Σχηματισμός ατομικών πυρήνων.

Ήλιο(Αυτός) είναι ένα αδρανές αέριο, το οποίο είναι το δεύτερο στοιχείο του περιοδικού πίνακα των στοιχείων, καθώς και το δεύτερο στοιχείο σε ελαφρότητα και αφθονία στο Σύμπαν. Ανήκει σε απλές ουσίες και υπό τυπικές συνθήκες (Τυπική θερμοκρασία και πίεση) είναι μονοατομικό αέριο.

ΉλιοΕίναι άγευστο, άχρωμο, άοσμο και δεν περιέχει τοξίνες.

Μεταξύ όλων των απλών ουσιών, το ήλιο έχει το χαμηλότερο σημείο βρασμού (T = 4,216 K). Σε ατμοσφαιρική πίεση, είναι αδύνατο να ληφθεί στερεό ήλιο, ακόμη και σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν - για να μετατραπεί σε στερεή μορφή, το ήλιο απαιτεί πίεση πάνω από 25 ατμόσφαιρες. Υπάρχουν λίγες χημικές ενώσεις του ηλίου και όλες είναι ασταθείς υπό τυπικές συνθήκες.
Το φυσικό ήλιο αποτελείται από δύο σταθερά ισότοπα, το He και το 4He. Το ισότοπο «He» είναι πολύ σπάνιο (ισοτοπική αφθονία 0,00014%) με 99,99986% για το ισότοπο 4He. Εκτός από τα φυσικά, είναι γνωστά και 6 τεχνητά ραδιενεργά ισότοπα ηλίου.
Η εμφάνιση σχεδόν των πάντων στο Σύμπαν, το ήλιο, ήταν η πρωταρχική πυρηνοσύνθεση που συνέβη τα πρώτα λεπτά μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.
Επί του παρόντος, σχεδόν όλα ήλιοσχηματίζεται από υδρογόνο ως αποτέλεσμα της θερμοπυρηνικής σύντηξης που συμβαίνει στο εσωτερικό των άστρων. Στον πλανήτη μας, το ήλιο σχηματίζεται κατά την άλφα διάσπαση των βαρέων στοιχείων. Αυτό το μέρος του ηλίου που καταφέρνει να διαρρεύσει μέσω του φλοιού της Γης βγαίνει ως μέρος του φυσικού αερίου και μπορεί να αντιπροσωπεύει έως και το 7% της σύνθεσής του. Να τονίσω ήλιοαπό φυσικό αέριο, χρησιμοποιείται κλασματική απόσταξη - μια διαδικασία διαχωρισμού στοιχείων σε χαμηλή θερμοκρασία.

Ιστορία της ανακάλυψης του ηλίου

Στις 18 Αυγούστου 1868 αναμενόταν ολική έκλειψη Ηλίου. Οι αστρονόμοι σε όλο τον κόσμο προετοιμάζονταν ενεργά για αυτήν την ημέρα. Ήλπιζαν να λύσουν το μυστήριο των προεξοχών - φωτεινών προεξοχών ορατές τη στιγμή της ολικής έκλειψης ηλίου κατά μήκος των άκρων του ηλιακού δίσκου. Μερικοί αστρονόμοι πίστευαν ότι οι προεξοχές ήταν ψηλά σεληνιακά βουνά, τα οποία τη στιγμή της ολικής έκλειψης ηλίου φωτίζονταν από τις ακτίνες του Ήλιου. Άλλοι νόμιζαν ότι οι προεξοχές ήταν βουνά στον ίδιο τον Ήλιο. άλλοι πάλι είδαν πύρινα σύννεφα της ηλιακής ατμόσφαιρας στις ηλιακές προεξοχές. Η πλειοψηφία πίστευε ότι οι προεξοχές δεν ήταν παρά μια οπτική ψευδαίσθηση.

Το 1851, κατά τη διάρκεια μιας έκλειψης ηλίου που παρατηρήθηκε στην Ευρώπη, ο Γερμανός αστρονόμος Schmidt όχι μόνο είδε ηλιακές προεξοχές, αλλά κατάφερε επίσης να δει ότι τα περίγραμμά τους άλλαζαν με την πάροδο του χρόνου. Με βάση τις παρατηρήσεις του, ο Schmidt κατέληξε στο συμπέρασμα ότι οι προεξοχές είναι σύννεφα θερμών αερίων που εκτοξεύονται στην ηλιακή ατμόσφαιρα από γιγάντιες εκρήξεις. Ωστόσο, ακόμη και μετά τις παρατηρήσεις του Schmidt, πολλοί αστρονόμοι εξακολουθούσαν να θεωρούν ότι οι πύρινες προβολές ήταν μια οπτική ψευδαίσθηση.

Μόνο μετά την ολική έκλειψη της 18ης Ιουλίου 1860, που παρατηρήθηκε στην Ισπανία, όταν πολλοί αστρονόμοι είδαν τις ηλιακές προεξοχές με τα μάτια τους, και ο Ιταλός Secchi και ο Γάλλος Dellar κατάφεραν όχι μόνο να τις σκιαγραφήσουν, αλλά και να τις φωτογραφίσουν, κανείς είχε αμφιβολίες για την ύπαρξη προεξοχών .

Μέχρι το 1860, είχε ήδη εφευρεθεί ένα φασματοσκόπιο - μια συσκευή που καθιστά δυνατό, με την παρατήρηση του ορατού τμήματος του οπτικού φάσματος, τον προσδιορισμό της ποιοτικής σύνθεσης του σώματος από το οποίο προκύπτει το παρατηρούμενο φάσμα. Ωστόσο, την ημέρα της έκλειψης ηλίου, κανένας από τους αστρονόμους δεν χρησιμοποίησε φασματοσκόπιο για να εξετάσει το φάσμα των προεξοχών. Θυμήθηκαν το φασματοσκόπιο όταν η έκλειψη είχε ήδη τελειώσει.

Γι' αυτό, κατά την προετοιμασία για την έκλειψη ηλίου του 1868, κάθε αστρονόμος συμπεριέλαβε ένα φασματοσκόπιο στη λίστα των οργάνων παρατήρησης. Ο Jules Jansen, ένας διάσημος Γάλλος επιστήμονας, δεν ξέχασε αυτή τη συσκευή όταν πήγε στην Ινδία για να παρατηρήσει προεξοχές, όπου οι συνθήκες για την παρατήρηση μιας έκλειψης ηλίου, σύμφωνα με τους υπολογισμούς των αστρονόμων, ήταν οι καλύτερες.

Τη στιγμή που ο αστραφτερός δίσκος του Ήλιου καλύφθηκε πλήρως από τη Σελήνη, ο Jules Jansen, χρησιμοποιώντας ένα φασματοσκόπιο, εξετάζοντας τις πορτοκαλοκόκκινες φλόγες που διαφεύγουν από την επιφάνεια του Ήλιου, είδε στο φάσμα, εκτός από τις τρεις γνωστές γραμμές υδρογόνου: κόκκινο, πράσινο-μπλε και μπλε, ένα νέο, άγνωστο - έντονο κίτρινο. Καμία από τις ουσίες που ήταν γνωστές στους χημικούς εκείνης της εποχής δεν είχε τέτοια γραμμή στο τμήμα του φάσματος όπου την ανακάλυψε ο Jules Jansen. Την ίδια ανακάλυψη, αλλά στο σπίτι στην Αγγλία, έκανε ο αστρονόμος Norman Lockyer.

Στις 25 Οκτωβρίου 1868, η Ακαδημία Επιστημών του Παρισιού έλαβε δύο επιστολές. Το ένα, που γράφτηκε την επόμενη μέρα της έκλειψης ηλίου, προερχόταν από το Guntur, μια μικρή πόλη στην ανατολική ακτή της Ινδίας, από τον Jules Jansen. μια άλλη επιστολή, με ημερομηνία 20 Οκτωβρίου 1868, ήταν από την Αγγλία από τον Norman Lockyer.

Οι επιστολές που ελήφθησαν διαβάστηκαν σε μια συνάντηση καθηγητών στην Ακαδημία Επιστημών του Παρισιού. Σε αυτά, ο Jules Jansen και ο Norman Lockyer, ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλον, ανέφεραν την ανακάλυψη της ίδιας «ηλιακής ύλης». Ο Lockyer πρότεινε να ονομαστεί αυτή η νέα ουσία, που βρέθηκε στην επιφάνεια του Ήλιου χρησιμοποιώντας ένα φασματοσκόπιο, ήλιο από την ελληνική λέξη για τον ήλιο - Ήλιος.

Η σύμπτωση αυτή εξέπληξε την επιστημονική συνάντηση καθηγητών των Ακαδημιών και ταυτόχρονα μαρτύρησε τον αντικειμενικό χαρακτήρα της ανακάλυψης μιας νέας χημικής ουσίας. Προς τιμήν της ανακάλυψης της ουσίας των ηλιακών πυρσών (προεξοχές), κόπηκε ένα μετάλλιο. Στη μία πλευρά αυτού του μεταλλίου υπάρχουν πορτρέτα του Jansen και του Lockyer, και στην άλλη υπάρχει μια εικόνα του αρχαίου Έλληνα θεού του Ήλιου Απόλλωνα σε ένα άρμα που το σέρνουν τέσσερα άλογα. Κάτω από το άρμα υπήρχε μια επιγραφή στα γαλλικά: «Ανάλυση ηλιακών προεξοχών στις 18 Αυγούστου 1868».

Το 1895, ο Λονδρέζος χημικός Henry Myers επέστησε την προσοχή του William Ramsay, ενός διάσημου Άγγλου φυσικοχημικού, στο ξεχασμένο τότε άρθρο της γεωλόγου Hildebrand. Σε αυτό το άρθρο, ο Hildebrand υποστήριξε ότι ορισμένα σπάνια ορυκτά, όταν θερμαίνονται σε θειικό οξύ, εκπέμπουν ένα αέριο που δεν καίγεται και δεν υποστηρίζει την καύση. Μεταξύ αυτών των σπάνιων ορυκτών ήταν ο kleveite, που βρέθηκε στη Νορβηγία από τον Nordenskiöld, τον διάσημο Σουηδό εξερευνητή των πολικών περιοχών.

Ο Ramsay αποφάσισε να διερευνήσει τη φύση του αερίου που περιέχεται στον kleveite. Σε όλα τα καταστήματα χημικών στο Λονδίνο, οι βοηθοί του Ράμσεϊ κατάφεραν να αγοράσουν μόνο... ένα γραμμάριο κλεβεΐτη, πληρώνοντας μόνο 3,5 σελίνια γι' αυτό. Έχοντας απομονώσει αρκετά κυβικά εκατοστά αερίου από την προκύπτουσα ποσότητα kleveite και τον καθάρισε από ακαθαρσίες, ο Ramsay το εξέτασε χρησιμοποιώντας ένα φασματοσκόπιο. Το αποτέλεσμα ήταν απροσδόκητο: το αέριο που απελευθερώθηκε από τον κλεβεΐτη αποδείχθηκε... ήλιο!

Μη εμπιστευόμενος την ανακάλυψή του, ο Ramsay στράφηκε στον William Crookes, τον μεγαλύτερο ειδικό στη φασματική ανάλυση στο Λονδίνο εκείνη την εποχή, με αίτημα να μελετήσει το αέριο που απομονώθηκε από τον kleveite.

Ο Κρουκς εξέτασε το αέριο. Το αποτέλεσμα της μελέτης επιβεβαίωσε την ανακάλυψη του Ramsay. Έτσι, στις 23 Μαρτίου 1895, ανακαλύφθηκε μια ουσία στη Γη που είχε βρεθεί στον Ήλιο 27 χρόνια νωρίτερα. Την ίδια μέρα, ο Ramsay δημοσίευσε την ανακάλυψή του, στέλνοντας ένα μήνυμα στη Βασιλική Εταιρεία του Λονδίνου και ένα άλλο στον διάσημο Γάλλο χημικό ακαδημαϊκό Berthelot. Σε μια επιστολή προς τον Berthelot, ο Ramsay ζήτησε να αναφέρει την ανακάλυψή του σε μια επιστημονική συνάντηση καθηγητών στην Ακαδημία του Παρισιού.

15 ημέρες μετά τον Ramsay, ανεξάρτητα από αυτόν, ο Σουηδός χημικός Langlais απομόνωσε ήλιο από τον kleveite και, όπως και ο Ramsay, ανέφερε την ανακάλυψη του ηλίου στον χημικό Berthelot.

