robe na određenom načinu transporta. Transport se obavlja u specijalnim smeđim čeličnim cilindrima i kontejnerima za helij. Tečni helijum se transportuje u transportnim posudama kao što su STG-40, STG-10 i STG-25 zapremine 40, 10 i 25 litara.

Pravila za transport boca sa tehničkim gasovima

Prevoz opasnih materija u Ruskoj Federaciji regulisan je sledećim dokumentima:

1. "Pravila za drumski transport opasnih materija" (sa izmenama i dopunama naredbi Ministarstva saobraćaja Ruske Federacije od 11. juna 1999. br. 37, od 14. oktobra 1999. godine, br. 77; registrovano u Ministarstvu pravosuđa Ruske Federacije od 18. decembra 1995. godine, registarski broj 997).

2. "Evropski sporazum o međunarodnom drumskom prevozu opasnih materija" (ADR), kojem je Rusija zvanično pristupila 28. aprila 1994. (Uredba Vlade Ruske Federacije od 03.02.1994. br. 76).

3. "Pravila puta" (SDA 2006), odnosno član 23.5, kojim se utvrđuje da se "Prevoz ... opasnih materija ... obavlja u skladu sa posebnim pravilima."

4. "Zakonik Ruske Federacije o administrativnim prekršajima", član 12.21, dio 2, predviđa odgovornost za kršenje pravila za prijevoz opasnih tvari u obliku "administrativne kazne za vozače u iznosu od jednog do trostruku minimalnu zaradu ili lišenje prava upravljanja vozilima u trajanju od jednog do tri mjeseca, za službena lica zadužena za poslove saobraćaja - od deset do dvadeset minimalne zarade.

U skladu sa stavom 3. stava 1.2. „Pravila se ne primjenjuju na ... prevoz ograničenog broja opasnih materija na jednom vozilu čiji se prijevoz može smatrati prijevozom neopasne robe“. Takođe se pojašnjava da je "Ograničena količina opasnog tereta definisana u zahtjevima za bezbjedan transport određene vrste opasnog tereta. Prilikom njegovog utvrđivanja moguće je koristiti zahtjeve Evropskog sporazuma o međunarodnom prijevozu opasnih tvari. (ADR)". Dakle, pitanje maksimalne količine supstanci koje se mogu transportovati kao neopasne robe svodi se na proučavanje odeljka 1.1.3 ADR-a, koji uspostavlja izuzeća od evropskih pravila za transport opasnih materija povezana sa različitim okolnostima.

Tako, na primjer, u skladu sa stavom 1.1.3.1 „Odredbe ADR-a ne primjenjuju se ... na prijevoz opasnih tvari od strane privatnih osoba kada je ta roba pakirana za maloprodaju i namijenjena je za ličnu potrošnju, upotrebu u svakodnevnom životu, slobodnom vremenu ili sportu, ako se poduzmu mjere za sprječavanje curenja sadržaja u normalnim uvjetima prijevoza."

Međutim, grupa izuzeća koja je formalno priznata pravilima za prevoz opasnih materija su izuzeća koja se odnose na količine koje se prevoze u jednoj transportnoj jedinici (tačka 1.1.3.6).

Svi gasovi su svrstani u drugu klasu supstanci prema ADR klasifikaciji. Nezapaljivi, neotrovni gasovi (grupe A - neutralni i O - oksidirajući) pripadaju trećoj transportnoj kategoriji, sa maksimalnom ograničenjem količine od 1000 jedinica. Zapaljivo (grupa F) - do drugog, sa maksimalnim ograničenjem od 333 jedinice. Pod "jedinicom" se ovdje podrazumijeva 1 litar kapaciteta posude koja sadrži komprimirani plin, odnosno 1 kg ukapljenog ili otopljenog plina. Dakle, maksimalna količina gasova koja se može transportovati u jednoj transportnoj jedinici kao neopasan teret je sledeća:

Helijum je zaista plemenit gas. Još ga nije bilo moguće natjerati da uđe u bilo kakve reakcije. Molekul helijuma je jednoatomski.

Po lakoći, ovaj gas je drugi posle vodonika, vazduh je 7,25 puta teži od helijuma.

Helijum je skoro nerastvorljiv u vodi i drugim tečnostima. I na isti način, niti jedna supstanca se primjetno ne otapa u tekućem heliju.

Čvrsti helijum se ne može dobiti na bilo kojoj temperaturi osim ako se ne poveća pritisak.

U istoriji otkrića, istraživanja i primjene ovog elementa nalaze se imena mnogih istaknutih fizičara i hemičara iz različitih zemalja. Zainteresovali su se za helijum, radili sa helijumom: Jansen (Francuska), Lockyer, Ramsay, Crookes, Rutherford (Engleska), Palmieri (Italija), Keesom, Camerling-Onnes (Holandija), Feynman, Onsager (SAD), Kapitsa, Kikoin , Landau (Sovjetski Savez) i mnogi drugi istaknuti naučnici.

Jedinstvenost izgleda atoma helija određena je kombinacijom dvije nevjerojatne prirodne strukture u njemu - apsolutnih šampiona u pogledu kompaktnosti i snage. U jezgru helijuma, helijum-4, obje intranuklearne ljuske su zasićene - i proton i neutron. Elektronski dublet koji uokviruje ovo jezgro je također zasićen. U ovim dizajnima - ključ za razumijevanje svojstava helijuma. Otuda njegova fenomenalna hemijska inertnost i rekordno mala veličina njegovog atoma.

Uloga jezgra atoma helija - alfa čestica u povijesti nastanka i razvoja nuklearne fizike je ogromna. Ako se sjećate, upravo je proučavanje raspršivanja alfa čestica dovelo Rutherforda do otkrića atomskog jezgra. Kada je azot bombardovan alfa česticama, međusobna konverzija elemenata je izvršena po prvi put - nešto o čemu su mnoge generacije alhemičara sanjale vekovima. Istina, u ovoj reakciji nije se živa pretvorila u zlato, već dušik u kisik, ali to je gotovo jednako teško učiniti. Iste alfa čestice bile su uključene u otkriće neutrona i proizvodnju prvog umjetnog izotopa. Kasnije su kurijum, berkelijum, kalifornij i mendelevijum sintetizovani pomoću alfa čestica.

Ove činjenice smo naveli samo sa jednom svrhom - da pokažemo da je element #2 vrlo neobičan element.

Na velikom balonu... Helijum se koristi za pripremu smeša za disanje, uključujući i one za atmosferu naseljenih letelica, za duboko morsko ronjenje, kao i za lečenje astme, za punjenje vazdušnih brodova i balona. Nije toksičan, tako da je udisanje malih količina helijuma zajedno sa zrakom potpuno bezopasno.

Kolos sa Rodosa, džinovska statua drevnog boga sunca Heliosa. Element helij otkriven je spektralnom metodom na Suncu i tek kasnije otkriven na Zemlji.

zemaljski helijum

Helijum je neobičan element, a njegova istorija je neobična. Otkriven je u atmosferi Sunca 13 godina ranije nego na Zemlji. Tačnije, jarko žuta D linija otkrivena je u spektru solarne korone, a šta se iza nje krilo postalo je pouzdano poznato tek nakon što je helijum ekstrahovan iz zemaljskih minerala koji sadrže radioaktivne elemente.

Helijum na Suncu su otkrili Francuz J. Jansen, koji je svoja zapažanja izveo u Indiji 19. avgusta 1868. godine, i Englez J.H. Lockyer - 20. oktobar iste godine. Pisma oba naučnika stigla su u Pariz istog dana i pročitana su na sastanku Pariske akademije nauka 26. oktobra u intervalu od nekoliko minuta. Akademici, pogođeni tako čudnom slučajnošću, odlučili su da nokautiraju zlatnu medalju u čast ovog događaja.

Godine 1881. otkriće helijuma u vulkanskim gasovima izvestio je italijanski naučnik Palmieri. Međutim, nekoliko naučnika je ozbiljno shvatilo njegovu poruku, kasnije potvrđenu. Sekundarni zemaljski helijum otkrio je Ramsay 1895.

U zemljinoj kori postoji 29 izotopa, tokom radioaktivnog raspadanja kojih nastaju alfa čestice - visoko aktivna jezgra atoma helijuma visoke energije.

U osnovi, zemaljski helijum nastaje tokom radioaktivnog raspada uranijuma-238, uranijuma-235, torijuma i nestabilnih produkata njihovog raspada. Neuporedivo manje količine helijuma nastaju sporim raspadom samarija-147 i bizmuta. Svi ovi elementi stvaraju samo teški izotop helijuma - 4He, čiji se atomi mogu smatrati ostacima alfa čestica zakopanih u ljusci od dva uparena elektrona - u elektronskom dubletu. U ranim geološkim periodima vjerovatno su postojale i druge prirodno radioaktivne serije elemenata koji su već nestali sa lica Zemlje, zasićujući planetu helijumom. Jedna od njih bila je sada umjetno rekreirana neptunska serija.

Po količini helijuma zarobljenog u stijeni ili mineralu može se suditi o njihovoj apsolutnoj starosti. Ova mjerenja su zasnovana na zakonima radioaktivnog raspada: na primjer, polovina uranijuma-238 pretvara se u helijum i olovo za 4,52 milijarde godina.

Helijum se u zemljinoj kori polako akumulira. Jedna tona granita koji sadrži 2 g uranijuma i 10 g torijuma proizvodi samo 0,09 mg helijuma za milion godina – pola kubnog centimetra. U vrlo malom broju minerala bogatih uranijumom i torijumom, sadržaj helijuma je prilično visok - nekoliko kubnih centimetara helijuma po gramu. Međutim, udio ovih minerala u prirodnoj proizvodnji helijuma je blizu nule, jer su vrlo rijetki.

Prirodna jedinjenja koja sadrže alfa aktivne izotope su samo primarni izvor, ali ne i sirovina za industrijsku proizvodnju helija. Istina, neki minerali guste strukture - autohtoni metali, magnetit, granat, apatit, cirkon i drugi - čvrsto drže helijum koji se nalazi u njima. Međutim, većina minerala na kraju prolazi kroz procese trošenja, rekristalizacije itd., a helijum ih napušta.