Για τρίτη φορά ανακαλύφθηκε ήλιο στον αέρα, όπου, σύμφωνα με τον Ramsay, θα έπρεπε να προέρχεται από σπάνια ορυκτά (κλεβεΐτη κ.λπ.) κατά τη διάρκεια καταστροφής και χημικών μετασχηματισμών στη Γη.

Ήλιο βρέθηκε επίσης σε μικρές ποσότητες στο νερό ορισμένων μεταλλικών πηγών. Για παράδειγμα, βρέθηκε από τον Ramsay στη θεραπευτική πηγή Cauterets στα Πυρηναία Όρη, ο Άγγλος φυσικός John William Rayleigh το βρήκε στα νερά των πηγών στο διάσημο θέρετρο Bath, ο Γερμανός φυσικός Kaiser ανακάλυψε ήλιο στις πηγές που ρέουν τα βουνά του Μέλανα Δρυμού. Ωστόσο, το ήλιο βρέθηκε σε αφθονία σε ορισμένα ορυκτά. Βρίσκεται σε σαμαρσκίτη, φεργουσονίτη, κολομβίτη, μοναζίτη και ουρανίτη. Το ορυκτό θοριανίτης από το νησί της Κεϋλάνης περιέχει ιδιαίτερα υψηλές ποσότητες ηλίου. Ένα κιλό θοριανίτη απελευθερώνει 10 λίτρα ηλίου όταν θερμαίνεται καυτό.

Σύντομα ανακαλύφθηκε ότι το ήλιο βρίσκεται μόνο σε εκείνα τα ορυκτά που περιέχουν ραδιενεργό ουράνιο και θόριο. Οι ακτίνες άλφα που εκπέμπονται από ορισμένα ραδιενεργά στοιχεία δεν είναι τίποτα άλλο παρά οι πυρήνες των ατόμων ηλίου.

Από την ιστορία...

Οι ασυνήθιστες ιδιότητές του καθιστούν δυνατή την ευρεία χρήση ηλίου για διάφορους σκοπούς. Το πρώτο, απολύτως λογικό, με βάση την ελαφρότητά του, είναι η χρήση σε μπαλόνια και αερόπλοια. Επιπλέον, σε αντίθεση με το υδρογόνο, δεν είναι εκρηκτικό. Αυτή η ιδιότητα του ηλίου χρησιμοποιήθηκε από τους Γερμανούς στον Πρώτο Παγκόσμιο Πόλεμο σε πολεμικά αερόπλοια. Το μειονέκτημα της χρήσης του είναι ότι ένα αερόπλοιο γεμάτο με ήλιο δεν θα πετάξει τόσο ψηλά όσο ένα υδρογόνο.

Κατά τον Πρώτο Παγκόσμιο Πόλεμο, η γερμανική διοίκηση χρησιμοποίησε αερόπλοια (zeppelins) για να βομβαρδίσει μεγάλες πόλεις, κυρίως τις πρωτεύουσες της Αγγλίας και της Γαλλίας. Για την πλήρωσή τους χρησιμοποιήθηκε υδρογόνο. Ως εκ τούτου, ο αγώνας εναντίον τους ήταν σχετικά απλός: ένα εμπρηστικό βλήμα που χτύπησε το κέλυφος του αερόπλοιου ανάφλεξε υδρογόνο, το οποίο αμέσως φούντωσε και η συσκευή κάηκε. Από τα 123 αερόπλοια που κατασκευάστηκαν στη Γερμανία κατά τον Πρώτο Παγκόσμιο Πόλεμο, τα 40 κάηκαν από εμπρηστικές οβίδες. Όμως μια μέρα το γενικό επιτελείο του βρετανικού στρατού εξεπλάγη από ένα μήνυμα ιδιαίτερης σημασίας. Τα απευθείας χτυπήματα από εμπρηστικές οβίδες στο γερμανικό Zeppelin ήταν ανεπιτυχή. Το αερόπλοιο δεν τυλίχθηκε στις φλόγες, αλλά σιγά-σιγά έτρεξε έξω με κάποιο άγνωστο αέριο και πέταξε πίσω.

Οι στρατιωτικοί εμπειρογνώμονες ήταν μπερδεμένοι και, παρά την επείγουσα και λεπτομερή συζήτηση του θέματος της μη αναφλεξιμότητας του Zeppelin από εμπρηστικές οβίδες, δεν μπόρεσαν να βρουν την απαραίτητη εξήγηση. Τον γρίφο έλυσε ο Άγγλος χημικός Richard Threlfall. Σε επιστολή του προς το Βρετανικό Ναυαρχείο, έγραψε: «... Πιστεύω ότι οι Γερμανοί έχουν εφεύρει κάποιον τρόπο παραγωγής ηλίου σε μεγάλες ποσότητες και αυτή τη φορά γέμισαν το κέλυφος του ζέπελιν τους όχι με υδρογόνο, όπως συνήθως, αλλά με ήλιο..."

Η αξιοπιστία των επιχειρημάτων του Threlfall, ωστόσο, μειώθηκε από το γεγονός ότι δεν υπήρχαν σημαντικές πηγές ηλίου στη Γερμανία. Είναι αλήθεια ότι το ήλιο περιέχεται στον αέρα, αλλά υπάρχει λίγο από αυτό εκεί: ένα κυβικό μέτρο αέρα περιέχει μόνο 5 κυβικά εκατοστά ήλιο. Το ψυκτικό μηχάνημα του συστήματος Linde, το οποίο μετατρέπει αρκετές εκατοντάδες κυβικά μέτρα αέρα σε υγρό σε μία ώρα, δεν θα μπορούσε να παράγει περισσότερα από 3 λίτρα ηλίου κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου.

3 λίτρα ήλιο την ώρα! Και για να γεμίσεις ένα ζέπελιν χρειάζεσαι 5-6 χιλιάδες κυβικά μέτρα. μ. Για να αποκτήσει μια τέτοια ποσότητα ηλίου, μια μηχανή Linde έπρεπε να εργαστεί χωρίς διακοπή για περίπου διακόσια χρόνια· διακόσια τέτοια μηχανήματα θα έδιναν την απαιτούμενη ποσότητα ηλίου σε ένα χρόνο. Η κατασκευή 200 μονάδων για τη μετατροπή του αέρα σε υγρό για την παραγωγή ηλίου είναι οικονομικά πολύ ασύμφορη και πρακτικά άσκοπη.

Από πού πήραν το ήλιο οι Γερμανοί χημικοί;

Αυτό το ζήτημα, όπως αποδείχθηκε αργότερα, επιλύθηκε σχετικά απλά. Πολύ πριν από τον πόλεμο, οι γερμανικές ναυτιλιακές εταιρείες που μετέφεραν εμπορεύματα στην Ινδία και τη Βραζιλία έλαβαν οδηγίες να φορτώνουν τα πλοία που επέστρεφαν όχι με συνηθισμένο έρμα, αλλά με άμμο μοναζίτη, που περιέχει ήλιο. Έτσι, δημιουργήθηκε ένα απόθεμα "πρώτων υλών ηλίου" - περίπου 5 χιλιάδες τόνοι άμμου μοναζίτη, από το οποίο ελήφθη ήλιο για τα ζέπελιν. Επιπλέον, εξήχθη ήλιο από το νερό της μεταλλικής πηγής Nauheim, η οποία έδωσε έως και 70 κυβικά μέτρα. m ήλιου καθημερινά.

Το περιστατικό με το πυρίμαχο ζέπελιν ήταν το έναυσμα για νέες έρευνες για ήλιο. Χημικοί, φυσικοί και γεωλόγοι άρχισαν να αναζητούν εντατικά ήλιο. Ξαφνικά απέκτησε τεράστια αξία. Το 1916, 1 κυβικό μέτρο ηλίου κόστιζε 200.000 ρούβλια σε χρυσό, δηλαδή 200 ρούβλια ανά λίτρο. Αν λάβουμε υπόψη ότι ένα λίτρο ηλίου ζυγίζει 0,18 g, τότε το 1 g του κοστίζει πάνω από 1000 ρούβλια.

Το ήλιο έγινε αντικείμενο κυνηγιού για εμπόρους, κερδοσκόπους και χρηματιστές. Ήλιο ανακαλύφθηκε σε σημαντικές ποσότητες σε φυσικά αέρια που αναδύονται από τα έγκατα της γης στην Αμερική, στην πολιτεία του Κάνσας, όπου, μετά την είσοδο της Αμερικής στον πόλεμο, χτίστηκε μια μονάδα ηλίου κοντά στην πόλη Φορτ Γουόρθ. Όμως ο πόλεμος τελείωσε, τα αποθέματα ηλίου παρέμειναν αχρησιμοποίητα, το κόστος του ηλίου μειώθηκε απότομα και στα τέλη του 1918 ανήλθε σε περίπου τέσσερα ρούβλια ανά κυβικό μέτρο.

Το ήλιο που αποκτήθηκε με τέτοια δυσκολία χρησιμοποιήθηκε από τους Αμερικανούς μόνο το 1923 για να γεμίσουν το ειρηνικό πλέον αερόπλοιο Shenandoah. Ήταν το πρώτο και μοναδικό στον κόσμο φορτηγό-επιβατηγό πλοίο γεμάτο με ήλιο. Ωστόσο, η «ζωή» του αποδείχθηκε βραχύβια. Δύο χρόνια μετά τη γέννησή του, το Shenandoah καταστράφηκε από μια καταιγίδα. 55 χιλιάδες κυβικά μέτρα m, σχεδόν ολόκληρο το παγκόσμιο απόθεμα ηλίου, που συγκεντρώθηκε σε διάστημα έξι ετών, διαλύθηκε χωρίς ίχνος στην ατμόσφαιρα κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας που διήρκεσε μόνο 30 λεπτά.

Εφαρμογή ηλίου

Ήλιο στη φύση

Κυρίως επίγεια ήλιοσχηματίζεται κατά τη ραδιενεργή διάσπαση του ουρανίου-238, του ουρανίου-235, του θορίου και των ασταθών προϊόντων της διάσπασής τους. Ασύγκριτα μικρότερες ποσότητες ηλίου παράγονται από την αργή αποσύνθεση του σαμαρίου-147 και του βισμούθιου. Όλα αυτά τα στοιχεία παράγουν μόνο το βαρύ ισότοπο του ηλίου - He 4, τα άτομα του οποίου μπορούν να θεωρηθούν ως υπολείμματα σωματιδίων άλφα θαμμένα σε ένα κέλυφος δύο ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων - σε ένα διπλό ηλεκτρονίων. Στις πρώιμες γεωλογικές περιόδους, υπήρχαν πιθανώς άλλες φυσικά ραδιενεργές σειρές στοιχείων που είχαν ήδη εξαφανιστεί από το πρόσωπο της Γης, κορεσίζοντας τον πλανήτη με ήλιο. Ένα από αυτά ήταν η πλέον τεχνητά αναδημιουργημένη σειρά neptunium.

Από την ποσότητα ηλίου που είναι κλειδωμένο σε ένα βράχο ή ορυκτό, μπορεί κανείς να κρίνει την απόλυτη ηλικία του. Αυτές οι μετρήσεις βασίζονται στους νόμους της ραδιενεργής διάσπασης: για παράδειγμα, το ήμισυ του ουρανίου-238 μετατρέπεται σε ήλιοκαι να οδηγήσει.

Ήλιοσυσσωρεύεται αργά στο φλοιό της γης. Ένας τόνος γρανίτη που περιέχει 2 g ουρανίου και 10 g θορίου παράγει μόνο 0,09 mg ηλίου σε ένα εκατομμύριο χρόνια - μισό κυβικό εκατοστό. Τα πολύ λίγα ορυκτά πλούσια σε ουράνιο και θόριο έχουν αρκετά υψηλή περιεκτικότητα σε ήλιο - αρκετά κυβικά εκατοστά ηλίου ανά γραμμάριο. Ωστόσο, το μερίδιο αυτών των ορυκτών στη φυσική παραγωγή ηλίου είναι κοντά στο μηδέν, καθώς είναι πολύ σπάνια.

Υπάρχει λίγο ήλιο στη Γη: 1 m 3 αέρα περιέχει μόνο 5,24 cm 3 ήλιο, και κάθε κιλό γήινου υλικού περιέχει 0,003 mg ηλίου. Αλλά από την άποψη της επικράτησης στο Σύμπαν, το ήλιο κατατάσσεται στη δεύτερη θέση μετά το υδρογόνο: το ήλιο αντιπροσωπεύει περίπου το 23% της κοσμικής μάζας. Περίπου το ήμισυ όλου του ηλίου συγκεντρώνεται στον φλοιό της γης, κυρίως στο κέλυφος από γρανίτη, το οποίο έχει συσσωρεύσει τα κύρια αποθέματα ραδιενεργών στοιχείων. Η περιεκτικότητα σε ήλιο στον φλοιό της γης είναι χαμηλή - 3 x 10 -7% κατά μάζα. Το ήλιο συσσωρεύεται σε συσσωρεύσεις ελεύθερων αερίων στο υπέδαφος και στα έλαια. Τέτοια κοιτάσματα φτάνουν σε βιομηχανική κλίμακα. Οι μέγιστες συγκεντρώσεις ηλίου (10-13%) βρέθηκαν σε συσσωρεύσεις ελεύθερων αερίων και αέρια ορυχείων ουρανίου και (20-25%) σε αέρια που απελευθερώνονται αυθόρμητα από τα υπόγεια ύδατα. Όσο μεγαλύτερη είναι η ηλικία των ιζηματογενών πετρωμάτων που φέρουν αέρια και όσο μεγαλύτερη είναι η περιεκτικότητα σε ραδιενεργά στοιχεία σε αυτά, τόσο περισσότερο ήλιο στη σύνθεση των φυσικών αερίων.

Εξαγωγή ηλίου

Το ήλιο παράγεται σε βιομηχανική κλίμακα από φυσικά και πετρελαϊκά αέρια σύνθεσης τόσο υδρογονάνθρακα όσο και αζώτου. Με βάση την ποιότητα των πρώτων υλών, τα κοιτάσματα ηλίου χωρίζονται σε: πλούσια (περιεκτικότητα σε He > 0,5% κατ' όγκο). συνηθισμένο (0,10-0,50) και φτωχό< 0,10). Значительные его концентрации известны в некоторых месторождениях природного газа Канады, США (шт. Канзас, Техас, Нью-Мексико, Юта).

Τα παγκόσμια αποθέματα ηλίου ανέρχονται σε 45,6 δισεκατομμύρια κυβικά μέτρα. Μεγάλα κοιτάσματα βρίσκονται στις Ηνωμένες Πολιτείες (45% των παγκόσμιων πόρων), ακολουθούμενα από τη Ρωσία (32%), την Αλγερία (7%), τον Καναδά (7%) και την Κίνα (4%).
Οι Ηνωμένες Πολιτείες προηγούνται επίσης στην παραγωγή ηλίου (140 εκατομμύρια κυβικά μέτρα ετησίως), ακολουθούμενες από την Αλγερία (16 εκατομμύρια).

Η Ρωσία κατέχει την τρίτη θέση στον κόσμο - 6 εκατομμύρια κυβικά μέτρα ετησίως. Το εργοστάσιο ηλίου στο Όρενμπουργκ είναι επί του παρόντος η μόνη εγχώρια πηγή παραγωγής ηλίου και η παραγωγή φυσικού αερίου μειώνεται. Από αυτή την άποψη, τα κοιτάσματα αερίου στην Ανατολική Σιβηρία και την Άπω Ανατολή με υψηλές συγκεντρώσεις ηλίου (έως 0,6%) έχουν ιδιαίτερη σημασία. Ένα από τα πιο πολλά υποσχόμενα είναι το Kovykta ha είναι ένα πεδίο συμπυκνώματος που βρίσκεται στα βόρεια της περιοχής του Ιρκούτσκ. Σύμφωνα με τους ειδικούς, περιέχει περίπου το 25% του κόσμου x αποθέματα ηλίου.

Όνομα δείκτη	Ήλιο (βαθμός Α) (σύμφωνα με το TU 51-940-80)	Ήλιο (βαθμός Β) (σύμφωνα με το TU 51-940-80)	Ήλιο υψηλής καθαρότητας, βαθμού 5,5 (σύμφωνα με το TU 0271-001-45905715-02)	Ήλιο υψηλής καθαρότητας, βαθμού 6.0 (σύμφωνα με το TU 0271-001-45905715-02)
Ήλιο, όχι λιγότερο
Άζωτο, όχι άλλο
Οξυγόνο + αργό
Νέον, τίποτα περισσότερο
Υδρατμοί, όχι άλλο
Υδρογονάνθρακες, όχι περισσότερο
CO2 + CO, όχι περισσότερο
Υδρογόνο, όχι άλλο

Ασφάλεια

– Το ήλιο δεν είναι τοξικό, δεν είναι εύφλεκτο, δεν είναι εκρηκτικό
– Το ήλιο επιτρέπεται να χρησιμοποιείται σε χώρους με πολύ κόσμο: σε συναυλίες, διαφημιστικές εκδηλώσεις, γήπεδα, καταστήματα.
– Το αέριο ήλιο είναι φυσιολογικά αδρανές και δεν αποτελεί κίνδυνο για τον άνθρωπο.
– Το ήλιο δεν είναι επικίνδυνο για το περιβάλλον, επομένως δεν απαιτείται εξουδετέρωση, ανακύκλωση και απόρριψη των υπολειμμάτων του σε φιάλες.
– Το ήλιο είναι πολύ ελαφρύτερο από τον αέρα και διαχέεται στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας της Γης.

Ήλιο (βαθμοί Α και Β σύμφωνα με το TU 51-940-80)
Τεχνική ονομασία	Αέριο ήλιο
Χημική φόρμουλα
Αριθμός OON
Κατηγορία κινδύνου μεταφοράς
Φυσικές ιδιότητες
Φυσική κατάσταση	Υπό κανονικές συνθήκες - αέριο
Πυκνότητα, kg/m³	Υπό κανονικές συνθήκες (101,3 kPa, 20 C), 1627
Σημείο βρασμού, C στα 101,3 kPa
Θερμοκρασία του 3ου σημείου και η πίεση ισορροπίας του C, (mPa)
Διαλυτότητα στο νερό	ασήμαντος
Κίνδυνος πυρκαγιάς και έκρηξης	πυρκαγιά και έκρηξη
Σταθερότητα και αντιδραστικότητα
Σταθερότητα	Σταθερός
Αντιδραστικότητα	Αδρανές αέριο
Κίνδυνος για τον άνθρωπο
Τοξικές επιδράσεις	Μη τοξικό
Περιβαλλοντικός κίνδυνος	Δεν έχει βλαβερή επίδραση στο περιβάλλον
Εγκαταστάσεις	Ισχύουν όλα τα μέσα

Αποθήκευση και μεταφορά ηλίου

Το αέριο ήλιο μπορεί να μεταφερθεί με όλους τους τρόπους μεταφοράς σύμφωνα με τους κανόνες για τη μεταφορά εμπορευμάτων σε συγκεκριμένο τρόπο μεταφοράς. Η μεταφορά πραγματοποιείται σε ειδικούς κυλίνδρους από καφέ χάλυβα και δοχεία για τη μεταφορά ηλίου. Το υγρό ήλιο μεταφέρεται σε δοχεία μεταφοράς όπως STG-40, STG-10 και STG-25 με όγκο 40, 10 και 25 λίτρων.

Κανόνες για τη μεταφορά κυλίνδρων με τεχνικά αέρια

Η μεταφορά επικίνδυνων εμπορευμάτων στη Ρωσική Ομοσπονδία ρυθμίζεται από τα ακόλουθα έγγραφα:

1. «Κανόνες για την οδική μεταφορά επικίνδυνων εμπορευμάτων» (όπως τροποποιήθηκε με διαταγές του Υπουργείου Μεταφορών της Ρωσικής Ομοσπονδίας της 11ης Ιουνίου 1999 αριθ. 37, της 14ης Οκτωβρίου 1999 αριθ. 77· καταχωρήθηκε στο Υπουργείο Μεταφορών Δικαιοσύνη της Ρωσικής Ομοσπονδίας στις 18 Δεκεμβρίου 1995, αριθμός εγγραφής 997).

2. «Ευρωπαϊκή Συμφωνία για τη Διεθνή Οδική Μεταφορά Επικίνδυνων Εμπορευμάτων» (ADR), στην οποία προσχώρησε επίσημα η Ρωσία στις 28 Απριλίου 1994 (Διάταγμα της κυβέρνησης της Ρωσικής Ομοσπονδίας αρ. 76 της 02/03/1994).

3. «Κανόνες Οδοποιίας» (Κανονισμοί Κυκλοφορίας 2006), συγκεκριμένα το άρθρο 23.5, το οποίο ορίζει ότι «Η μεταφορά... επικίνδυνων εμπορευμάτων... γίνεται σύμφωνα με ειδικούς κανόνες».

4. «Κώδικας της Ρωσικής Ομοσπονδίας για διοικητικά αδικήματα», το άρθρο 12.21 Μέρος 2 του οποίου προβλέπει την ευθύνη για παραβίαση των κανόνων μεταφοράς επικίνδυνων εμπορευμάτων με τη μορφή «διοικητικού προστίμου για τους οδηγούς ύψους από ένα έως τριπλάσιο του κατώτατος μισθός ή στέρηση του δικαιώματος οδήγησης οχημάτων για περίοδο ενός έως τριών μηνών· για υπαλλήλους που είναι υπεύθυνοι για τη μεταφορά - από δέκα έως είκοσι φορές τον κατώτατο μισθό."

Σύμφωνα με την ρήτρα 3, ενότητα 1.2, «Οι Κανόνες δεν ισχύουν για... μεταφορά περιορισμένης ποσότητας επικίνδυνων ουσιών σε ένα όχημα, η μεταφορά των οποίων μπορεί να θεωρηθεί ως μεταφορά μη επικίνδυνου φορτίου». Εξηγεί επίσης ότι «Στις απαιτήσεις για την ασφαλή μεταφορά ενός συγκεκριμένου τύπου επικίνδυνων εμπορευμάτων καθορίζεται περιορισμένη ποσότητα επικίνδυνων εμπορευμάτων. Κατά τον προσδιορισμό του, είναι δυνατό να χρησιμοποιηθούν οι απαιτήσεις της Ευρωπαϊκής Συμφωνίας για τη Διεθνή Μεταφορά Επικίνδυνων Εμπορευμάτων (ADR)». Έτσι, το ζήτημα της μέγιστης ποσότητας ουσιών που μπορούν να μεταφερθούν ως μη επικίνδυνα εμπορεύματα εντάσσεται στη μελέτη της ενότητας 1.1.3 της ADR, η οποία θεσπίζει εξαιρέσεις από τους ευρωπαϊκούς κανόνες για τη μεταφορά επικίνδυνων εμπορευμάτων που σχετίζονται με διάφορες περιστάσεις.

Έτσι, για παράδειγμα, σύμφωνα με την παράγραφο 1.1.3.1 «Οι διατάξεις της ADR δεν ισχύουν... για τη μεταφορά επικίνδυνων εμπορευμάτων από ιδιώτες, όταν τα αγαθά αυτά συσκευάζονται για λιανική πώληση και προορίζονται για προσωπική τους κατανάλωση, οικιακή χρήσης, αναψυχής ή αθλητισμού, υπό την προϋπόθεση ότι έχουν ληφθεί μέτρα για την αποτροπή τυχόν διαρροής του περιεχομένου υπό κανονικές συνθήκες μεταφοράς.»

Ωστόσο, μια ομάδα εξαιρέσεων που αναγνωρίζονται επίσημα από τους κανόνες για τη μεταφορά επικίνδυνων εμπορευμάτων είναι εξαιρέσεις που σχετίζονται με ποσότητες που μεταφέρονται σε μία μονάδα μεταφοράς (ρήτρα 1.1.3.6).

Όλα τα αέρια ταξινομούνται στη δεύτερη κατηγορία ουσιών σύμφωνα με την ταξινόμηση ADR. Τα μη εύφλεκτα, μη τοξικά αέρια (ομάδες Α - ουδέτερα και Ο - οξειδωτικά) ανήκουν στην τρίτη κατηγορία μεταφορών, με μέγιστη ποσότητα περιορισμένη στις 1000 μονάδες. Πολύ εύφλεκτο (ομάδα F) - στη δεύτερη, με μέγιστη ποσότητα περιορισμένη στις 333 μονάδες. Με τον όρο «μονάδα» εδώ εννοούμε 1 λίτρο της χωρητικότητας του δοχείου που περιέχει το συμπιεσμένο αέριο ή 1 κιλό υγροποιημένο ή διαλυμένο αέριο. Επομένως, η μέγιστη ποσότητα αερίων που μπορεί να μεταφερθεί σε μια μονάδα μεταφοράς ως μη επικίνδυνο φορτίο είναι η εξής:

Το ήλιο είναι ένα πραγματικά ευγενές αέριο. Δεν έχει καταστεί ακόμη δυνατό να τον αναγκάσουμε σε καμία αντίδραση. Το μόριο ηλίου είναι μονατομικό.