Mjehurići helijuma oslobođeni iz kristalnih struktura krenuli su na putovanje kroz zemljinu koru. Vrlo mali dio njih se rastvara u podzemnim vodama. Formiranje više ili manje koncentrisanih rastvora helijuma zahteva posebne uslove, prvenstveno visoke pritiske. Drugi dio nomadskog helijuma ulazi u atmosferu kroz pore i pukotine minerala. Preostali molekuli plina padaju u podzemne zamke, gdje se akumuliraju desetinama, stotinama miliona godina. Zamke su slojevi rastresitih stijena, čije su praznine ispunjene plinom. Podloga za takve rezervoare plina je obično voda i nafta, a odozgo su blokirani plinootpornim slojevima gustih stijena.

Budući da u zemljinoj kori lutaju i drugi plinovi (uglavnom metan, dušik, ugljični dioksid), i, osim toga, u mnogo većim količinama, nema čisto helijuma. Helijum je prisutan u prirodnim gasovima kao manja nečistoća. Njegov sadržaj ne prelazi hiljadite, stotinke, rijetko - desetine procenta. Veliki (1,5...10%) sadržaj helijuma u metan-azotnim naslagama je izuzetno rijedak fenomen.

Simbol elementa napravljen od cijevi za plinsko pražnjenje napunjenih helijumom. Helij svijetli svijetlom bojom breskve kada se kroz njega prođe električna struja.

Ispostavilo se da su prirodni plinovi praktično jedini izvor sirovina za industrijsku proizvodnju helijuma. Za odvajanje od drugih plinova koristi se izuzetna hlapljivost helijuma povezana s njegovom niskom temperaturom ukapljivanja. Nakon što se sve ostale komponente prirodnog gasa kondenzuju dubokim hlađenjem, gas helijum se ispumpava. Zatim se čisti od nečistoća. Čistoća fabričkog helijuma dostiže 99,995%.

Rezerve helijuma na Zemlji procjenjuju se na 5 1014 m3; sudeći po proračunima, formiran je u zemljinoj kori više od 2 milijarde godina deset puta više. Ovaj nesklad između teorije i prakse je razumljiv. Helijum je lagan gas i, poput vodonika (iako sporije), ne izlazi iz atmosfere u svemir. Vjerovatno je tokom postojanja Zemlje helijum naše planete više puta ažuriran - stari je pobjegao u svemir, a umjesto njega, svježi - koji je Zemlja "izdahnula" ušao je u atmosferu.

U litosferi ima najmanje 200.000 puta više helijuma nego u atmosferi; još više potencijalnog helijuma pohranjeno je u "materici" Zemlje - u alfa aktivnim elementima. Ali ukupan sadržaj ovog elementa u Zemlji i atmosferi je mali. Helijum je rijedak i difuzan plin. Za 1 kg zemaljskog materijala ima samo 0,003 mg helijuma, a njegov sadržaj u zraku je 0,00052 zapreminskih posto. Tako niska koncentracija još uvijek ne dozvoljava ekonomično izdvajanje helijuma iz zraka.

Helij nastaje iz vodika kao rezultat termonuklearne reakcije. Termonuklearne reakcije su izvor energije za naše Sunce i mnoge milijarde drugih zvijezda.

Helijum u svemiru

Utroba i atmosfera naše planete siromašni su helijumom. Ali to ne znači da to nije dovoljno svuda u Univerzumu. Prema savremenim procjenama, 76% kosmičke mase je vodonik i 23% helijum; samo 1% ostaje na svim ostalim elementima! Stoga se svjetska materija može nazvati vodonik-helijum. Ova dva elementa dominiraju u zvijezdama, planetarnim maglinama i međuzvjezdanom plinu.

Rice. 1. Krivulje obilja elemenata na Zemlji (gore) iu svemiru.

"Kosmička" kriva odražava izuzetnu ulogu vodonika i helijuma u svemiru i poseban značaj helijske grupe u strukturi atomskog jezgra. Najveću relativnu zastupljenost imaju oni elementi i njihovi izotopi čiji je maseni broj djeljiv sa četiri: 16O, 20Ne, 24Mg itd.

Verovatno sve planete Sunčevog sistema sadrže radiogeni (nastao tokom alfa raspada) helijum, a velike planete sadrže i reliktni helijum iz svemira. Helijum je u izobilju zastupljen u atmosferi Jupitera: prema nekim podacima, tamo ga ima 33%, prema drugima - 17%. Ovo otkriće činilo je osnovu zapleta jedne od priča poznatog naučnika i pisca naučne fantastike A. Azimova. U središtu priče je plan (možda izvodljiv u budućnosti) za isporuku helijuma sa Jupitera, ili čak do najbližeg satelita ove planete - Jupitera V - armade kibernetičkih mašina na kriotronima (o njima - ispod). Uronjene u tečni helijum Jupiterove atmosfere (ultraniske temperature i supravodljivost neophodni su uslovi za rad kriotrona), ove mašine će pretvoriti Jupiter V u moždani centar Sunčevog sistema...

Porijeklo zvjezdanog helijuma su 1938. godine objasnili njemački fizičari Bethe i Weizsacker. Kasnije je njihova teorija dobila eksperimentalnu potvrdu i usavršavanje uz pomoć akceleratora čestica. Njegova suština je sljedeća.

Jezgra helijuma se sintetiziraju na zvjezdanim temperaturama iz protona u procesu fuzije koji oslobađa 175 miliona kilovat-sati energije za svaki kilogram helijuma.

Različiti ciklusi reakcija mogu dovesti do fuzije helijuma.

U uslovima ne baš vrućih zvezda, kao što je naše Sunce, čini se da proton-protonski ciklus preovlađuje. Sastoji se od tri uzastopne transformacije. Prvo, dva protona se kombinuju velikom brzinom i formiraju deuteron – strukturu protona i neutrona; u ovom slučaju, pozitron i neutrino su razdvojeni. Nadalje, deuteron se kombinuje sa protonom da bi se formirao lagani helijum uz emisiju gama kvanta. Konačno, dva 3He jezgra reaguju, pretvarajući se u alfa česticu i dva protona. Alfa čestica, koja je stekla dva elektrona, tada će postati atom helija.

Isti konačni rezultat daje brži ciklus ugljik-azot, čiji značaj nije veliki u solarnim uvjetima, ali na zvijezdama toplijim od Sunca uloga ovog ciklusa je pojačana. Sastoji se od šest koraka – reakcija. Ugljik ovdje igra ulogu katalizatora za proces fuzije protona. Energija koja se oslobađa tokom ovih transformacija je ista kao u ciklusu proton-proton - 26,7 MeV po atomu helijuma.

Reakcija fuzije helija je osnova energetske aktivnosti zvijezda, njihovog sjaja. Shodno tome, sinteza helijuma se može smatrati praocem svih reakcija u prirodi, osnovnim uzrokom života, svjetlosti, topline i meteoroloških pojava na Zemlji.

Helijum nije uvijek krajnji proizvod fuzije zvijezda. Prema teoriji profesora D.A. Frank-Kamenetsky, uzastopna fuzija jezgri helijuma proizvodi 3Be, 12C, 16O, 20Ne, 24Mg, a hvatanje protona ovim jezgrama dovodi do stvaranja drugih jezgara. Za sintezu jezgara teških elemenata do transuranija potrebne su izuzetne supervisoke temperature koje se razvijaju na nestabilnim "novim" i "supernovim" zvijezdama.

Poznati sovjetski hemičar A.F. Kapustinski je vodonik i helijum nazvao protoelementima - elementima primarne materije. Nije li to prvenstvo ono što objašnjava poseban položaj vodonika i helijuma u periodičnom sistemu elemenata, a posebno činjenicu da je prvi period u suštini lišen periodičnosti karakteristične za druge periode?

Atomska struktura helijuma

Najbolji...

Atom helija (aka molekula) je najjača od molekularnih struktura. Orbite njegova dva elektrona su potpuno iste i prolaze izuzetno blizu jezgra. Da biste otkrili jezgro helijuma, potrebno je potrošiti rekordno visoku energiju - 78,61 MeV. Otuda fenomenalna hemijska pasivnost helijuma.

U proteklih 15 godina, hemičari su uspjeli dobiti više od 150 hemijskih spojeva teških plemenitih plinova (jedinjenja teških plemenitih plinova će biti razmatrana u člancima "Kripton" i "Ksenon"). Međutim, inertnost helijuma ostaje, kao i prije, izvan sumnje.

Proračuni pokazuju da ako bi se pronašao način da se dobije, recimo, fluorid ili helijum oksid, onda bi tokom formiranja apsorbovali toliko energije da bi nastale molekule "eksplodirale" tom energijom iznutra.

Molekuli helija su nepolarni. Sile međumolekularne interakcije između njih su izuzetno male - manje nego u bilo kojoj drugoj tvari. Otuda - najniže vrednosti kritičnih veličina, najniža tačka ključanja, najniže toplote isparavanja i topljenja. Što se tiče tačke topljenja helijuma, pri normalnom pritisku ona uopšte ne postoji. Tečni helijum na temperaturi proizvoljno blizu apsolutne nule ne očvršćava se ako je, pored temperature, podvrgnut pritisku od 25 ili više atmosfera. Ne postoji druga takva supstanca u prirodi.

Ne postoji ni jedan drugi gas tako zanemarljivo rastvorljiv u tečnostima, posebno polarnim, i tako malo sklon adsorpciji, kao helijum. Najbolji je provodnik struje među gasovima i drugi, posle vodonika, provodnik toplote. Njegov toplotni kapacitet je veoma visok, a viskozitet nizak.

Helijum neverovatno brzo prodire kroz tanke pregrade napravljene od nekih organskih polimera, porcelana, kvarca i borosilikatnog stakla. Zanimljivo je da helijum difundira kroz meko staklo 100 puta sporije nego kroz borosilikatno staklo. Helijum takođe može da prodre u mnoge metale. Samo željezo i metali platinske grupe, čak i vrući, potpuno su neprobojni za njega.

Nova metoda za izdvajanje čistog helijuma iz prirodnog gasa zasniva se na principu selektivne permeabilnosti.

Naučnici pokazuju izuzetno interesovanje za tečni helijum. Prvo, to je najhladnija tečnost u kojoj se, osim toga, nijedna tvar ne otapa primjetno. Drugo, to je najlakša tečnost sa minimalnom površinskom napetosti.

Na temperaturi od 2,172°K dolazi do nagle promjene u svojstvima tečnog helijuma. Nastala vrsta je konvencionalno nazvana helijum II. Helij II ključa sasvim drugačije od ostalih tekućina, ne ključa pri ključanju, njegova površina ostaje potpuno mirna. Helijum II provodi toplotu 300 miliona puta bolje od običnog tečnog helijuma (helijum I). Viskozitet helijuma II je praktički nula, hiljadu puta je manji od viskoziteta tečnog vodonika. Dakle, helijum II ima superfluidnost - sposobnost da teče bez trenja kroz kapilare proizvoljno malog prečnika.