Όσον αφορά την ελαφρότητα, αυτό το αέριο είναι δεύτερο μόνο μετά το υδρογόνο· ο αέρας είναι 7,25 φορές βαρύτερος από το ήλιο.

Το ήλιο είναι σχεδόν αδιάλυτο στο νερό και σε άλλα υγρά. Και με τον ίδιο τρόπο, ούτε μια ουσία δεν διαλύεται αισθητά στο υγρό ήλιο.

Το στερεό ήλιο δεν μπορεί να ληφθεί σε καμία θερμοκρασία εκτός εάν αυξηθεί η πίεση.

Στην ιστορία της ανακάλυψης, της έρευνας και της εφαρμογής αυτού του στοιχείου, μπορούν να βρεθούν τα ονόματα πολλών επιφανών φυσικών και χημικών από διάφορες χώρες. Τα ακόλουθα άτομα ενδιαφέρθηκαν για το ήλιο και εργάστηκαν με ήλιο: Jansen (Γαλλία), Lockyer, Ramsay, Crookes, Rutherford (Αγγλία), Palmieri (Ιταλία), Keesom, Kamerlingh-Onnes (Ολλανδία), Feynman, Onsager (ΗΠΑ), Kapitza , Kikoin, Landau (Σοβιετική Ένωση) και πολλούς άλλους εξέχοντες επιστήμονες.

Η μοναδική εμφάνιση του ατόμου ηλίου καθορίζεται από τον συνδυασμό δύο εκπληκτικών φυσικών δομών - απόλυτους πρωταθλητές στη συμπαγή και αντοχή. Στον πυρήνα του ηλίου, το ήλιο-4, και τα δύο ενδοπυρηνικά κελύφη είναι κορεσμένα - τόσο πρωτόνιο όσο και νετρόνιο. Το ηλεκτρονικό διπλό που πλαισιώνει αυτόν τον πυρήνα είναι επίσης κορεσμένο. Αυτά τα σχέδια κρατούν το κλειδί για την κατανόηση των ιδιοτήτων του ηλίου. Αυτή είναι η πηγή της εκπληκτικής χημικής του αδράνειας και του μικρού μεγέθους ρεκόρ του ατόμου του.

Ο ρόλος του πυρήνα του ατόμου ηλίου - του σωματιδίου άλφα - είναι τεράστιος στην ιστορία του σχηματισμού και της ανάπτυξης της πυρηνικής φυσικής. Αν θυμάστε, ήταν η μελέτη της σκέδασης των σωματιδίων άλφα που οδήγησε τον Ράδερφορντ στην ανακάλυψη του ατομικού πυρήνα. Βομβαρδίζοντας άζωτο με σωματίδια άλφα, επιτεύχθηκε για πρώτη φορά η αλληλομετατροπή στοιχείων - κάτι που πολλές γενιές αλχημιστών ονειρευόντουσαν για αιώνες. Είναι αλήθεια ότι σε αυτή την αντίδραση δεν ήταν ο υδράργυρος που μετατράπηκε σε χρυσό, αλλά το άζωτο σε οξυγόνο, αλλά αυτό είναι σχεδόν το ίδιο δύσκολο να γίνει. Τα ίδια σωματίδια άλφα συμμετείχαν στην ανακάλυψη του νετρονίου και στην παραγωγή του πρώτου τεχνητού ισοτόπου. Αργότερα, το κούριο, το βερκέλιο, το καλιφόρνιο και το μεντελέβιο συντέθηκαν χρησιμοποιώντας σωματίδια άλφα.

Παραθέσαμε αυτά τα γεγονότα για έναν μόνο σκοπό - να δείξουμε ότι το στοιχείο Νο. 2 είναι ένα πολύ ασυνήθιστο στοιχείο.

Σε ένα μεγάλο μπαλόνι... Το ήλιο χρησιμοποιείται για την παρασκευή αναπνευστικών μειγμάτων, μεταξύ άλλων για την ατμόσφαιρα επανδρωμένων διαστημικών σκαφών, για καταδύσεις σε βαθιά θαλάσσια βάθη, καθώς και για τη θεραπεία του άσθματος, για πλήρωση αερόπλοιων και μπαλονιών. Είναι μη τοξικό, επομένως η εισπνοή μικρών ποσοτήτων ηλίου στον αέρα είναι εντελώς ακίνδυνη.

Κολοσσός της Ρόδου, ένα γιγάντιο άγαλμα του αρχαίου θεού Ήλιου. Το στοιχείο ήλιο ανακαλύφθηκε με τη φασματική μέθοδο στον Ήλιο και μόλις αργότερα ανακαλύφθηκε στη Γη.

Επίγειο ήλιο

Το ήλιο είναι ένα ασυνήθιστο στοιχείο και η ιστορία του είναι ασυνήθιστη. Ανακαλύφθηκε στην ηλιακή ατμόσφαιρα 13 χρόνια νωρίτερα από ό,τι στη Γη. Πιο συγκεκριμένα, μια φωτεινή κίτρινη γραμμή D ανακαλύφθηκε στο φάσμα του ηλιακού στέμματος και αυτό που κρυβόταν πίσω από αυτό έγινε αξιόπιστα γνωστό μόνο μετά την εξαγωγή ηλίου από γήινα ορυκτά που περιείχαν ραδιενεργά στοιχεία.

Το Ήλιο στον Ήλιο ανακαλύφθηκε από τον Γάλλο J. Jansen, ο οποίος πραγματοποίησε τις παρατηρήσεις του στην Ινδία στις 19 Αυγούστου 1868 και ο Άγγλος J.H. Lockyer - 20 Οκτωβρίου του ίδιου έτους. Επιστολές και από τους δύο επιστήμονες έφτασαν στο Παρίσι την ίδια μέρα και διαβάστηκαν σε συνεδρίαση της Ακαδημίας Επιστημών του Παρισιού στις 26 Οκτωβρίου, με μεσοδιάστημα πολλών λεπτών. Οι ακαδημαϊκοί, έκπληκτοι από μια τόσο περίεργη σύμπτωση, αποφάσισαν να χτυπήσουν ένα χρυσό μετάλλιο προς τιμήν αυτού του γεγονότος.

Το 1881, ο Ιταλός επιστήμονας Palmieri ανέφερε την ανακάλυψη ηλίου σε ηφαιστειακά αέρια. Ωστόσο, το μήνυμά του, που επιβεβαιώθηκε αργότερα, λήφθηκε στα σοβαρά από λίγους επιστήμονες. Το χερσαίο ήλιο ανακαλύφθηκε ξανά από τον Ramsay το 1895.

Υπάρχουν 29 ισότοπα στον φλοιό της γης, η ραδιενεργή διάσπαση των οποίων παράγει σωματίδια άλφα - εξαιρετικά ενεργούς πυρήνες ατόμων ηλίου υψηλής ενέργειας.

Βασικά, το επίγειο ήλιο σχηματίζεται κατά τη ραδιενεργή διάσπαση του ουρανίου-238, του ουρανίου-235, του θορίου και των ασταθών προϊόντων της διάσπασής τους. Ασύγκριτα μικρότερες ποσότητες ηλίου παράγονται από την αργή αποσύνθεση του σαμαρίου-147 και του βισμούθιου. Όλα αυτά τα στοιχεία παράγουν μόνο το βαρύ ισότοπο του ηλίου - 4He, τα άτομα του οποίου μπορούν να θεωρηθούν ως τα υπολείμματα σωματιδίων άλφα που είναι θαμμένα σε ένα κέλυφος δύο ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων - σε ένα διπλό ηλεκτρονίων. Στις πρώιμες γεωλογικές περιόδους, υπήρχαν πιθανώς άλλες φυσικά ραδιενεργές σειρές στοιχείων που είχαν ήδη εξαφανιστεί από το πρόσωπο της Γης, κορεσίζοντας τον πλανήτη με ήλιο. Ένα από αυτά ήταν η πλέον τεχνητά αναδημιουργημένη σειρά neptunium.

Το ήλιο συσσωρεύεται αργά στο φλοιό της γης. Ένας τόνος γρανίτη που περιέχει 2 g ουρανίου και 10 g θορίου παράγει μόνο 0,09 mg ηλίου - μισό κυβικό εκατοστό - σε ένα εκατομμύριο χρόνια. Τα πολύ λίγα ορυκτά πλούσια σε ουράνιο και θόριο έχουν αρκετά υψηλή περιεκτικότητα σε ήλιο - αρκετά κυβικά εκατοστά ηλίου ανά γραμμάριο. Ωστόσο, το μερίδιο αυτών των ορυκτών στη φυσική παραγωγή ηλίου είναι κοντά στο μηδέν, καθώς είναι πολύ σπάνια.

Οι φυσικές ενώσεις που περιέχουν άλφα ενεργά ισότοπα αποτελούν μόνο μια πρωτογενή πηγή, αλλά όχι πρώτη ύλη για τη βιομηχανική παραγωγή ηλίου. Είναι αλήθεια ότι ορισμένα ορυκτά με πυκνή δομή - εγγενή μέταλλα, μαγνητίτης, γρανάτης, απατίτης, ζιρκόνιο και άλλα - διατηρούν σταθερά το ήλιο που περιέχονται σε αυτά. Ωστόσο, με την πάροδο του χρόνου, τα περισσότερα ορυκτά υφίστανται διαδικασίες διάβρωσης, ανακρυστάλλωσης κ.λπ., και το ήλιο τα φεύγει.

Φυσαλίδες ηλίου που απελευθερώνονται από κρυσταλλικές δομές ξεκινούν ένα ταξίδι στον φλοιό της γης. Ένα πολύ μικρό μέρος τους διαλύεται στα υπόγεια νερά. Για να σχηματιστούν περισσότερο ή λιγότερο συμπυκνωμένα διαλύματα ηλίου, χρειάζονται ειδικές συνθήκες, κυρίως υψηλές πιέσεις. Ένα άλλο μέρος του περιπλανώμενου ηλίου διαφεύγει στην ατμόσφαιρα μέσω των πόρων και των ρωγμών των ορυκτών. Τα υπόλοιπα μόρια αερίου πέφτουν σε υπόγειες παγίδες, όπου συσσωρεύονται για δεκάδες ή εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια. Οι παγίδες είναι στρώματα χαλαρών πετρωμάτων, τα κενά των οποίων είναι γεμάτα με αέριο. Η κοίτη για τέτοιες δεξαμενές αερίου είναι συνήθως νερό και πετρέλαιο, και από πάνω καλύπτονται από αδιαπέραστα από αέρια στρώματα πυκνών πετρωμάτων.

Δεδομένου ότι άλλα αέρια (κυρίως μεθάνιο, άζωτο, διοξείδιο του άνθρακα) ταξιδεύουν επίσης στον φλοιό της γης, και σε πολύ μεγαλύτερες ποσότητες, δεν υπάρχουν συσσωρεύσεις καθαρού ηλίου. Το ήλιο υπάρχει στα φυσικά αέρια ως δευτερεύουσα ακαθαρσία. Το περιεχόμενό του δεν ξεπερνά τα χιλιοστά, τα εκατοστά, σπάνια τα δέκατα του τοις εκατό. Η μεγάλη (1,5...10%) περιεκτικότητα σε ήλιο των κοιτασμάτων μεθανίου-αζώτου είναι ένα εξαιρετικά σπάνιο φαινόμενο.

Σύμβολο στοιχείου από σωλήνες εκκένωσης αερίου γεμάτους ήλιο. Το ήλιο λάμπει ένα ανοιχτό ροδακινί χρώμα όταν το διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα.