Drugi stabilni izotop helijuma, 3He, prelazi u superfluidno stanje na temperaturi koja je samo stoti dio stepena udaljena od apsolutnog metka. Superfluidni helijum-4 i helijum-3 nazivaju se kvantne tečnosti: kvantno-mehanički efekti se pojavljuju u njima čak i prije nego što se stvrdnu. Ovo objašnjava veoma detaljno proučavanje tečnog helijuma. A sada ga proizvode mnogo - stotine hiljada litara godišnje. Ali čvrsti helijum jedva da je proučavan: eksperimentalne poteškoće u proučavanju ovog veoma hladnog tela su velike. Ova praznina će nesumnjivo biti popunjena, jer fizičari očekuju mnogo novih stvari od poznavanja svojstava čvrstog helijuma: na kraju krajeva, i on je kvantno tijelo.

Helijumski cilindri

Inertan ali veoma potreban

Krajem prošlog stoljeća engleski časopis Punch objavio je crtani film u kojem je helijum prikazan kao lukavo namigujući čovjek - stanovnik Sunca. Tekst ispod slike je glasio: „Konačno su me uhvatili na Zemlji! Prošlo je dovoljno dugo! Pitam se koliko će proći dok ne shvate šta da rade sa mnom?”

Zaista, prošle su 34 godine od otkrića zemaljskog helijuma (prvi izvještaj o tome objavljen je 1881.) prije nego što je našao praktičnu primjenu. Određenu ulogu ovdje su igrala izvorna fizička, tehnička, električna i, u manjoj mjeri, kemijska svojstva helijuma, koja su zahtijevala dugo proučavanje. Glavne prepreke bile su rasejanost i visoka cijena elementa br. 2.

Nemci su prvi upotrijebili helijum. Godine 1915. počeli su da pune svoje vazdušne brodove bombardujući London njime. Ubrzo je lagani, ali nezapaljivi helijum postao nezamjenjivo punilo za aeronautička vozila. Pad industrije vazdušnih brodova, koji je počeo sredinom 1930-ih, doveo je do blagog pada proizvodnje helijuma, ali samo na kratko. Ovaj gas je sve više privlačio pažnju hemičara, metalurga i proizvođača mašina.

Mnogi tehnološki procesi i operacije se ne mogu izvoditi u zraku. Da bi se izbjegla interakcija rezultirajuće tvari (ili sirovine) s plinovima iz zraka, stvaraju se posebna zaštitna okruženja; a za ove svrhe ne postoji pogodniji gas od helijuma.

Helijumski cilindri

Inertan, lagan, pokretljiv, dobar provodnik toplote, helijum je idealno sredstvo za prenošenje zapaljivih tečnosti i praha iz jedne posude u drugu; upravo te funkcije obavlja u raketama i vođenim projektilima. U okruženju zaštitnom heliju, odvijaju se odvojene faze dobijanja nuklearnog goriva. Gorivi elementi nuklearnih reaktora skladište se i transportuju u kontejnerima napunjenim helijumom.

Uz pomoć specijalnih detektora curenja, čije se djelovanje zasniva na izuzetnoj difuzionoj sposobnosti helijuma, otkrivaju i najmanju mogućnost curenja u nuklearnim reaktorima i drugim sistemima pod pritiskom ili vakuumom.

Posljednje godine obilježen je ponovnim usponom dirižabstva, sada na višoj naučno-tehničkoj osnovi. U nizu zemalja izgrađeni su i grade se vazdušni brodovi sa punjenjem helijuma nosivosti od 100 do 3000 tona koji su ekonomični, pouzdani i pogodni za transport kabastih tereta, kao što su gasovodi, rafinerije nafte, tornjevi za prenos električne energije , itd. Punjenje sa 85% helijuma i 15% vodonika je otporno na vatru i smanjuje podizanje samo za 7% u poređenju sa punjenjem vodonikom.

Počeli su raditi visokotemperaturni nuklearni reaktori novog tipa, u kojima helijum služi kao rashladno sredstvo.

Tečni helijum se široko koristi u naučnim istraživanjima i inženjerstvu. Ultraniske temperature favorizuju dubinsko poznavanje materije i njene strukture – na višim temperaturama, fini detalji energetskih spektra su maskirani toplotnim kretanjem atoma.

Već postoje supravodljivi solenoidi od specijalnih legura koji stvaraju jaka magnetna polja (do 300.000 ersteda) na temperaturi tekućeg helijuma uz zanemarljivu potrošnju energije.

Na temperaturi tekućeg helijuma, mnogi metali i legure postaju supravodnici. Superprovodni releji - kriotroni se sve više koriste u dizajnu elektronskih računara. Jednostavni su, pouzdani, vrlo kompaktni. Superprovodnici, a sa njima i tečni helijum, postaju neophodni za elektroniku. Uključeni su u dizajn detektora infracrvenog zračenja, molekularnih pojačivača (mazera), optičkih kvantnih generatora (lasera) i uređaja za mjerenje mikrovalnih frekvencija.

Naravno, ovi primjeri ne iscrpljuju ulogu helijuma u modernoj tehnologiji. Ali da nije bilo ograničenih prirodnih resursa, ne ekstremne disperzije helijuma, on bi našao mnogo više primjena. Poznato je, na primjer, da prehrambeni proizvodi, kada se čuvaju u okruženju helijuma, zadržavaju svoj izvorni okus i aromu. Ali „helijum“ konzervirana hrana je i dalje „stvar za sebe“, jer helijum nije dovoljan i koristi se samo u najvažnijim industrijama i gde je neophodan. Stoga je posebno uvredljivo shvatiti da sa zapaljivim prirodnim gasom mnogo veće količine helijuma prolaze kroz aparate za hemijsku sintezu, peći i peći i odlaze u atmosferu od onih koje se izdvajaju iz izvora koji sadrže helijum.

Sada se smatra korisnim izdvajati helijum samo u slučajevima kada njegov sadržaj u prirodnom gasu nije manji od 0,05%. Zalihe takvog gasa se sve vreme smanjuju, a moguće je da će biti iscrpljene do kraja našeg veka. Međutim, problem “nedostatka helija” će vjerovatno biti riješen do tada – dijelom zbog stvaranja novih, naprednijih metoda za odvajanje plinova, izdvajanja najvrednijih, iako beznačajnih frakcija iz njih, a dijelom zbog kontrolirane termonuklearne fuzije. . Helijum će biti važan, iako nusproizvod, proizvod "vještačkog sunca".

Helijumska cijev

Izotopi helijuma

U prirodi postoje dva stabilna izotopa helijuma: helijum-3 i helijum-4. Laki izotop je milion puta rjeđi na Zemlji od teškog izotopa. To je najrjeđi od stabilnih izotopa koji postoje na našoj planeti. Još tri izotopa helijuma su umjetno dobivena. Svi su radioaktivni. Poluživot helijuma-5 je 2,4 10-21 sekundu, helijuma-6 je 0,83 sekunde, helijuma-8 je 0,18 sekundi. Najteži izotop, zanimljiv po tome što u njegovim jezgrama ima tri neutrona po protonu, prvi put je otkriven u Dubni 60-ih godina. Pokušaji da se dobije helijum-10 do sada su bili neuspješni.

Poslednji čvrsti gas

Helijum je bio poslednji od svih gasova koji je pretvoren u tečno i čvrsto stanje. Posebne poteškoće ukapljivanja i očvršćavanja helijuma objašnjavaju se strukturom njegovog atoma i nekim karakteristikama njegovih fizičkih svojstava. Konkretno, helijum, poput vodonika, na temperaturama iznad -250°C, šireći se, ne hladi se, već se zagrijava. S druge strane, kritična temperatura helijuma je izuzetno niska. Zato je tečni helijum prvi put dobijen tek 1908. godine, a čvrsti - 1926. godine.

helijumski vazduh

Vazduh u kojem je cijeli ili veći dio dušika zamijenjen helijumom danas više nije novost. Široko se koristi na kopnu, pod zemljom i pod vodom.

Helijumski vazduh je tri puta lakši i mnogo pokretniji od običnog vazduha. Ponaša se aktivnije u plućima - brzo unosi kisik i brzo evakuiše ugljični dioksid. Zato se helijum vazduh daje pacijentima sa respiratornim smetnjama i nekim operacijama. Ublažava gušenje, liječi bronhijalnu astmu i bolesti larinksa.

Udisanje helijumskog vazduha praktično eliminiše azotnu emboliju (kesonsku bolest), kojoj su podložni ronioci i specijalisti drugih profesija, čiji se rad odvija u uslovima visokog pritiska, prilikom prelaska sa visokog pritiska na normalan. Uzrok ove bolesti je prilično značajan, posebno kod visokog krvnog pritiska, rastvorljivosti azota u krvi. Kako pritisak pada, oslobađa se u obliku mjehurića plina koji mogu začepiti krvne žile, oštetiti nervne čvorove... Za razliku od azota, helijum je praktično nerastvorljiv u tjelesnim tekućinama, pa ne može izazvati dekompresijsku bolest. Osim toga, helijumski zrak eliminira pojavu "azotne anestezije", spolja slične alkoholnoj intoksikaciji.

Prije ili kasnije, čovječanstvo će morati naučiti kako živjeti i raditi dugo na morskom dnu kako bi ozbiljno iskoristilo mineralne i prehrambene resurse šelfa. A na velikim dubinama, kao što su pokazali eksperimenti sovjetskih, francuskih i američkih istraživača, helijumski zrak je još uvijek neophodan. Biolozi su dokazali da produženo disanje helijumskim zrakom ne uzrokuje negativne promjene u ljudskom tijelu i ne prijeti promjenama u genetskom aparatu: atmosfera helija ne utječe na razvoj stanica i učestalost mutacija. Postoje radovi čiji autori smatraju da je helijumski vazduh optimalan vazdušni medij za letelice koje obavljaju dugotrajne letove u Univerzum. Ali do sada se umjetni helijumski zrak još nije izdigao izvan Zemljine atmosfere.

Asteroid (895) Helio, otkriven 1918. godine, dobio je ime po helijumu.

Svijet oko nas sastoji se od ~ 100 različitih hemijskih elemenata. Kako su nastali u prirodnim uslovima? Nagoveštaj za odgovor na ovo pitanje daje relativno obilje hemijskih elemenata. Među najznačajnijim karakteristikama obilja hemijskih elemenata u Sunčevom sistemu mogu se izdvojiti sledeće.