Τα φυσικά αέρια αποδείχτηκαν πρακτικά η μόνη πηγή πρώτων υλών για τη βιομηχανική παραγωγή ηλίου. Για τον διαχωρισμό του από άλλα αέρια, χρησιμοποιείται η εξαιρετική πτητικότητα του ηλίου, που σχετίζεται με τη χαμηλή θερμοκρασία υγροποίησης του. Αφού όλα τα άλλα συστατικά του φυσικού αερίου έχουν συμπυκνωθεί κατά τη βαθιά ψύξη, το αέριο ήλιο αντλείται έξω. Στη συνέχεια καθαρίζεται από ακαθαρσίες. Η καθαρότητα του εργοστασιακού ηλίου φτάνει το 99,995%.

Τα αποθέματα ηλίου στη Γη υπολογίζονται σε 5·1014 m3. Κρίνοντας από τους υπολογισμούς, δεκάδες φορές περισσότερο από αυτό σχηματίστηκε στον φλοιό της γης σε διάστημα 2 δισεκατομμυρίων ετών. Αυτή η ασυμφωνία μεταξύ θεωρίας και πράξης είναι αρκετά κατανοητή. Το ήλιο είναι ένα ελαφρύ αέριο και, όπως το υδρογόνο (αν και πιο αργό), δεν διαφεύγει από την ατμόσφαιρα στο διάστημα. Πιθανώς, κατά τη διάρκεια της ύπαρξης της Γης, το ήλιο του πλανήτη μας ανανεώθηκε επανειλημμένα - το παλιό εξατμίστηκε στο διάστημα και αντί για αυτό, φρέσκο ήλιο εισήλθε στην ατμόσφαιρα - "εκπνέεται" από τη Γη.

Υπάρχει τουλάχιστον 200 χιλιάδες φορές περισσότερο ήλιο στη λιθόσφαιρα από ό,τι στην ατμόσφαιρα. Ακόμη περισσότερο δυναμικό ήλιο αποθηκεύεται στη «μήτρα» της Γης - σε άλφα ενεργά στοιχεία. Αλλά η συνολική περιεκτικότητα αυτού του στοιχείου στη Γη και την ατμόσφαιρα είναι μικρή. Το ήλιο είναι ένα σπάνιο και διάχυτο αέριο. Υπάρχει μόνο 0,003 mg ηλίου ανά 1 kg γήινου υλικού και η περιεκτικότητά του στον αέρα είναι 0,00052 τοις εκατό κατ' όγκο. Μια τόσο χαμηλή συγκέντρωση δεν επιτρέπει ακόμη την οικονομική εξαγωγή ηλίου από τον αέρα.

Το ήλιο σχηματίζεται από το υδρογόνο ως αποτέλεσμα μιας θερμοπυρηνικής αντίδρασης. Είναι οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις που παρέχουν την πηγή ενέργειας για τον Ήλιο μας και πολλά δισεκατομμύρια άλλα αστέρια.

Ήλιο στο Σύμπαν

Το εσωτερικό και η ατμόσφαιρα του πλανήτη μας είναι φτωχά σε ήλιο. Αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι υπάρχει λίγο από αυτό παντού στο Σύμπαν. Σύμφωνα με σύγχρονες εκτιμήσεις, το 76% της κοσμικής μάζας είναι υδρογόνο και το 23% ήλιο. απομένει μόνο 1% για όλα τα άλλα στοιχεία! Έτσι, η ύλη του κόσμου μπορεί να ονομαστεί υδρογόνο-ήλιο. Αυτά τα δύο στοιχεία κυριαρχούν στα αστέρια, στα πλανητικά νεφελώματα και στο διαστρικό αέριο.

Ρύζι. 1. Καμπύλες αφθονίας στοιχείων στη Γη (κορυφή) και στο διάστημα.

Η «κοσμική» καμπύλη αντανακλά τον εξαιρετικό ρόλο του υδρογόνου και του ηλίου στο σύμπαν και την ιδιαίτερη σημασία της ομάδας ηλίου στη δομή του ατομικού πυρήνα. Η μεγαλύτερη σχετική αφθονία είναι εκείνα τα στοιχεία και εκείνα τα ισότοπα των οποίων ο μαζικός αριθμός χωρίζεται σε τέσσερα: 16O, 20Ne, 24Mg κ.λπ.

Πιθανώς, όλοι οι πλανήτες του ηλιακού συστήματος περιέχουν ραδιογενές (που σχηματίζεται κατά τη διάσπαση άλφα) ήλιο και οι μεγάλοι περιέχουν επίσης υπολειμματικό ήλιο από το διάστημα. Το ήλιο υπάρχει άφθονα στην ατμόσφαιρα του Δία: σύμφωνα με ορισμένα στοιχεία είναι 33%, σύμφωνα με άλλα - 17%. Αυτή η ανακάλυψη αποτέλεσε τη βάση της πλοκής μιας από τις ιστορίες του διάσημου επιστήμονα και συγγραφέα επιστημονικής φαντασίας A. Azimov. Στο επίκεντρο της ιστορίας βρίσκεται ένα σχέδιο (πιθανώς εφικτό στο μέλλον) για την παράδοση ηλίου από τον Δία, ακόμη και την παράδοση μιας αρμάδας κυβερνητικών μηχανών σε κρυοτόνια στον πλησιέστερο δορυφόρο αυτού του πλανήτη - τον Δία V (περισσότερα για αυτά παρακάτω). Βυθισμένες στο υγρό ήλιο της ατμόσφαιρας του Δία (οι εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες και η υπεραγωγιμότητα είναι απαραίτητες προϋποθέσεις για τη λειτουργία των κρυοτρονίων), αυτές οι μηχανές θα μετατρέψουν τον Δία V στο εγκεφαλικό κέντρο του ηλιακού συστήματος...

Η προέλευση του αστρικού ηλίου εξηγήθηκε το 1938 από τους Γερμανούς φυσικούς Bethe και Weizsäcker. Αργότερα, η θεωρία τους έλαβε πειραματική επιβεβαίωση και τελειοποίηση με τη βοήθεια επιταχυντών σωματιδίων. Η ουσία του είναι η εξής.

Οι πυρήνες ηλίου συντήκονται σε αστρικές θερμοκρασίες από πρωτόνια σε διαδικασίες σύντηξης που απελευθερώνουν 175 εκατομμύρια κιλοβατώρες ενέργειας για κάθε κιλό ηλίου.

Διαφορετικοί κύκλοι αντίδρασης μπορούν να οδηγήσουν σε σύνθεση ηλίου.

Σε συνθήκες όχι πολύ καυτών αστεριών, όπως ο Ήλιος μας, ο κύκλος πρωτονίου-πρωτονίου προφανώς κυριαρχεί. Αποτελείται από τρεις διαδοχικά μεταβαλλόμενους μετασχηματισμούς. Πρώτον, δύο πρωτόνια συνδυάζονται με τεράστιες ταχύτητες για να σχηματίσουν ένα δευτερόνιο - μια δομή που αποτελείται από ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο. Σε αυτή την περίπτωση, το ποζιτρόνιο και το νετρίνο διαχωρίζονται. Στη συνέχεια, το δευτερόνιο και το πρωτόνιο συνδυάζονται για να σχηματίσουν ελαφρύ ήλιο με την εκπομπή ενός κβαντικού γάμμα. Τέλος, δύο πυρήνες 3He αντιδρούν, μετασχηματιζόμενοι σε ένα σωματίδιο άλφα και δύο πρωτόνια. Ένα σωματίδιο άλφα, έχοντας αποκτήσει δύο ηλεκτρόνια, θα γίνει τότε άτομο ηλίου.

Το ίδιο τελικό αποτέλεσμα δίνει ένας ταχύτερος κύκλος άνθρακα-αζώτου, η σημασία του οποίου υπό ηλιακές συνθήκες δεν είναι πολύ μεγάλη, αλλά σε αστέρια θερμότερα από τον Ήλιο, ο ρόλος αυτού του κύκλου αυξάνεται. Αποτελείται από έξι βήματα – αντιδράσεις. Ο άνθρακας παίζει εδώ το ρόλο του καταλύτη για τη διαδικασία σύντηξης πρωτονίων. Η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια αυτών των μετασχηματισμών είναι η ίδια όπως κατά τη διάρκεια του κύκλου πρωτονίου-πρωτονίου - 26,7 MeV ανά άτομο ηλίου.

Η αντίδραση σύνθεσης ηλίου είναι η βάση για την ενεργειακή δραστηριότητα των άστρων και τη λάμψη τους. Κατά συνέπεια, η σύνθεση ηλίου μπορεί να θεωρηθεί ο προπάτορας όλων των αντιδράσεων στη φύση, η βασική αιτία της ζωής, του φωτός, της θερμότητας και των μετεωρολογικών φαινομένων στη Γη.

Το ήλιο δεν είναι πάντα το τελικό προϊόν των αστρικών συντήξεων. Σύμφωνα με τη θεωρία του καθηγητή D.A. Frank-Kamenetsky, με τη διαδοχική σύντηξη των πυρήνων ηλίου, σχηματίζονται 3Be, 12C, 16O, 20Ne, 24Mg και η σύλληψη πρωτονίων από αυτούς τους πυρήνες οδηγεί στο σχηματισμό άλλων πυρήνων. Η σύνθεση πυρήνων βαρέων στοιχείων μέχρι υπερουρανικά στοιχεία απαιτεί εξαιρετικές υπερυψηλές θερμοκρασίες, οι οποίες αναπτύσσονται σε ασταθείς «καινοφανείς» και «υπερκαινοφανείς» αστέρες.

Ο διάσημος Σοβιετικός χημικός A.F. Ο Καπουστίνσκι ονόμασε πρωτοστοιχεία υδρογόνου και ηλίου - στοιχεία της πρωτογενούς ύλης. Δεν είναι αυτή η υπεροχή που κρύβει την εξήγηση για την ειδική θέση του υδρογόνου και του ηλίου στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων, ιδίως το γεγονός ότι η πρώτη περίοδος στερείται ουσιαστικά της περιοδικότητας που χαρακτηρίζει άλλες περιόδους;

Ατομική δομή ηλίου

Το καλύτερο...

Το άτομο ηλίου (γνωστός και ως μόριο) είναι η ισχυρότερη από τις μοριακές δομές. Οι τροχιές των δύο ηλεκτρονίων του είναι ακριβώς ίδιες και περνούν εξαιρετικά κοντά στον πυρήνα. Για να εκτεθεί ο πυρήνας του ηλίου, είναι απαραίτητο να δαπανηθεί μια ποσότητα ρεκόρ ενέργειας - 78,61 MeV. Εξ ου και η εκπληκτική χημική παθητικότητα του ηλίου.

Τα τελευταία 15 χρόνια, οι χημικοί κατάφεραν να αποκτήσουν περισσότερες από 150 χημικές ενώσεις βαρέων ευγενών αερίων (οι ενώσεις βαρέων ευγενών αερίων θα συζητηθούν στα άρθρα "Krypton" και "Xenon"). Ωστόσο, η αδράνεια του ηλίου παραμένει, όπως και πριν, πέρα από κάθε υποψία.

Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι ακόμα κι αν βρεθεί ένας τρόπος για να παραχθεί, ας πούμε, φθοριούχο ή οξείδιο του ηλίου, τότε κατά τη διάρκεια του σχηματισμού θα απορροφούσαν τόση πολλή ενέργεια που τα προκύπτοντα μόρια θα «εκραγούν» από αυτή την ενέργεια από το εσωτερικό.

Τα μόρια ηλίου είναι μη πολικά. Οι δυνάμεις της διαμοριακής αλληλεπίδρασης μεταξύ τους είναι εξαιρετικά μικρές - λιγότερες από οποιαδήποτε άλλη ουσία. Ως εκ τούτου - οι χαμηλότερες τιμές των κρίσιμων τιμών, το χαμηλότερο σημείο βρασμού, η χαμηλότερη θερμότητα εξάτμισης και τήξης. Όσο για τη θερμοκρασία τήξης του ηλίου, σε κανονική πίεση δεν υπάρχει καθόλου. Το υγρό ήλιο σε θερμοκρασία ανεξάρτητα από το πόσο κοντά στο απόλυτο μηδέν είναι δεν στερεοποιείται εκτός εάν, εκτός από τη θερμοκρασία, υπόκειται σε πίεση 25 ατμοσφαιρών και άνω. Δεν υπάρχει άλλη ουσία σαν αυτή στη φύση.