1. Materija u svemiru se uglavnom sastoji od vodonika H - ~ 90% svih atoma.
2. U pogledu zastupljenosti, helijum He je na drugom mestu, čineći oko 10% broja atoma vodonika.
3. Postoji duboki minimum koji odgovara hemijskim elementima litijum Li, berilijum Be i bor B.
4. Neposredno nakon dubokog minimuma Li, Be, B, slijedi maksimum zbog povećane količine ugljika C i kisika O.
5. Nakon maksimuma kiseonika dolazi do naglog pada količine elemenata sve do skandijuma (A = 45).
6. Dolazi do naglog povećanja zastupljenosti elemenata u oblasti gvožđa A = 56 (grupa gvožđa).
7. Nakon A = 60, smanjenje broja elemenata se odvija lakše.
8. Primetna je razlika između hemijskih elemenata sa parnim i neparnim brojem protona Z. Po pravilu, hemijski elementi sa ravnomernim Z su češći.

Nuklearne reakcije u svemiru

t = 0		Veliki prasak. Rođenje svemira
t = 10 -43 s		Era kvantne gravitacije. žice ρ = 10 90 g/cm 3 , T = 10 32 K
t = 10 - 35 s		Kvark-gluonski medij ρ = 10 75 g/cm 3 , T = 10 28 K
t = 1 µs		Kvarkovi se kombinuju i formiraju neutrone i protone ρ = 10 17 g/cm 3 , T = 6 10 12 K
t = 100 s		Formiranje predzvezdanog 4 He ρ = 50 g/cm 3 , T = 10 9 K
t = 380 hiljada godina		Formiranje neutralnih atoma ρ = 0,5 10 -20 g/cm 3 , T = 3 10 3 K
t = 10 8 godina	Prve zvezde	Spaljivanje vodonika u zvijezdama ρ = 10 2 g / cm 3, T = 2 10 6 K Gorući helijum u zvezdama ρ = 10 3 g/cm 3 , T = 2 10 8 K Sagorevanje ugljenika u zvezdama ρ = 10 5 g / cm 3, T = 8 10 8 K Sagorevanje kiseonika u zvezdama ρ = 10 5 ÷10 6 g/cm 3 , T = 2 10 9 K Gori silicijum u zvezdama ρ = 10 6 g/cm 3 , T = (3÷5) 10 9 K
t = 13,7 milijardi godina		Moderni univerzum ρ = 10 -30 g / cm 3, T = 2,73 K

Predzvjezdana nukleosinteza. Obrazovanje 4 On

Kosmološka sinteza helijuma je glavni mehanizam njegovog formiranja u Univerzumu. Sinteza helijuma iz vodonika u zvijezdama povećava maseni udio 4 He u barionskoj materiji za oko 10%. Mehanizam predzvjezdanog formiranja helijuma kvantitativno objašnjava rasprostranjenost helijuma u Univerzumu i snažan je argument u korist predgalaktičke faze njegovog formiranja i cijelog koncepta Velikog praska.
Kosmološka nukleosinteza omogućava da se objasni rasprostranjenost u svemiru lakih jezgara kao što su deuterijum (2 H), izotopi 3 He i 7 Li. Međutim, njihov broj je zanemariv u odnosu na jezgra vodonika i 4 He. U odnosu na vodonik, deuterijum nastaje u količini od 10 -4 -10 -5, 3 He - u količini od ≈ 10 -5, a 7 Li - u količini od ≈ 10 -10.
Da bi objasnio formiranje hemijskih elemenata 1948. G. Gamow je izneo teoriju Velikog praska. Prema Gamowovom modelu, sinteza svih hemijskih elemenata dogodila se tokom Velikog praska kao rezultat neravnotežnog hvatanja neutrona atomskim jezgrama sa emisijom γ-kvanta i naknadnim β - raspadom formiranih jezgara. Međutim, proračuni su pokazali da je nemoguće objasniti nastanak hemijskih elemenata težih od Li u ovom modelu. Pokazalo se da mehanizam formiranja lakih jezgara (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.

Predzvezdani stadij formiranja najlakših jezgara. U fazi evolucije Univerzuma 100 s nakon Velikog praska na temperaturi od ~ 10 9 K, materija u Univerzumu se sastojala od protona p, neutrona n, elektrona e-, pozitrona e+, neutrina ν, antineutrina i fotona γ. Zračenje je bilo u termalnoj ravnoteži sa elektronima e-, pozitronima e+ i nukleonima.

U uslovima termodinamičke ravnoteže, verovatnoća formiranja sistema sa energijom EN jednakom energiji mirovanja nukleona opisuje se Gibbsovom raspodelom . Dakle, u uslovima termodinamičke ravnoteže, odnos između broja neutrona i protona će biti određen razlikom u masama neutrona i protona

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

Glavne reakcije predzvjezdane nukleosinteze su:

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

Pošto su stabilna jezgra sa ALI = 5 ne postoji, nuklearne reakcije završavaju uglavnom stvaranjem 4He. 7 Be, 6 Li i 7 Li čine samo ~ 10–9 – 10–12 formiranja izotopa 4 He. Gotovo svi neutroni nestaju, formirajući 4He jezgra. Kod gustine supstance ρ ~ 10–3 – 10–4 g/cm 3 verovatnoća da neutron i proton ne interaguju tokom primarne nukleosinteze je manja od 10–4. Pošto je na početku bilo 5 protona po neutronu, odnos između broja jezgara 4 He i p bi trebao biti ~1/10. Dakle, odnos obilja vodonika i helijuma, uočen u ovom trenutku, formiran je tokom prvih minuta postojanja Univerzuma. Širenje Univerzuma dovelo je do smanjenja njegove temperature i prekida primarne predzvjezdane nukleosinteze.

Formiranje hemijskih elemenata u zvezdama. Kako je proces nukleosinteze u ranoj fazi evolucije Univerzuma završio formiranjem vodonika, helijuma i male količine Li, Be, B, bilo je potrebno pronaći mehanizme i uslove pod kojima bi se mogli formirati teži elementi. .
G. Bethe i K. Weizsäcker su pokazali da odgovarajući uslovi postoje unutar zvijezda. Teža jezgra su nastala samo milijardama godina nakon Velikog praska u procesu evolucije zvijezda. Formiranje hemijskih elemenata u zvezdama počinje sagorevanjem vodonika da bi se formirao 4 He .

G. Bethe, 1968: „Od pamtiveka ljudi su želeli da znaju šta održava sunce da sija. Prvi pokušaj naučnog objašnjenja napravio je Helmholtz prije stotinjak godina. Zasnovala se na korištenju najpoznatijih sila u to vrijeme - sila univerzalne gravitacije. Ako jedan gram materije padne na površinu Sunca, ona dobija potencijalnu energiju

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

Poznato je da je trenutno snaga zračenja Sunca određena vrijednošću

ε = 1,96 erg/g s.

Stoga, ako je gravitacija izvor energije, zaliha gravitacijske energije može osigurati zračenje za 10 15 s, tj. u periodu od oko trideset miliona godina...
Krajem 19. vijeka, Becquerel, Pierre i Marie Curie su otkrili radioaktivnost. Otkriće radioaktivnosti omogućilo je određivanje starosti Zemlje. Nešto kasnije bilo je moguće odrediti starost meteorita, po čemu se moglo suditi kada se materija pojavila u Sunčevom sistemu u čvrstoj fazi. Iz ovih mjerenja bilo je moguće utvrditi da je starost Sunca, sa tačnošću od 10%, 5 milijardi godina. Dakle, gravitacija ne može obezbijediti potrebnu zalihu energije za sve ovo vrijeme...
Od početka 30-ih godina počeli su se naginjati činjenici da je zvjezdana energija nastala zbog nuklearnih reakcija ... Najjednostavnija od svih mogućih reakcija bit će reakcija

H + H → D + e + + v.

Budući da je proces primarne nukleosinteze završio uglavnom formiranjem jezgri 4 He kao rezultat interakcijskih reakcija p + n, d + d, d + 3 He, d + 3 H i svi neutroni su potrošeni, bilo je potrebno pronaći uslovi pod kojima su nastali teži elementi . Godine 1937. G. Bethe je stvorio teoriju koja objašnjava porijeklo energije Sunca i zvijezda kao rezultat reakcija fuzije jezgara vodika i helijuma koje se javljaju u centru zvijezda. Kako u centru zvijezda nije bilo dovoljno neutrona za reakcije tipa p + n, u njima su se mogle nastaviti samo reakcije
p + p → d + e + + v. Ove reakcije su se odvijale u zvijezdama kada je temperatura u centru zvijezde dostigla 10 7 K, a gustina 10 5 kg/m 3 . Činjenica da je reakcija p + p → d + e + + ν nastala kao rezultat slabe interakcije objasnila je karakteristike Hertzsprung-Russell dijagrama.

Nobelova nagrada za fiziku
1967 − G. Bethe
Za doprinos teoriji nuklearnih reakcija, a posebno za otkriće izvora energije zvijezda.

Napravivši razumne pretpostavke o jačini reakcija, na osnovu opštih principa nuklearne fizike, otkrio sam 1938. da ciklus ugljenik-azot može obezbediti neophodno oslobađanje energije na Suncu... Ugljik služi samo kao katalizator; rezultat reakcije je kombinacija četiri protona i dva elektrona koji formiraju jezgro 4 He . U ovom procesu emituju se dva neutrina koji sa sobom nose oko 2 MeV energije. Preostala energija od oko 25 MeV po ciklusu se oslobađa i održava temperaturu Sunca nepromijenjenom... To je bila osnova na kojoj su Fowler i drugi izračunali brzine reakcije u (C, N)-ciklusu.”.

Spaljivanje vodonika. Moguća su dva različita niza reakcija sagorevanja vodonika - pretvaranje četiri jezgra vodika u jezgro od 4 He, koje može osigurati dovoljno oslobađanja energije za održavanje sjaja zvijezde:

• proton-protonski lanac (pp-lanac), u kojem se vodonik pretvara direktno u helijum;
• ciklus ugljenik-azot-kiseonik (CNO-ciklus), u kojem kao katalizatori učestvuju jezgra C, N i O.

Koja od ove dvije reakcije igra značajniju ulogu ovisi o temperaturi zvijezde. U zvijezdama s masom koja je uporediva sa Sunčevom ili manjom, dominira proton-protonski lanac. U masivnijim zvijezdama s višim temperaturama, glavni izvor energije je CNO ciklus. U ovom slučaju, naravno, neophodno je da u sastavu zvezdane materije budu prisutna jezgra C, N i O. Temperatura unutrašnjih slojeva Sunca je 1,5∙10 7 K, a proton-protonski lanac igra dominantnu ulogu u oslobađanju energije.

Temperaturna ovisnost logaritma brzine V oslobađanja energije u ciklusima vodika (pp) i ugljika (CNO)

Spaljivanje vodonika. Proton-protonski lanac. nuklearna reakcija

p + p → 2 H + e + + v e + Q,

počinje u središnjem dijelu zvijezde pri gustoći od ≈100 g/cm3. Ova reakcija zaustavlja dalju kontrakciju zvijezde. Toplota koja se oslobađa tokom reakcije fuzije vodika stvara pritisak koji se suprotstavlja gravitacionoj kontrakciji i sprečava kolaps zvezde. Dolazi do kvalitativne promjene u mehanizmu oslobađanja energije u zvijezdi. Ako se prije početka nuklearne reakcije sagorijevanja vodika zagrijavanje zvijezde događalo uglavnom zbog gravitacijske kompresije, sada se pojavljuje još jedan dominantni mehanizam - energija se oslobađa uslijed reakcija nuklearne fuzije.

Zvezda dobija stabilnu veličinu i sjaj, koji se za zvezdu čija je masa blizu Sunca, ne menja milijardama godina, pri čemu dolazi do "sagorevanja" vodonika. Ovo je najduža faza evolucije zvijezda. Kao rezultat sagorijevanja vodonika, od svaka četiri jezgra vodika nastaje jedno jezgro helijuma. Najvjerovatniji lanac nuklearnih reakcija na Suncu koji dovode do toga se zove proton-protonski ciklus i izgleda ovako:

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

ili u kompaktnijem obliku

4p → 4He + 2e + 2νe + 24,68 MeV.

Neutrini su jedini izvor informacija o događajima koji se dešavaju u unutrašnjosti Sunca. Spektar neutrina nastalih na Suncu kao rezultat sagorijevanja vodonika u reakciji 4p → 4 He iu CNO ciklusu proteže se od energije od 0,1 MeV do energije od ~12 MeV. Posmatranje solarnih neutrina omogućava direktnu provjeru modela termonuklearnih reakcija na Suncu.
Energija oslobođena kao rezultat pp lanca je 26,7 MeV. Neutrina koje emituje Sunce registrovali su zemaljski detektori, što potvrđuje reakciju fuzije na Suncu.
Spaljivanje vodonika. CNO ciklus. Karakteristika CNO ciklusa je da se, počevši od ugljičnog jezgra, svodi na sekvencijalno vezivanje 4 protona sa formiranjem 4He jezgra na kraju CNO ciklusa.

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 ciklus

Reakcioni lanac 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 min),
13 C + p → 1 4 N + γ (Q = 7,55 MeV),
14 N + p → 15 O + γ (Q = 7,30 MeV),
15 O → 15 N + e + + ν e (Q = 1,73 MeV, T 1/2 = 124 s),
15 N + p → 12 C + 4 He (Q = 4,97 MeV).

Reakcioni lanac 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).

Reakcioni lanac 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 min),
18 O + p → 15 N + α (Q = 3,97 MeV).

Glavno vrijeme evolucije zvijezde povezano je sa izgaranjem vodika. Pri gustoćama tipičnim za središnji dio zvijezde, sagorijevanje vodonika odvija se na temperaturi od (1–3)∙10 7 K. Na ovim temperaturama potrebno je 10 6 – 10 10 godina za značajan dio vodonika u centru zvezde koja se pretvara u helijum. Daljnjim porastom temperature u centru zvijezde mogu nastati teži hemijski elementi Z > 2. Zvijezde glavnog niza sagorevaju vodonik u centralnom dijelu, gdje se zbog više temperature najintenzivnije odvijaju nuklearne reakcije. Kako vodonik izgara u centru zvijezde, reakcija sagorijevanja vodika počinje se kretati prema periferiji zvijezde. Temperatura u centru zvijezde kontinuirano raste, a kada dostigne 10 6 K, počinju reakcije sagorijevanja 4 He. Reakcija 3α → 12 C + γ je najvažnija za nastanak hemijskih elemenata. Zahtijeva istovremeni sudar tri α-čestice i moguć je zbog činjenice da se energija reakcije 8 Be + 4 He poklapa sa rezonancom pobuđenog stanja 12 C. Prisustvo rezonancije naglo povećava vjerovatnoću fuzije tri α-čestice.

Formiranje srednjih jezgara A< 60. Koje će se nuklearne reakcije odvijati u centru zvijezde ovisi o masi zvijezde, koja mora osigurati visoku temperaturu zbog gravitacijske kompresije u centru zvijezde. Budući da su jezgra sa velikim Z sada uključena u reakcije fuzije, centralni dio zvijezde se sve više sabija, temperatura u centru zvijezde raste. Na temperaturama od nekoliko milijardi stepeni uništavaju se prethodno formirana stabilna jezgra, formiraju se protoni, neutroni, α-čestice, visokoenergetski fotoni, što dovodi do stvaranja hemijskih elemenata čitavog Periodnog sistema Mendeljejeva do gvožđa. Formiranje hemijskih elemenata težih od gvožđa nastaje kao rezultat uzastopnog hvatanja neutrona i naknadnog β - raspada.
Formiranje srednjih i teških jezgaraA > 60. U procesu termonuklearne fuzije, atomska jezgra se formiraju u zvijezdama do željeza. Dalja sinteza je nemoguća, jer jezgra grupe gvožđa imaju maksimalnu specifičnu energiju vezivanja. Formiranje težih jezgara u reakcijama s nabijenim česticama - protonima i drugim lakim jezgrama - ometa rastuća Kulonova barijera teških jezgara.

Formiranje elemenata 4 He → 32 Ge.

Evolucija masivne zvijezde M > M

Kao elementi sa rastućim vrijednostima uključeni su u proces sagorijevanja Z temperatura i pritisak u centru zvijezde rastu sve većom brzinom, što zauzvrat povećava brzinu nuklearnih reakcija. Ako za masivnu zvijezdu reakcija sagorijevanja vodonika traje nekoliko miliona godina, tada se gorenje helijuma događa 10 puta brže. Proces sagorevanja kiseonika traje oko 6 meseci, a sagorevanje silicijuma se dešava za jedan dan.
Brojnost elemenata koji se nalaze u regionu iza gvožđa relativno slabo zavisi od masenog broja A. Ovo ukazuje na promenu mehanizma formiranja ovih elemenata. Mora se uzeti u obzir da je većina teških jezgara β - radioaktivan. U stvaranju teških elemenata odlučujuću ulogu imaju reakcije hvatanja neutrona jezgrima (n, γ):

(A, Z) + n → (A+1, Z) + γ.

Kao rezultat lanca naizmjeničnih procesa hvatanja od strane jezgri jednog ili više neutrona, praćenih β - raspadom, maseni brojevi se povećavaju ALI i naplatiti Z jezgra i od početnih elemenata grupe gvožđa nastaju sve teži elementi do kraja periodnog sistema.

U stadijumu supernove, centralni deo zvezde se sastoji od gvožđa i neznatne frakcije neutrona i α-čestica, proizvoda disocijacije gvožđa pod dejstvom γ - kvanti. Near
M/M = 1,5 dominira 28 Si. 20 Ne i 16 O čine većinu supstance u području od 1,6 do 6 M/M. Vanjski omotač zvijezde (M/M > 8) sastoji se od vodonika i helijuma.
U ovoj fazi u nuklearnim procesima ne dolazi samo do oslobađanja energije, već i do njene apsorpcije. Masivna zvijezda gubi stabilnost. Dolazi do eksplozije supernove, u kojoj se značajan dio hemijskih elemenata formiranih u zvijezdi izbacuje u međuzvjezdani prostor. Ako su se zvijezde prve generacije sastojale od vodika i helijuma, onda su u zvijezdama sljedećih generacija već u početnoj fazi nukleosinteze prisutni teži kemijski elementi.

Nuklearne reakcije nukleosinteze. E. Burbidge, G. Burbidzh, V. Fowler, F. Hoyle su 1957. dali sljedeći opis glavnih procesa evolucije zvijezda u kojima se odvija formiranje atomskih jezgara.

1. Sagorevanjem vodonika, kao rezultat ovog procesa, nastaju 4 He jezgra.

Helijum gori. Kao rezultat reakcije 4 He + 4 He + 4 He → 12 C + γ Formira se 12 C jezgara.

2. α-proces. Kao rezultat uzastopnog hvatanja α-čestica, jezgra α-čestica 16 O, 20 Ne, 24 Mg, 28 Si, ...
3. e-proces. Kada se dostigne temperatura od 5∙10 9 K, u zvijezdama se odvija veliki broj različitih reakcija u uvjetima termodinamičke ravnoteže, što rezultira stvaranjem atomskih jezgara do Fe i Ni. Jezgra sa ALI~ 60 su najjače vezana atomska jezgra. Stoga prekidaju lanac reakcija nuklearne fuzije, praćene oslobađanjem energije.
4. s-proces. Jezgra teže od Fe nastaju u reakcijama uzastopnog hvatanja neutrona. Vrlo često se ispostavi da je jezgro koje je uhvatilo neutron β - -radioaktivno. Prije nego što jezgro uhvati sljedeći neutron, ono se može raspasti kao rezultat β - raspada. Svaki β - -raspad povećava serijski broj rezultirajućih atomskih jezgara za jedan. Ako je vremenski interval između uzastopnih hvatanja neutrona veći od perioda β - raspada, proces hvatanja neutrona naziva se s-proces (spor). Dakle, kao rezultat hvatanja neutrona i kasnijih β - raspada, jezgro postaje progresivno teže, ali u isto vrijeme ne odstupa previše od doline stabilnosti na N-Z dijagramu.
5. r-proces. Ako je uzastopna stopa hvatanja neutrona mnogo veća od brzine β - raspada atomskog jezgra, tada ono uspijeva uhvatiti veliki broj neutrona odjednom. Kao rezultat r-procesa, formira se jezgro bogato neutronima, koje je daleko od doline stabilnosti. Tek tada se, kao rezultat uzastopnog lanca β - raspada, pretvara u stabilno jezgro. Obično se vjeruje da r-procesi nastaju kao rezultat eksplozija supernove.
6. R-proces. Neka stabilna jezgra s nedostatkom neutrona (tzv. zaobiđena jezgra) nastaju u reakcijama hvatanja protona, u reakcijama ( γ ,n) ili u reakcijama koje pokreću neutrini.