Επίσης, δεν υπάρχει άλλο αέριο τόσο αμελητέα διαλυτό σε υγρά, ειδικά στα πολικά, και τόσο λίγο επιρρεπές στην προσρόφηση όσο το ήλιο. Είναι ο καλύτερος αγωγός του ηλεκτρισμού μεταξύ των αερίων και ο δεύτερος καλύτερος αγωγός της θερμότητας, μετά το υδρογόνο. Η θερμοχωρητικότητα του είναι πολύ υψηλή και το ιξώδες του χαμηλό.

Το ήλιο διεισδύει εκπληκτικά γρήγορα μέσω λεπτών χωρισμάτων από ορισμένα οργανικά πολυμερή, πορσελάνη, χαλαζία και βοριοπυριτικό γυαλί. Είναι περίεργο το γεγονός ότι το ήλιο διαχέεται μέσα από το μαλακό γυαλί 100 φορές πιο αργά από ότι μέσω του βοριοπυριτικού γυαλιού. Το ήλιο μπορεί επίσης να διεισδύσει σε πολλά μέταλλα. Μόνο τα μέταλλα της ομάδας σιδήρου και πλατίνας, ακόμη και όταν θερμαίνονται, είναι εντελώς αδιαπέραστα σε αυτό.

Μια νέα μέθοδος εξαγωγής καθαρού ηλίου από φυσικό αέριο βασίζεται στην αρχή της επιλεκτικής διαπερατότητας.

Οι επιστήμονες δείχνουν εξαιρετικό ενδιαφέρον για το υγρό ήλιο. Πρώτον, είναι το πιο κρύο υγρό στο οποίο, επιπλέον, ούτε μια ουσία δεν διαλύεται αισθητά. Δεύτερον, είναι το ελαφρύτερο από τα υγρά με ελάχιστη επιφανειακή τάση.

Σε θερμοκρασία 2,172°K, εμφανίζεται μια απότομη αλλαγή στις ιδιότητες του υγρού ηλίου. Το είδος που προκύπτει ονομάζεται συμβατικά ήλιο II. Το ήλιο II βράζει τελείως διαφορετικά από τα άλλα υγρά· δεν βράζει όταν βράζει, η επιφάνειά του παραμένει εντελώς ήρεμη. Το Ήλιο II μεταφέρει τη θερμότητα 300 εκατομμύρια φορές καλύτερα από το κανονικό υγρό ήλιο (ήλιο Ι). Το ιξώδες του ηλίου II είναι πρακτικά μηδέν, είναι χίλιες φορές μικρότερο από το ιξώδες του υγρού υδρογόνου. Επομένως, το ήλιο II έχει υπερρευστότητα - την ικανότητα να ρέει χωρίς τριβή μέσα από τριχοειδή αυθαίρετα μικρής διαμέτρου.

Ένα άλλο σταθερό ισότοπο ηλίου, το 3He, μεταβαίνει σε υπερρευστή κατάσταση σε θερμοκρασία που απέχει μόνο εκατοστά της μοίρας από την απόλυτη σφαίρα. Το υπερρευστό ήλιο-4 και ήλιο-3 ονομάζονται κβαντικά υγρά: εμφανίζουν κβαντομηχανικά αποτελέσματα ακόμη και πριν στερεοποιηθούν. Αυτό εξηγεί την πολύ λεπτομερή μελέτη του υγρού ηλίου. Και τώρα παράγουν πολύ από αυτό - εκατοντάδες χιλιάδες λίτρα το χρόνο. Αλλά το στερεό ήλιο δεν έχει μελετηθεί σχεδόν καθόλου: οι πειραματικές δυσκολίες της μελέτης αυτού του πιο ψυχρού σώματος είναι μεγάλες. Αναμφίβολα, αυτό το κενό θα καλυφθεί, αφού οι φυσικοί περιμένουν πολλά νέα πράγματα από την κατανόηση των ιδιοτήτων του στερεού ηλίου: άλλωστε είναι και ένα κβαντικό σώμα.

Κύλινδροι ηλίου

Αδρανές, αλλά πολύ απαραίτητο

Στα τέλη του περασμένου αιώνα, το αγγλικό περιοδικό Punch δημοσίευσε μια γελοιογραφία στην οποία το ήλιο απεικονιζόταν ως ένα πονηρό ανθρωπάκι που κλείνει το μάτι - ένας κάτοικος του Ήλιου. Το κείμενο κάτω από την εικόνα έγραφε: «Επιτέλους, με έπιασαν στη Γη! Αυτό συνεχίστηκε αρκετά! Αναρωτιέμαι πόσο καιρό θα πάρει μέχρι να καταλάβουν τι να κάνουν μαζί μου;»

Πράγματι, πέρασαν 34 χρόνια από την ανακάλυψη του επίγειου ηλίου (η πρώτη αναφορά του δημοσιεύτηκε το 1881) προτού βρει πρακτική χρήση. Εδώ έπαιξαν κάποιο ρόλο οι αρχικές φυσικές, τεχνικές, ηλεκτρικές και, σε μικρότερο βαθμό, χημικές ιδιότητες του ηλίου, οι οποίες απαιτούσαν μακρά μελέτη. Τα κύρια εμπόδια ήταν η απουσία και το υψηλό κόστος του στοιχείου Νο. 2.

Οι Γερμανοί ήταν οι πρώτοι που χρησιμοποίησαν ήλιο. Το 1915, άρχισαν να γεμίζουν τα αερόπλοιά τους που βομβάρδισαν το Λονδίνο με αυτό. Σύντομα, το ελαφρύ αλλά μη εύφλεκτο ήλιο έγινε ένα απαραίτητο υλικό πλήρωσης για τα αεροναυτικά οχήματα. Η πτώση στην κατασκευή αερόπλοιων που ξεκίνησε στα μέσα της δεκαετίας του '30 οδήγησε σε κάποια μείωση της παραγωγής ηλίου, αλλά μόνο για μικρό χρονικό διάστημα. Αυτό το αέριο προσέλκυε όλο και περισσότερο την προσοχή χημικών, μεταλλουργών και μηχανολόγων μηχανικών.

Πολλές τεχνολογικές διεργασίες και λειτουργίες δεν μπορούν να πραγματοποιηθούν στον αέρα. Για να αποφευχθεί η αλληλεπίδραση της προκύπτουσας ουσίας (ή πρώτης ύλης) με αέρια αέρα, δημιουργούνται ειδικά προστατευτικά περιβάλλοντα. και δεν υπάρχει πιο κατάλληλο αέριο για αυτούς τους σκοπούς από το ήλιο.

Κύλινδροι ηλίου

Αδρανές, ελαφρύ, κινητό και καλός αγωγός της θερμότητας, το ήλιο είναι ιδανικό μέσο για τη συμπίεση πολύ εύφλεκτων υγρών και σκονών από το ένα δοχείο στο άλλο. Αυτές είναι οι λειτουργίες που εκτελεί σε πυραύλους και κατευθυνόμενους πυραύλους. Τα επιμέρους στάδια παραγωγής πυρηνικού καυσίμου λαμβάνουν χώρα σε περιβάλλον προστασίας από ήλιο. Τα στοιχεία καυσίμου των πυρηνικών αντιδραστήρων αποθηκεύονται και μεταφέρονται σε δοχεία γεμάτα με ήλιο.

Με τη βοήθεια ειδικών ανιχνευτών διαρροής, η δράση των οποίων βασίζεται στην εξαιρετική ικανότητα διάχυσης του ηλίου, εντοπίζουν την παραμικρή πιθανότητα διαρροής σε πυρηνικούς αντιδραστήρες και άλλα συστήματα υπό πίεση ή κενό.

Τα τελευταία χρόνια έχουν χαρακτηριστεί από μια ανανεωμένη άνοδο στην κατασκευή αερόπλοιων, τώρα σε υψηλότερη επιστημονική και τεχνική βάση. Σε πολλές χώρες έχουν κατασκευαστεί και κατασκευάζονται αερόπλοια με γέμισμα ηλίου με χωρητικότητα από 100 έως 3000 τόνους. Είναι οικονομικά, αξιόπιστα και βολικά για τη μεταφορά φορτίου μεγάλου μεγέθους, όπως αγωγούς αερίου, διυλιστήρια πετρελαίου, ηλεκτρική ενέργεια στηρίγματα γραμμών κ.λπ. Η πλήρωση 85% ηλίου και 15% υδρογόνου είναι πυρίμαχη και μειώνει την ανύψωση μόνο κατά 7% σε σύγκριση με μια πλήρωση υδρογόνου.

Πυρηνικοί αντιδραστήρες υψηλής θερμοκρασίας νέου τύπου, στους οποίους το ήλιο χρησιμεύει ως ψυκτικό, έχουν αρχίσει να λειτουργούν.

Το υγρό ήλιο χρησιμοποιείται ευρέως στην επιστημονική έρευνα και τεχνολογία. Οι εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες ευνοούν τη σε βάθος γνώση της ύλης και της δομής της - σε υψηλότερες θερμοκρασίες, οι λεπτές λεπτομέρειες των ενεργειακών φασμάτων καλύπτονται από τη θερμική κίνηση των ατόμων.

Υπάρχουν ήδη υπεραγώγιμα σωληνοειδή κατασκευασμένα από ειδικά κράματα που δημιουργούν ισχυρά μαγνητικά πεδία σε θερμοκρασίες υγρού ηλίου (έως 300 χιλιάδες oersteds) με αμελητέα κατανάλωση ενέργειας.

Στη θερμοκρασία του υγρού ηλίου, πολλά μέταλλα και κράματα γίνονται υπεραγωγοί. Τα υπεραγώγιμα ρελέ - κρυοτόνια - χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο στα σχέδια ηλεκτρονικών υπολογιστών. Είναι απλά, αξιόπιστα και πολύ συμπαγή. Οι υπεραγωγοί, και μαζί τους το υγρό ήλιο, γίνονται απαραίτητοι για τα ηλεκτρονικά. Περιλαμβάνονται στα σχέδια των ανιχνευτών υπέρυθρης ακτινοβολίας, των μοριακών ενισχυτών (μέιζερ), των οπτικών κβαντικών γεννητριών (λέιζερ) και των οργάνων για τη μέτρηση υπερυψηλών συχνοτήτων.

Φυσικά, αυτά τα παραδείγματα δεν εξαντλούν τον ρόλο του ηλίου στη σύγχρονη τεχνολογία. Αλλά αν δεν υπήρχε η περιορισμένη φύση των φυσικών πόρων και η ακραία διάχυση του ηλίου, θα είχε βρει πολλές περισσότερες εφαρμογές. Είναι γνωστό, για παράδειγμα, ότι όταν κονσερβοποιούνται σε ήλιο, τα τρόφιμα διατηρούν την αρχική τους γεύση και άρωμα. Αλλά η κονσερβοποιημένη τροφή «ηλίου» εξακολουθεί να παραμένει «πράγμα από μόνη της», επειδή δεν υπάρχει αρκετό ήλιο και χρησιμοποιείται μόνο στις πιο σημαντικές βιομηχανίες και όπου δεν μπορεί να γίνει χωρίς αυτό. Ως εκ τούτου, είναι ιδιαίτερα προσβλητικό να συνειδητοποιήσουμε ότι με εύφλεκτο φυσικό αέριο, πολύ μεγαλύτερες ποσότητες ηλίου περνούν από συσκευές χημικής σύνθεσης, φούρνους και φούρνους και διαφεύγουν στην ατμόσφαιρα από εκείνες που εξάγονται από πηγές που φέρουν ήλιο.

Τώρα θεωρείται επικερδής η απελευθέρωση ηλίου μόνο σε περιπτώσεις που η περιεκτικότητά του σε φυσικό αέριο δεν είναι μικρότερη από 0,05%. Τα αποθέματα τέτοιου αερίου μειώνονται συνεχώς και είναι πιθανό να εξαντληθούν πριν από το τέλος αυτού του αιώνα. Ωστόσο, το πρόβλημα της «ανεπάρκειας ηλίου» πιθανότατα θα έχει λυθεί έως τώρα - εν μέρει μέσω της δημιουργίας νέων, πιο προηγμένων μεθόδων διαχωρισμού αερίων, εξαγωγής από αυτά των πιο πολύτιμων, αν και ασήμαντων κλασμάτων και εν μέρει χάρη στην ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη. Το ήλιο θα γίνει ένα σημαντικό, αν και υποπροϊόν, της δραστηριότητας των «τεχνητών ήλιων».