Sinteza transuranskih elemenata. U Sunčevom sistemu su preživeli samo oni hemijski elementi, čiji je životni vek duži od starosti Sunčevog sistema. To je 85 hemijskih elemenata. Preostali kemijski elementi dobiveni su kao rezultat različitih nuklearnih reakcija u akceleratorima ili kao rezultat zračenja u nuklearnim reaktorima. Sinteza prvih transuranijumskih elemenata u laboratoriji izvedena je uz pomoć nuklearnih reakcija pod dejstvom neutrona i ubrzanih α-čestica. Međutim, pokazalo se da je dalje napredovanje na teže elemente na ovaj način praktično nemoguće. Za sintezu elemenata težih od mendelevija Md ( Z= 101) koriste nuklearne reakcije sa težim višestruko nabijenim jonima - ugljikom, dušikom, kisikom, neonom, kalcijem. Da bi se ubrzali teški ioni, počeli su se graditi akceleratori višestruko nabijenih jona.

Nobelova nagrada za fiziku
1983 - W. Fowler
Za teorijske i eksperimentalne studije nuklearnih procesa važnih u formiranju hemijskih elemenata u svemiru.

Godina otvaranja	Hemijski element	Z	Reakcija
1936	Np, Pu	93, 94
1945	Am	95
1961	cm	96
1956	bk	97
1950	cf	98
1952	Es	99
1952	fm	100
1955	md	101
1957	br	102
1961	lr	103
1964	RF	104
1967-1970	Db	105
1974	Sg	106
1976	bh	107
1984-1987	hs	108
1982	Mt	109
1994	Ds	110
1994	Rg	111
1996	Cn	112
2004		113, 115
1998		114
2000		116
2009		117
2006		118

E. Rutherford: “Ako postoje elementi teži od uranijuma, onda je vjerovatno da će se ispostaviti da su radioaktivni. Izuzetna osjetljivost metoda hemijske analize, zasnovane na radioaktivnosti, omogućit će identifikaciju ovih elemenata, čak i ako su prisutni u zanemarljivim količinama. Stoga se može očekivati ​​da je broj radioaktivnih elemenata u tragovima mnogo veći od tri trenutno poznata radioaktivna elementa. Čisto hemijske metode istraživanja će se pokazati malo korisnim u prvoj fazi proučavanja takvih elemenata. Glavni faktori ovdje su postojanost zračenja, njihove karakteristike i postojanje ili odsustvo emanacija ili drugih produkata raspadanja.”

Hemijski element sa maksimalnim atomskim brojem Z = 118 sintetizovan je u Dubni u saradnji sa Livermorskom laboratorijom u SAD. Gornja granica postojanja hemijskih elemenata povezana je sa njihovom nestabilnošću u odnosu na radioaktivni raspad. Dodatna stabilnost atomskih jezgara je uočena u blizini magičnih brojeva. Prema teorijskim procjenama, trebali bi postojati dvostruki magični brojevi Z = 108, N = 162 i Z = 114, N = 184. Poluživot jezgara s takvim brojem protona i neutrona može biti stotine hiljada godina. To su takozvana "ostrva stabilnosti". Problem formiranja jezgara "ostrva stabilnosti" je složenost selekcije meta i ubrzanih jona. Trenutno sintetizirani izotopi 108-112 elemenata imaju premalo neutrona. Kao što slijedi iz izmjerenih vremena poluraspada izotopa od 108 - 112 elemenata, povećanje broja neutrona za 6 - 10 jedinica (tj. približavanje otoku stabilnosti) dovodi do povećanja perioda α-raspada za 10 4 - 10 5 puta.
Budući da se broj superteških jezgara Z > 110 računa u jedinicama, bilo je potrebno razviti metodu za njihovu identifikaciju. Identifikacija novonastalih hemijskih elemenata vrši se lancima njihovih uzastopnih α-raspada, što povećava pouzdanost rezultata. Ova metoda identifikacije transuranijumskih elemenata ima prednost u odnosu na sve druge metode, budući da zasniva se na mjerenju kratkih perioda α-raspada. Istovremeno, prema teorijskim procjenama, hemijski elementi ostrva stabilnosti mogu imati poluraspad duži od mjeseci i godina. Za njihovu identifikaciju potrebno je razviti fundamentalno nove metode registracije zasnovane na identifikaciji jednog broja jezgara tokom nekoliko mjeseci.

G. Flerov, K, Petrzhak:“Predviđanje mogućeg postojanja nove regije u periodičnom sistemu elemenata od D.I. Mendeljejev - oblast superteških elemenata (SHE) - je za nauku o atomskom jezgru jedna od najznačajnijih posledica eksperimentalnih i teorijskih proučavanja procesa spontane fisije. Zbir našeg znanja o atomskom jezgru, dobijenog u protekle četiri decenije, čini ovo predviđanje prilično pouzdanim i. što je bitno, nezavisno od izbora jedne ili druge varijante modela školjke. Odgovor na pitanje o postojanju SHE značio bi, možda, najkritičniji test samog koncepta strukture ljuske jezgra - glavnog nuklearnog modela, koji je do sada uspješno izdržao mnoge testove u objašnjavanju svojstava poznatih. atomska jezgra.
Tačnije, stabilnost najtežih jezgara je određena uglavnom njihovom spontanom fisijom, pa je stoga neophodan uslov za postojanje takvih jezgara da imaju barijere za fisiju. Za jezgre od uranijuma do fermija, komponenta ljuske u fisijskoj barijeri, iako dovodi do nekih vrlo zanimljivih fizičkih fenomena, još uvijek nema kritičan utjecaj na njihovu stabilnost i manifestira se u superpoziciji s komponentom tečne kapljice barijere. U području SHE, komponenta kapi barijere potpuno nestaje, a stabilnost superteških jezgara određena je propusnošću čisto ljuske barijere.
U isto vrijeme, ako je prisustvo barijere dovoljno za fundamentalno postojanje SHE jezgri, tada je za eksperimentalnu verifikaciju takvog predviđanja potrebno poznavanje životnog vijeka SHE jezgri u odnosu na spontanu fisiju, jer s bilo kojom posebnom postavkom eksperimenta za njihovo traženje, nemoguće je pokriti čitav raspon životnih vijekova - od 10 10 godina do 10 -10 s. Izbor eksperimentalne tehnike u suštini ovisi o životnom intervalu u kojem se studija provodi.
Kao što je već spomenuto, nesigurnost u teorijskom proračunu perioda spontane fisije T SF je prevelika, ne manje od 8-10 redova veličine. Ova neizvjesnost a priori ne isključuje nijednu od mogućnosti dobijanja ili detekcije SHE, a kao smjernice za eksperimentalno rješenje problema može se odabrati i potraga za SHE u prirodi (na Zemlji, u objektima kosmičkog porijekla, kao dio kosmičkog zračenja itd.), te umjetna proizvodnja elemenata na akceleratorima (u nuklearnim reakcijama između složenih jezgara).
Očigledno, potraga za ONO u zemaljskim objektima može dovesti do uspjeha samo pod srećnom kombinacijom dvije okolnosti. S jedne strane, mora postojati efikasan mehanizam nukleosinteze, koji sa dovoljnom vjerovatnoćom dovodi do stvaranja SHE atomskih jezgara. S druge strane, potrebno je da postoji barem jedan nuklid koji pripada novoj regiji stabilnosti, a koji bi imao životni vijek uporediv sa životnim vijekom Zemlje, 4,5· 10 9 godina.
Ako govorimo o prisutnosti SHE u objektima vanzemaljskog porijekla - u meteoritima, kosmičkom zračenju itd., onda takva pretraživanja mogu dovesti do uspjeha čak i ako je životni vijek SHE jezgara znatno manji od 10 10 godina: takvi objekti se mogu okrenuti značajno mlađi od kopnenih uzoraka (10 7 -10 8 godina).

Helijum je inertni gas 18. grupe periodnog sistema. To je drugi najlakši element nakon vodonika. Helijum je gas bez boje, mirisa i ukusa koji postaje tečan na -268,9 °C. Njegove tačke ključanja i smrzavanja su niže od onih kod bilo koje druge poznate supstance. To je jedini element koji se ne stvrdnjava kada se ohladi pri normalnom atmosferskom pritisku. Potrebno je 25 atmosfera da se helijum očvrsne na 1 K.

Istorija otkrića

Helijum je u gasovitoj atmosferi koja okružuje Sunce otkrio francuski astronom Pierre Jansen, koji je 1868. godine tokom pomračenja otkrio jarko žutu liniju u spektru solarne hromosfere. Prvobitno se smatralo da ova linija predstavlja element natrijum. Iste godine je engleski astronom Joseph Norman Lockyer uočio žutu liniju u sunčevom spektru koja nije odgovarala poznatim linijama D 1 i D 2 natrijuma, pa ju je nazvao D 3 linija. Lockyer je zaključio da ga je izazvala supstanca na Suncu nepoznata na Zemlji. On i hemičar Edvard Frankland koristili su grčko ime za sunce, helios, da bi imenovali element.

Godine 1895, britanski hemičar Sir William Ramsay dokazao je postojanje helijuma na Zemlji. Dobio je uzorak minerala kleveita koji sadrži uranijum, i nakon ispitivanja gasova koji nastaju prilikom njegovog zagrevanja, otkrio je da se svetlo žuta linija u spektru poklapa sa linijom D 3 koja je primećena u spektru Sunca. Tako je novi element konačno postavljen. Godine 1903. Ramsay i Frederic Soddu su utvrdili da je helijum spontani produkt raspada radioaktivnih supstanci.

Rasprostranjenost u prirodi

Helijum čini oko 23% ukupne mase svemira, a element je drugi po zastupljenosti u svemiru. Koncentrisan je u zvijezdama, gdje nastaje iz vodonika kao rezultat termonuklearne fuzije. Iako se helijum nalazi u Zemljinoj atmosferi u koncentraciji od 1 dijela na 200.000 (5 ppm) i nalazi se u malim količinama u radioaktivnim mineralima, meteorskom željezu i mineralnim izvorima, velike količine elementa nalaze se u Sjedinjenim Državama (posebno u Teksasu, Njujorku).Meksiku, Kanzasu, Oklahomi, Arizoni i Juti) kao komponenta (do 7,6%) prirodnog gasa. Male rezerve pronađene su u Australiji, Alžiru, Poljskoj, Kataru i Rusiji. U zemljinoj kori koncentracija helijuma je samo oko 8 delova na milijardu.

izotopi

Jezgro svakog atoma helija sadrži dva protona, ali kao i drugi elementi, ima izotope. Sadrže jedan do šest neutrona, tako da se njihov maseni broj kreće od tri do osam. Stabilni su elementi u kojima je masa helija određena atomskim brojevima 3 (3 He) i 4 (4 He). Svi ostali su radioaktivni i vrlo brzo se raspadaju u druge supstance. Zemaljski helijum nije izvorna komponenta planete, nastao je kao rezultat radioaktivnog raspada. Alfa čestice koje emituju jezgra teških radioaktivnih supstanci su jezgre izotopa 4 He. Helij se ne akumulira u velikim količinama u atmosferi jer Zemljina gravitacija nije dovoljno jaka da spriječi njen postupni bijeg u svemir. Tragovi 3 He na Zemlji se objašnjavaju negativnim beta raspadom rijetkog elementa vodonika-3 (tricijuma). 4 On je najčešći od stabilnih izotopa: odnos broja atoma 4 He prema 3 He je oko 700 hiljada prema 1 u atmosferi i oko 7 miliona prema 1 u nekim mineralima koji sadrže helijum.

Fizička svojstva helijuma

Tačke ključanja i topljenja ovog elementa su najniže. Iz tog razloga, helijum postoji osim u ekstremnim uslovima. Plinoviti He se rastvara u vodi manje nego bilo koji drugi plin, a brzina difuzije kroz čvrste tvari je tri puta veća od zraka. Njegov indeks loma je najbliži 1.

Toplotna provodljivost helijuma je druga nakon vodonika, a njegov specifični toplinski kapacitet je neobično visok. Na uobičajenim temperaturama se zagrijava tokom ekspanzije, a hladi ispod 40 K. Stoga, kod T<40 K гелий можно превратить в жидкость путем расширения.

Element je dielektrik osim ako nije u jonizovanom stanju. Kao i drugi plemeniti gasovi, helijum ima metastabilne energetske nivoe koji mu omogućavaju da ostane jonizovan u električnom pražnjenju kada napon ostane ispod jonizacionog potencijala.

Helijum-4 je jedinstven po tome što ima dva tečna oblika. Regularni se zove helijum I i postoji na temperaturama u rasponu od tačke ključanja od 4,21 K (-268,9 °C) do oko 2,18 K (-271 °C). Ispod 2,18 K, toplotna provodljivost 4 He postaje 1000 puta veća od one u bakru. Ovaj oblik se naziva helijum II kako bi se razlikovao od normalnog oblika. Super je tečno: viskozitet je toliko nizak da se ne može izmjeriti. Helijum II se širi u tanki film na površini svega što dodirne, a ovaj film teče bez trenja čak i protiv gravitacije.

Manje zastupljen helijum-3 formira tri različite tekuće faze, od kojih su dvije superfluidne. Superfluidnost u 4. Otkrio ga je sovjetski fizičar sredinom 1930-ih, a isti fenomen u 3. Prvi su ga primijetili Douglas D. Osherov, David M. Lee i Robert S. Richardson iz SAD-a 1972. godine.

Tečna mješavina dva izotopa helijuma-3 i -4 na temperaturama ispod 0,8 K (-272,4 °C) podijeljena je u dva sloja - gotovo čisti 3 He i mješavinu 4 He sa 6% helijuma-3. Otapanje 3 He u 4 He praćeno je efektom hlađenja, koji se koristi u dizajnu kriostata, u kojima temperatura helijuma pada ispod 0,01 K (-273,14 °C) i održava se na toj temperaturi nekoliko dana.

Veze

U normalnim uslovima, helijum je hemijski inertan. U ekstremnim uslovima možete stvoriti spojeve elemenata koji nisu stabilni pri normalnim temperaturama i pritiscima. Na primjer, helijum može formirati spojeve s jodom, volframom, fluorom, fosforom i sumporom kada je podvrgnut električnom svjetlećem pražnjenju kada je bombardiran elektronima ili u stanju plazme. Tako su stvoreni HeNe, HgHe 10 , WHe 2 i molekularni joni He 2 + , He 2 ++ , HeH + i HeD +. Ova tehnika je takođe omogućila dobijanje neutralnih molekula He 2 i HgHe.

Plazma

U Univerzumu je pretežno raspoređen jonizovani helijum čija se svojstva značajno razlikuju od molekularnog helijuma. Njegovi elektroni i protoni nisu vezani, a ima vrlo visoku električnu provodljivost čak i u djelomično joniziranom stanju. Na nabijene čestice snažno djeluju magnetska i električna polja. Na primjer, u solarnom vjetru, joni helijuma, zajedno sa joniziranim vodonikom, stupaju u interakciju sa Zemljinom magnetosferom, uzrokujući aurora borealis.

Otkriće ležišta u SAD

Nakon bušenja bušotine 1903. godine u Dexteru, Kanzas, dobijen je nezapaljivi plin. U početku se nije znalo da sadrži helijum. Koji je plin pronađen utvrdio je državni geolog Erasmus Haworth, koji je sakupio njegove uzorke i na Univerzitetu u Kanzasu, uz pomoć hemičara Cady Hamilton i David McFarland, utvrdio da sadrži 72% dušika, 15% metana, 1% vodonika a 12% nije identifikovano. Nakon dalje analize, naučnici su otkrili da je 1,84% uzorka bilo helijum. Tako su saznali da je ovaj hemijski element prisutan u ogromnim količinama u utrobi Velike ravnice, odakle se može izvući iz prirodnog gasa.

industrijska proizvodnja

Time su Sjedinjene Države postale svjetski lider u proizvodnji helijuma. Na prijedlog Sir Richarda Threlfalla, američka mornarica je financirala tri mala eksperimentalna postrojenja za proizvodnju ove tvari tokom Prvog svjetskog rata kako bi se baloni s baražnim balonima osigurali laganim, nezapaljivim plinom za podizanje. U okviru ovog programa proizvedeno je ukupno 5.700 m 3 od 92% He, iako je prethodno proizvedeno samo manje od 100 litara gasa. Dio ovog volumena korišten je u prvom svjetskom helijumskom dirižablu C-7, koji je izveo svoj prvi let od Hampton Roadsa do Bolling Fielda 7. decembra 1921. godine.

Iako proces ukapljivanja gasa na niskim temperaturama u to vreme nije bio dovoljno napredan da bi bio značajan tokom Prvog svetskog rata, proizvodnja se nastavila. Helijum se uglavnom koristio kao gas za podizanje aviona. Potražnja za njim je porasla tokom Drugog svetskog rata, kada je korišćen u zavarivanju sa zaštićenim lukom. Element je takođe bio važan u projektu atomske bombe na Menhetnu.

američke nacionalne rezerve

Vlada Sjedinjenih Država je 1925. godine uspostavila Nacionalnu rezervu helijuma u Amarillu u Teksasu u svrhu obezbjeđivanja vojnih zračnih brodova u vrijeme rata i komercijalnih zračnih brodova u vrijeme mira. Upotreba gasa je opala nakon Drugog svetskog rata, ali je zaliha povećana 1950-ih da bi se, između ostalog, obezbedilo njegovo snabdevanje kao rashladno sredstvo koje se koristilo u proizvodnji raketnog goriva sa kiseonikom tokom svemirske trke i Hladnog rata. Upotreba helijuma u SAD 1965. bila je osam puta veća od najveće ratne potrošnje.

Od Zakona o helijumu iz 1960. godine, Zavod za rudarstvo je ugovorio 5 privatnih kompanija za ekstrakciju ovog elementa iz prirodnog gasa. Za ovaj program izgrađen je gasovod dužine 425 kilometara koji povezuje ova postrojenja sa delimično iscrpljenim državnim gasnim poljem u blizini Amarilla u Teksasu. Mešavina helijuma i azota je pumpana u podzemno skladište i tamo je ostala sve dok nije bila potrebna.

Do 1995. godine izgrađeno je milijardu kubnih metara zaliha, a Nacionalne rezerve su imale dug od 1,4 milijarde dolara, što je navelo američki Kongres da ga postupno ukine 1996. Nakon usvajanja zakona o privatizaciji helijuma 1996. godine, Ministarstvo prirodnih resursa je 2005. godine počelo likvidaciju skladišta.

Čistoća i obim proizvodnje

Helijum proizveden prije 1945. bio je oko 98% čist, dok je preostalih 2% bio dušik, što je bilo dovoljno za vazdušne brodove. Godine 1945. proizvedena je mala količina od 99,9% plina za korištenje u elektrolučnom zavarivanju. Do 1949. čistoća rezultirajućeg elementa dostigla je 99,995%.

Dugi niz godina Sjedinjene Države su proizvodile preko 90% komercijalnog helijuma u svijetu. Od 2004. godine godišnje se proizvodi 140 miliona m 3 od čega se 85% proizvodi u SAD, 10% je proizvedeno u Alžiru, a ostatak - u Rusiji i Poljskoj. Glavni izvori helijuma u svijetu su plinska polja Teksasa, Oklahome i Kanzasa.

Proces prijema

Helijum (čistoća 98,2%) se izoluje iz prirodnog gasa ukapljivanjem ostalih komponenti na niskim temperaturama i visokim pritiscima. Adsorpcijom ostalih gasova sa ohlađenim aktivnim ugljem postiže se čistoća od 99,995%. Mala količina helijuma se proizvodi ukapljivanjem vazduha u velikim razmerama. Iz 900 tona vazduha može se dobiti oko 3,17 kubnih metara. m gasa.

Prijave

Plemeniti gas je našao primenu u raznim oblastima.