Σωλήνας ηλίου

Ισότοπα ηλίου

Υπάρχουν δύο σταθερά ισότοπα ηλίου στη φύση: ήλιο-3 και ήλιο-4. Το ελαφρύ ισότοπο κατανέμεται στη Γη ένα εκατομμύριο φορές λιγότερο από το βαρύ. Αυτό είναι το σπανιότερο σταθερό ισότοπο που υπάρχει στον πλανήτη μας. Τρία ακόμη ισότοπα ηλίου έχουν ληφθεί τεχνητά. Είναι όλα ραδιενεργά. Ο χρόνος ημιζωής του ηλίου-5 είναι 2,4·10-21 δευτερόλεπτα, του ηλίου-6 είναι 0,83 δευτερόλεπτα, του ηλίου-8 είναι 0,18 δευτερόλεπτα. Το βαρύτερο ισότοπο, ενδιαφέρον επειδή στους πυρήνες του υπάρχουν τρία νετρόνια ανά πρωτόνιο, μελετήθηκε για πρώτη φορά στη Ντούμπνα τη δεκαετία του '60. Οι προσπάθειες για την απόκτηση ηλίου-10 ήταν μέχρι στιγμής ανεπιτυχείς.

Τελευταίο στερεό αέριο

Το ήλιο ήταν το τελευταίο από όλα τα αέρια που μετατράπηκε σε υγρή και στερεή κατάσταση. Οι ιδιαίτερες δυσκολίες της υγροποίησης και στερεοποίησης του ηλίου εξηγούνται από τη δομή του ατόμου του και ορισμένα χαρακτηριστικά των φυσικών του ιδιοτήτων. Συγκεκριμένα, το ήλιο, όπως και το υδρογόνο, σε θερμοκρασίες άνω των - 250°C, όταν διαστέλλεται, δεν ψύχεται, αλλά θερμαίνεται. Από την άλλη πλευρά, η κρίσιμη θερμοκρασία του ηλίου είναι εξαιρετικά χαμηλή. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το υγρό ήλιο ελήφθη για πρώτη φορά μόνο το 1908 και το στερεό ήλιο το 1926.

Αέρας ηλίου

Ο αέρας στον οποίο όλο ή το μεγαλύτερο μέρος του αζώτου αντικαθίσταται από ήλιο δεν είναι πλέον είδηση σήμερα. Χρησιμοποιείται ευρέως σε ξηρά, υπόγεια και κάτω από το νερό.

Ο αέρας ηλίου είναι τρεις φορές ελαφρύτερος και πολύ πιο ευκίνητος από τον συνηθισμένο αέρα. Συμπεριφέρεται πιο ενεργά στους πνεύμονες - παρέχει γρήγορα οξυγόνο και εκκενώνει γρήγορα το διοξείδιο του άνθρακα. Γι' αυτό χορηγείται αέρας ηλίου σε ασθενείς με αναπνευστικές διαταραχές και κάποιες επεμβάσεις. Ανακουφίζει από την ασφυξία, αντιμετωπίζει το βρογχικό άσθμα και τις παθήσεις του λάρυγγα.

Η εισπνοή αέρα ηλίου πρακτικά εξαλείφει την εμβολή αζώτου (νόσος caisson), στην οποία είναι ευαίσθητοι δύτες και ειδικοί άλλων επαγγελμάτων που εργάζονται σε συνθήκες υψηλής πίεσης κατά τη μετάβαση από την υψηλή πίεση στο φυσιολογικό. Η αιτία αυτής της ασθένειας είναι αρκετά σημαντική, ειδικά με την υψηλή αρτηριακή πίεση, τη διαλυτότητα του αζώτου στο αίμα. Καθώς η πίεση μειώνεται, απελευθερώνεται με τη μορφή φυσαλίδων αερίου, που μπορεί να φράξουν τα αιμοφόρα αγγεία, να βλάψουν τους νευρικούς κόμβους... Σε αντίθεση με το άζωτο, το ήλιο είναι πρακτικά αδιάλυτο στα σωματικά υγρά, επομένως δεν μπορεί να προκαλέσει ασθένεια αποσυμπίεσης. Επιπλέον, ο αέρας ηλίου εξαλείφει την εμφάνιση της «νάρκωσης του αζώτου», η οποία είναι εξωτερικά παρόμοια με τη δηλητηρίαση από το αλκοόλ.

Αργά ή γρήγορα, η ανθρωπότητα θα πρέπει να μάθει να ζει και να εργάζεται στον βυθό της θάλασσας για μεγάλο χρονικό διάστημα, προκειμένου να εκμεταλλευτεί σοβαρά τους ορυκτές και διατροφικές πηγές του ραφιού. Και σε μεγάλα βάθη, όπως έδειξαν τα πειράματα Σοβιετικών, Γάλλων και Αμερικανών ερευνητών, ο αέρας ηλίου εξακολουθεί να είναι απαραίτητος. Οι βιολόγοι έχουν αποδείξει ότι η παρατεταμένη αναπνοή του αέρα ηλίου δεν προκαλεί αρνητικές αλλαγές στο ανθρώπινο σώμα και δεν απειλεί αλλαγές στη γενετική συσκευή: η ατμόσφαιρα ηλίου δεν επηρεάζει την ανάπτυξη των κυττάρων και τη συχνότητα των μεταλλάξεων. Υπάρχουν έργα των οποίων οι συγγραφείς θεωρούν ότι ο αέρας ηλίου είναι το βέλτιστο μέσο αέρα για διαστημόπλοια που πραγματοποιούν μεγάλες πτήσεις στο Σύμπαν. Αλλά μέχρι στιγμής, ο τεχνητός αέρας ηλίου δεν έχει ακόμη ανέβει πέρα από την ατμόσφαιρα της Γης.

Ο αστεροειδής (895) Helio, που ανακαλύφθηκε το 1918, πήρε το όνομά του από το ήλιο.

Ο κόσμος γύρω μας αποτελείται από ~ 100 διαφορετικά χημικά στοιχεία. Πώς σχηματίστηκαν σε φυσικές συνθήκες; Μια ένδειξη για την απάντηση αυτής της ερώτησης προέρχεται από τη σχετική αφθονία των χημικών στοιχείων. Μεταξύ των πιο σημαντικών χαρακτηριστικών της αφθονίας των χημικών στοιχείων στο Ηλιακό Σύστημα είναι τα ακόλουθα.

Η ύλη στο Σύμπαν αποτελείται κυρίως από υδρογόνο H - ~ 90% όλων των ατόμων.
Όσον αφορά την αφθονία, το ήλιο He κατατάσσεται στη δεύτερη θέση, αντιπροσωπεύοντας το ~ 10% του αριθμού των ατόμων υδρογόνου.
Υπάρχει ένα βαθύ ελάχιστο που αντιστοιχεί στα χημικά στοιχεία λίθιο Li, βηρύλλιο Be και βόριο Β.
Αμέσως μετά το βαθύ ελάχιστο των Li, Be, B υπάρχει ένα μέγιστο που προκαλείται από την αυξημένη αφθονία άνθρακα C και οξυγόνου Ο.
Μετά το μέγιστο του οξυγόνου, παρατηρείται απότομη πτώση της αφθονίας των στοιχείων μέχρι το σκάνδιο (A = 45).
Υπάρχει μια απότομη αύξηση της αφθονίας των στοιχείων στην περιοχή του σιδήρου A = 56 (ομάδα σιδήρου).
Μετά το A = 60, η μείωση της αφθονίας των στοιχείων εμφανίζεται πιο ομαλά.
Υπάρχει μια αξιοσημείωτη διαφορά μεταξύ χημικών στοιχείων με άρτιο και περιττό αριθμό πρωτονίων Ζ. Κατά κανόνα, χημικά στοιχεία με ζυγούς αριθμούς Ζείναι πιο κοινά.

Πυρηνικές αντιδράσεις στο Σύμπαν

t = 0		Μεγάλη έκρηξη. Γέννηση του Σύμπαντος
t = 10 -43 s		Η εποχή της κβαντικής βαρύτητας. Χορδές ρ = 10 90 g/cm 3, T = 10 32 K
t = 10 - 35 s		Μέσο κουάρκ-γλουονίου ρ = 10 75 g/cm 3, T = 10 28 K
t = 1 µs		Τα κουάρκ συνδυάζονται για να σχηματίσουν νετρόνια και πρωτόνια ρ = 10 17 g/cm 3, T = 6 10 12 K
t = 100 s		Παραγωγή του prestellar 4 He ρ = 50 g/cm 3, T = 10 9 K
t = 380 χιλιάδες χρόνια		Σχηματισμός ουδέτερων ατόμων ρ = 0,5·10 -20 g/cm 3, T = 3·10 3 K
t = 10 8 χρόνια	Πρώτα αστέρια	Καύση υδρογόνου στα αστέρια ρ = 10 2 g/cm 3 , T = 2 10 6 K Ήλιο καίγεται στα αστέρια ρ = 10 3 g/cm 3 , T = 2 10 8 K Καύση άνθρακα στα αστέρια ρ = 10 5 g/cm 3 , T = 8 10 8 K Καύση οξυγόνου στα αστέρια ρ = 10 5 ÷10 6 g/cm 3 , T = 2 10 9 K Πυρίτιο που καίγεται στα αστέρια ρ = 10 6 g/cm 3 , T = (3÷5) 10 9 K
t = 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια		Σύγχρονο Σύμπαν ρ = 10 -30 g/cm 3, T = 2,73 K

Προαστρική πυρηνοσύνθεση. Εκπαίδευση 4 Αυτός

Η κοσμολογική σύνθεση του ηλίου είναι ο κύριος μηχανισμός σχηματισμού του στο Σύμπαν. Η σύνθεση ηλίου από υδρογόνο στα αστέρια αυξάνει το κλάσμα μάζας των 4 He στη βαρυονική ύλη κατά περίπου 10%. Ο μηχανισμός σχηματισμού του προαστρικού ηλίου εξηγεί ποσοτικά την αφθονία του ηλίου στο Σύμπαν και είναι ένα ισχυρό επιχείρημα υπέρ της προγαλαξιακής φάσης του σχηματισμού του και ολόκληρης της ιδέας του Big Bang.
Η κοσμολογική πυρηνοσύνθεση καθιστά δυνατή την εξήγηση της επικράτησης στο Σύμπαν τέτοιων ελαφρών πυρήνων όπως το δευτέριο (2 H), τα ισότοπα 3 He και 7 Li. Ωστόσο, οι ποσότητες τους είναι αμελητέες σε σύγκριση με τους πυρήνες του υδρογόνου και του 4 He. Σε σχέση με το υδρογόνο, το δευτέριο σχηματίζεται σε ποσότητα 10 -4 -10 -5, 3 He - σε ποσότητα ≈ 10 -5 και 7 Li - σε ποσότητα ≈ 10 -10.
Για να εξηγήσει το σχηματισμό χημικών στοιχείων το 1948, ο G. Gamow πρότεινε τη θεωρία του Big Bang. Σύμφωνα με το μοντέλο του Gamow, η σύνθεση όλων των χημικών στοιχείων συνέβη κατά τη διάρκεια της Μεγάλης Έκρηξης ως αποτέλεσμα της μη ισορροπίας σύλληψης νετρονίων από τους ατομικούς πυρήνες με την εκπομπή γ-κβάντα και την επακόλουθη β - διάσπαση των πυρήνων που προέκυψαν. Ωστόσο, οι υπολογισμοί έδειξαν ότι αυτό το μοντέλο δεν μπορεί να εξηγήσει το σχηματισμό χημικών στοιχείων βαρύτερων από το Li. Αποδείχθηκε ότι ο μηχανισμός σχηματισμού ελαφρών πυρήνων (Α< 7) связан с условиями, существовавшими во Вселенной в течение первых трех минут. Более тяжелые ядра образовались в результате ядерных реакций, происходящих при горении звезд.

Προαστρικό στάδιο σχηματισμού των ελαφρύτερων πυρήνων.Στο στάδιο της εξέλιξης του Σύμπαντος, 100 s μετά τη Μεγάλη Έκρηξη σε θερμοκρασία ~ 10 9 K, η ύλη στο Σύμπαν αποτελούνταν από πρωτόνια p, νετρόνια n, ηλεκτρόνια e -, ποζιτρόνια e +, νετρίνα ν, αντινετρίνα και φωτόνια γ. Η ακτινοβολία βρισκόταν σε θερμική ισορροπία με τα ηλεκτρόνια e - , τα ποζιτρόνια e + και τα νουκλεόνια.