• Helijum, čija svojstva omogućavaju dobijanje ultraniskih temperatura, koristi se kao rashladno sredstvo u Velikom hadronskom sudaraču, supravodljivi magneti u MRI mašinama i spektrometrima nuklearne magnetne rezonance, satelitskoj opremi, kao i za ukapljivanje kiseonika i vodika u Apollu. rakete.
• Kao inertni gas za zavarivanje aluminijuma i drugih metala, u proizvodnji optičkih vlakana i poluprovodnika.
• Za stvaranje pritiska u rezervoarima goriva raketnih motora, posebno onih koji rade na tečni vodonik, jer samo gasoviti helijum zadržava agregatno stanje kada vodonik ostaje tečan);
• He-Ne se koriste za skeniranje bar kodova na kasama u supermarketima.
• Helijum-jonski mikroskop daje bolje slike od elektronskog mikroskopa.
• Zbog svoje visoke propusnosti, plemeniti plin se koristi za provjeru curenja, na primjer, u sistemima za klimatizaciju automobila, kao i za brzo naduvavanje vazdušnih jastuka u slučaju sudara.
• Niska gustoća vam omogućava da napunite ukrasne balone helijumom. Inertni gas je zamenio eksplozivni vodonik u vazdušnim brodovima i balonima. Na primjer, u meteorologiji se helijumski baloni koriste za podizanje mjernih instrumenata.
• U kriogenoj tehnologiji služi kao rashladno sredstvo, jer je temperatura ovog hemijskog elementa u tečnom stanju najniža moguća.
• Helijum, čija svojstva mu obezbeđuju nisku reaktivnost i rastvorljivost u vodi (i krvi), pomešan sa kiseonikom, našao je primenu u kompozicijama za disanje za ronjenje i rad u kesonu.
• Meteoriti i stijene se analiziraju na ovaj element kako bi se utvrdila njihova starost.

Helijum: svojstva elementa

Glavna fizička svojstva He su sljedeća:

• Atomski broj: 2.
• Relativna masa atoma helijuma: 4,0026.
• Tačka topljenja: ne.
• Tačka ključanja: -268,9 °C.
• Gustina (1 atm, 0 °C): 0,1785 g/p.
• Stanja oksidacije: 0.

Za nekoliko generacija baloni će možda postati istorija. Kupi balon. Pustite ga i gledajte kako se skuplja u sićušnu tačku i nestaje u stratosferi. Tada će ili odletjeti predaleko i puknuti, ili će komponente koje su lakše od zraka polako izaći iz njega. Na ovaj ili onaj način, helijum će pobjeći iz balona i atmosfere. Zemaljski helijum bukvalno leti u svemir.

Ovo je budućnost globalnog helijuma u narednih sto godina, kažu naučnici. Takva je sudbina gasa koji je lakši od vazduha: gravitacija ga jednostavno ne može zadržati. Zemljina kora oslobađa nešto helijuma, ali on brzo izlazi iz atmosfere. Količina helijuma u njemu je stabilna na 0,00052 zapreminskih posto. Izvlačenje tako male količine iz vazduha bilo bi veoma skupo. Helijum koji se može kupiti i koristiti dolazi iz rezervi prirodnog gasa, uglavnom u SAD.

Korišteni (u balonima, MRI ili raketama) helijum se diže gore, gore i dalje. Kako se zalihe helijuma polako troše, cijene već počinju rasti i baloni ustupaju mjesto ozbiljnijoj upotrebi. Za sto godina, balon bi mogao koštati više od prstena od punog zlata. Iako su naučnici znali za predstojeću nestašicu helijuma prije nekoliko decenija, to je postala vijest tek u posljednjih pet godina.

Zašto? Razlozi leže u složenoj političkoj istoriji helijuma.

Kako smo stigli tamo?

Helios na kočiji Sunca. Nicola BertinNicolas Bertin

Godine 1868. helijum je prvi put viđen kao linija u spektru svjetlosti tokom pomračenja Sunca. Naziv "helijum" vezuje se za grčkog boga Heliosa, koji je svakog dana vozio sunce po nebu u zlatnim kočijama. 1895. godine, škotski hemičar William Ramsay prvi je otkrio ovaj plin na Zemlji. Iste godine, švedski hemičari Per Theodor Kleve i Abram Lengle prikupili su dovoljno gasa da odrede njegov atomski broj, 2.

Element je prisutan u sunčevoj energiji jer je Sunce ogromna lopta vodonika i helijuma. Privlačenje Sunca je toliko snažno da se u njegovom središtu atomi vodonika (sa jednim protonom) spajaju i postaju atomi helija (sa dva protona). Ovaj proces se naziva termonuklearna reakcija i oslobađa dovoljno energije da vidimo sunčevu svjetlost i osjetimo toplinu na udaljenosti od 150.000.000 km. Ali ne dobijamo solarni helijum. Ovaj gas, koji su prvi izolovali naučnici, bio je nusproizvod rastvaranja smeđe (najčešći mineral uranijuma) u kiselini, procesa koji je radioaktivan i skup.

Godine 1903. naftna platforma u Kanzasu otkrila je gejzir razočaravajuće nezapaljivog plina. Ovaj gas je otišao u laboratoriju na analizu i ispostavilo se da sadrži 1,8% helijuma - mnogo više koncentrisanog od onog u atmosferi. Inženjeri su počeli da proučavaju gas iz drugih bušotina u zemlji, i kao rezultat toga, 1906. godine naučnici su izjavili: "Helijum nije redak, već uobičajen element, i moramo pronaći upotrebu za njegove ogromne rezerve."

Zašto je helijum mnogo više od vodonika pogodan za vazdušne brodove

Nekada uobičajen, helijum je postao prirodno rješenje za gumene balone i zračne brodove koji su se punili jednako laganim, ali zapaljivim vodonikom. Helijum je manje uobičajen izvan SAD-a i vlada je željela zadržati tu prednost. Godine 1925. Kongres je odobrio Federalne rezerve helijuma za vojne i komercijalne vazdušne brodove, a zakon usvojen 1927. zabranjuje izvoz helijuma. Kao rezultat toga, zračni brodovi drugih zemalja, poput Hindenburga, i dalje su punili vodonik, što je dovelo do dobro poznate katastrofe.

Ubrzo su pronađeni i drugi načini korištenja resursa. Helijum ima najnižu tačku ključanja od svih poznatih supstanci - minus 269 stepeni Celzijusa, tako da je u tečnom stanju helijum idealno rashladno sredstvo. Tečnost koja ključa održava temperaturu na kojoj ključa sve dok ostaje tečnost – ne postaje toplija. Voda ne može biti toplija od sto stepeni, a tečni helijum ne može biti topliji od -269. Resurs se počeo koristiti za izolaciju lukova zavarivanja, a kasnije - u supravodnicima, nuklearnim reaktorima i kriogenici. Sada se ovaj plin najčešće koristi kao rashladno sredstvo.

Od dana Manhattan projekta, helijum se koristi za pronalaženje curenja: to je inertan gas koji ne reaguje sa drugim supstancama i vrlo brzo prodire u rupe. Koristi se za mjerenje zračenja i u medicinskom snimanju.

Temperatura magneta u MRI aparatu održava se helijumom.

federalne rezerve

Iako je upotreba vazdušnih brodova punjenih helijumom prestala, Federalne rezerve helijuma su nastavile da postoje i šire se u drugoj polovini dvadesetog veka jer je gas bio koristan za vladine potrebe, uglavnom za svemirsku i odbrambenu industriju.

Godine 1996. Federalne rezerve su iznosile milijardu kubnih metara, ali više nisu bile od interesa za američku vladu, dijelom zbog lošeg finansijskog upravljanja. Washington Post je napisao: „1996. godine zalihe helijuma izgledaju kao otpad. Zračni brodovi više nisu vitalni dio zračnih snaga, i, što je najvažnije, plaćajući bušačima za izvlačenje helijuma iz prirodnog plina, skladište duguje 1.400.000.000 dolara.”

I Regan i Klinton su obećali da će rešiti ovaj problem, a 1996. godine Kongres je usvojio zakon o privatizaciji helijuma. Počevši od 2005. godine, dionice su se trebale prodavati po fiksnoj cijeni, a ne po tržišnoj vrijednosti, a do 2015. godine planirano je okončanje prodaje i zatvaranje trezora.

Balon na Macy's Thanksgiving Day Parade (Macy's Thanksgiving Day Parade)

Stoga je tržište bilo ispunjeno helijumom, njegova cijena je naglo pala, a potrošnja je, prema riječima zaštitnika prirode, naglo porasla. “Zbog ovog zakona, helijum je postao previše jeftin i ne doživljava se kao vrijedan resurs. Oni to rasipaju. [...] Helijum se nije mogao prodati onoliko brzo koliko se željelo, a svjetske cijene za njega su smiješno niske”, rekao je nobelovac Robert Richardson 2010. godine.

Profesor Richardson vjeruje da bi cijene helijuma trebale biti povećane 20 do 50 puta kako bi se podstakla reciklaža. Na primjer, NASA čak i ne pokušava da ponovo koristi helijum nakon čišćenja rezervoara raketnog goriva, koji troši mnogo ovog gasa. Profesor Richardson također vjeruje da su baloni punjeni helijumom prejeftini. Svaki od njih trebao bi koštati oko 100 dolara - tolika je vrijednost plina koji se nalazi u njima.

Richardson vjeruje da će svjetske rezerve helijuma potrajati oko stotinu godina ako se trenutne stope potrošnje nastave.

Umjesto da ohrabri privatni sektor da proizvodi helijum, rasprodaja zaliha imala je upravo suprotan efekat. Plin je postao toliko jeftin da niko nije vidio potrebu ili korist od samostalnog vađenja. U iščekivanju 2015. godine, naučnici su alarmirali: ako se zalihe prodaju prema planu, više se neće obnavljati. Sjedinjene Američke Države, koje proizvode oko 70% ukupnog helijuma na planeti, ostaju svjetski lider u njegovoj proizvodnji, što znači da njegova nestašica u Sjedinjenim Državama može uzrokovati probleme širom svijeta.

Godine 2013. odobren je Zakon o strateškoj kontroli helijuma, koji omogućava njegovo licitiranje do 2021. godine, pa će se cijena uskoro približiti tržištu nakon što je ogroman dio dionica prodat za pene.

Helijum danas

Čak i ako aukcija postepeno riješi problem cijena, helijum je neobnovljiv resurs. Očekuje se da će rezerve biti iscrpljene do 2020. godine, a čak i ako se to ne dogodi, prema važećim zakonima skladište ovog gasa mora biti zatvoreno do 2021. godine. Istovremeno, širom svijeta očajnički se traže alternativna rashladna sredstva, levitatori i izvori helijuma.

Američki geološki zavod piše: „Do kraja decenije, međunarodna postrojenja za proizvodnju helijuma će vjerovatno postati glavni svjetski izvor helijuma. Takve instalacije su već napravljene u Alžiru i Kataru.” Kina planira vaditi helijum-3, koji se sada uglavnom samo proizvodi, na Mjesecu.

Mnogi potrošači, gledajući rastuće cijene, počeli su tražiti načine za ponovno korištenje helijuma. Ovisno o tome gdje ovi napori vode, možda ćemo odgoditi dan kada gomila balona postane ludi luksuz poput srebrnog pribora za jelo ili klavirskih tipki obloženih slonovačem.