Υπό συνθήκες θερμοδυναμικής ισορροπίας, η πιθανότητα σχηματισμού ενός συστήματος με ενέργεια E N ίση με την ενέργεια ηρεμίας του νουκλεονίου περιγράφεται από την κατανομή Gibbs. . Επομένως, υπό συνθήκες θερμοδυναμικής ισορροπίας, η αναλογία μεταξύ του αριθμού των νετρονίων και των πρωτονίων θα καθοριστεί από τη διαφορά στις μάζες του νετρονίου και του πρωτονίου

Ο σχηματισμός ζευγών ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων σταματά στο 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.

Οι κύριες αντιδράσεις της προαστρικής πυρηνοσύνθεσης:

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

Δεδομένου ότι σταθεροί πυρήνες με ΕΝΑ = 5 δεν υπάρχει, οι πυρηνικές αντιδράσεις κορυφώνονται κυρίως με το σχηματισμό 4 He. Το 7 Be, το 6 Li και το 7 Li αντιπροσωπεύουν μόνο ~ 10 –9 – 10 –12 από το σχηματισμό του ισοτόπου 4 He. Σχεδόν όλα τα νετρόνια εξαφανίζονται, σχηματίζοντας πυρήνες 4 He. Με πυκνότητα ουσίας ρ ~ 10 –3 – 10 –4 g/cm 3, η πιθανότητα να μην αλληλεπιδρούν ένα νετρόνιο και ένα πρωτόνιο κατά τη διάρκεια της πρωτογενούς πυρηνοσύνθεσης είναι μικρότερη από 10 –4. Δεδομένου ότι στην αρχή υπήρχαν 5 πρωτόνια ανά νετρόνιο, η αναλογία μεταξύ του αριθμού των 4 πυρήνων He και του p πρέπει να είναι ~1/10. Έτσι, η αναλογία των αφθονιών υδρογόνου και ηλίου που παρατηρείται αυτή τη στιγμή διαμορφώθηκε κατά τα πρώτα λεπτά της ύπαρξης του Σύμπαντος. Η διαστολή του Σύμπαντος οδήγησε σε μείωση της θερμοκρασίας του και διακοπή της πρωτογενούς προαστρικής πυρηνοσύνθεσης.

Σχηματισμός χημικών στοιχείων στα αστέρια.Δεδομένου ότι η διαδικασία της πυρηνοσύνθεσης στο πρώιμο στάδιο της εξέλιξης του Σύμπαντος τελείωσε με το σχηματισμό υδρογόνου, ηλίου και μικρών ποσοτήτων Li, Be, B, ήταν απαραίτητο να βρεθούν μηχανισμοί και συνθήκες κάτω από τις οποίες θα μπορούσαν να σχηματιστούν βαρύτερα στοιχεία.
Οι G. Bethe και K. Weizsäcker έδειξαν ότι οι αντίστοιχες συνθήκες υπάρχουν μέσα στα αστέρια. Βαρύτεροι πυρήνες σχηματίστηκαν μόνο δισεκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη κατά τη διαδικασία της αστρικής εξέλιξης. Ο σχηματισμός χημικών στοιχείων στα αστέρια ξεκινά με την αντίδραση καύσης του υδρογόνου με το σχηματισμό 4 He .

G. Bethe, 1968: «Από αμνημονεύτων χρόνων, οι άνθρωποι ήθελαν να μάθουν τι κρατά τον Ήλιο να λάμπει. Η πρώτη προσπάθεια επιστημονικής εξήγησης έγινε από τον Χέλμχολτζ πριν από περίπου εκατό χρόνια. Βασίστηκε στη χρήση των πιο διάσημων δυνάμεων εκείνη την εποχή - των δυνάμεων της παγκόσμιας βαρύτητας. Εάν ένα γραμμάριο ύλης πέσει στην επιφάνεια του Ήλιου, αποκτά δυναμική ενέργεια

E p = -GM/R = -1,91·10 15 erg/g.

Είναι γνωστό ότι προς το παρόν η ισχύς της ηλιακής ακτινοβολίας καθορίζεται από την ποσότητα

ε = 1,96 erg/g×s.

Επομένως, εάν η πηγή ενέργειας είναι η βαρύτητα, η παροχή βαρυτικής ενέργειας μπορεί να παρέχει ακτινοβολία για 10 15 s, δηλ. σε μια περίοδο περίπου τριάντα εκατομμυρίων ετών...
Στα τέλη του 19ου αιώνα, ο Μπεκερέλ, ο Πιέρ και η Μαρία Κιουρί ανακάλυψαν τη ραδιενέργεια. Η ανακάλυψη της ραδιενέργειας κατέστησε δυνατό τον προσδιορισμό της ηλικίας της Γης. Λίγο αργότερα, κατέστη δυνατό να προσδιοριστεί η ηλικία των μετεωριτών, η οποία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να κριθεί πότε εμφανίστηκε ύλη στερεάς φάσης στο Ηλιακό Σύστημα. Από αυτές τις μετρήσεις κατέστη δυνατό να διαπιστωθεί ότι η ηλικία του Ήλιου, με ακρίβεια 10%, είναι 5 δισεκατομμύρια χρόνια. Έτσι, η βαρύτητα δεν μπορεί να παρέχει την απαραίτητη παροχή ενέργειας για όλο αυτό το διάστημα...
Από τις αρχές της δεκαετίας του '30, άρχισαν να κλίνουν προς την ιδέα ότι η αστρική ενέργεια προέκυψε λόγω πυρηνικών αντιδράσεων... Η πιο απλή από όλες τις πιθανές αντιδράσεις θα ήταν η αντίδραση

H + H → D + e + + ν.

Δεδομένου ότι η διαδικασία της πρωτογενούς πυρηνοσύνθεσης τελείωσε κυρίως με το σχηματισμό πυρήνων 4 He ως αποτέλεσμα των αντιδράσεων αλληλεπίδρασης p + n, d + d, d + 3 He, d + 3 H και όλα τα νετρόνια καταναλώθηκαν, ήταν απαραίτητο να βρεθεί τις συνθήκες υπό τις οποίες σχηματίστηκαν βαρύτερα στοιχεία . Το 1937, ο G. Bethe δημιούργησε μια θεωρία που εξηγούσε την προέλευση της ενέργειας του Ήλιου και των άστρων ως αποτέλεσμα των αντιδράσεων σύντηξης των πυρήνων υδρογόνου και ηλίου που συμβαίνουν στο κέντρο των άστρων. Δεδομένου ότι δεν υπήρχαν αρκετά νετρόνια στο κέντρο των άστρων για αντιδράσεις του τύπου p + n, μόνο οι αντιδράσεις μπορούσαν να συνεχιστούν σε αυτά
p + p → d + e + + ν. Αυτές οι αντιδράσεις πραγματοποιήθηκαν στα αστέρια όταν η θερμοκρασία στο κέντρο του άστρου έφτασε τους 107 K και η πυκνότητα έφτασε τα 105 kg/m3. Το γεγονός ότι η αντίδραση p + p → d + e + + ν συνέβη ως αποτέλεσμα ασθενούς αλληλεπίδρασης εξήγησε τα χαρακτηριστικά του διαγράμματος Hertzsprung–Russell.

Βραβείο Νόμπελ Φυσικής
1967 - G. Bethe
Για τη συμβολή στη θεωρία των πυρηνικών αντιδράσεων, και ιδιαίτερα για την ανακάλυψη της πηγής της αστρικής ενέργειας.

Έχοντας κάνει εύλογες υποθέσεις για την ισχύ των αντιδράσεων με βάση τις γενικές αρχές της πυρηνικής φυσικής, ανακάλυψα το 1938 ότι ο κύκλος άνθρακα-αζώτου μπορούσε να παρέχει την απαραίτητη απελευθέρωση ενέργειας στον Ήλιο... Ο άνθρακας χρησιμεύει μόνο ως καταλύτης. Το αποτέλεσμα της αντίδρασης είναι ένας συνδυασμός τεσσάρων πρωτονίων και δύο ηλεκτρονίων που σχηματίζουν έναν πυρήνα 4 Αυτός . Σε αυτή τη διαδικασία, δύο νετρίνα εκπέμπονται, μεταφέροντας μαζί τους ενέργεια περίπου 2 MeV. Η υπόλοιπη ενέργεια των περίπου 25 MeV ανά κύκλο απελευθερώνεται και διατηρεί τη θερμοκρασία του Ήλιου αμετάβλητη... Αυτή ήταν η βάση πάνω στην οποία ο Φάουλερ και άλλοι υπολόγισαν τους ρυθμούς αντίδρασης στον κύκλο (C,N)»..

Καύση υδρογόνου.Δύο διαφορετικές αλληλουχίες αντιδράσεων καύσης υδρογόνου είναι δυνατές - η μετατροπή τεσσάρων πυρήνων υδρογόνου σε έναν πυρήνα 4 He, ο οποίος μπορεί να παρέχει επαρκή απελευθέρωση ενέργειας για να διατηρήσει τη φωτεινότητα του αστεριού:

αλυσίδα πρωτονίου-πρωτονίου (pp αλυσίδα), στην οποία το υδρογόνο μετατρέπεται απευθείας σε ήλιο.
κύκλος άνθρακα-αζώτου-οξυγόνου (κύκλος CNO), στον οποίο συμμετέχουν πυρήνες C, N και O ως καταλύτες.

Ποια από αυτές τις δύο αντιδράσεις παίζει πιο σημαντικό ρόλο εξαρτάται από τη θερμοκρασία του αστεριού. Σε αστέρια με μάζα συγκρίσιμη με τη μάζα του Ήλιου ή μικρότερη, κυριαρχεί η αλυσίδα πρωτονίου-πρωτονίου. Σε αστέρια με μεγαλύτερη μάζα με υψηλότερες θερμοκρασίες, η κύρια πηγή ενέργειας είναι ο κύκλος CNO. Στην περίπτωση αυτή, φυσικά, είναι απαραίτητο η αστρική ύλη να περιέχει πυρήνες C, N και O. Η θερμοκρασία των εσωτερικών στρωμάτων του Ήλιου είναι 1,5∙10 7 K και η αλυσίδα πρωτονίου-πρωτονίου παίζει κυρίαρχο ρόλο στην απελευθέρωση του ενέργεια.

Εξάρτηση από τη θερμοκρασία του λογάριθμου του ρυθμού V απελευθέρωσης ενέργειας στους κύκλους υδρογόνου (pp) και άνθρακα (CNO)

Καύση υδρογόνου. Αλυσίδα πρωτονίου-πρωτονίου.Πυρηνική αντίδραση

p + p → 2 H + e + + ν e + Q,

ξεκινά στο κεντρικό τμήμα του αστέρα σε πυκνότητες ≈100 g/cm 3 . Αυτή η αντίδραση σταματά την περαιτέρω συστολή του αστεριού. Η θερμότητα που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια της θερμοπυρηνικής αντίδρασης της καύσης υδρογόνου δημιουργεί πίεση που εξουδετερώνει τη βαρυτική συμπίεση και εμποδίζει το αστέρι να καταρρεύσει. Υπάρχει μια ποιοτική αλλαγή στον μηχανισμό απελευθέρωσης ενέργειας στο αστέρι. Εάν πριν από την έναρξη της πυρηνικής αντίδρασης της καύσης υδρογόνου, η θέρμανση του αστέρα συνέβη κυρίως λόγω βαρυτικής συμπίεσης, τώρα εμφανίζεται ένας άλλος κυρίαρχος μηχανισμός - η ενέργεια απελευθερώνεται λόγω των αντιδράσεων πυρηνικής σύντηξης.

Το αστέρι αποκτά σταθερό μέγεθος και φωτεινότητα, η οποία για ένα αστέρι με μάζα κοντά στον Ήλιο δεν αλλάζει για δισεκατομμύρια χρόνια ενώ συμβαίνει η «καύση» του υδρογόνου. Αυτό είναι το μεγαλύτερο στάδιο της αστρικής εξέλιξης. Ως αποτέλεσμα της καύσης του υδρογόνου, σχηματίζεται ένας πυρήνας ηλίου από κάθε τέσσερις πυρήνες υδρογόνου. Η πιο πιθανή αλυσίδα πυρηνικών αντιδράσεων στον Ήλιο που οδηγεί σε αυτό ονομάζεται κύκλος πρωτονίου-πρωτονίουκαι μοιάζει με αυτό:

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

ή σε πιο συμπαγή μορφή

4p → 4 He + 2e + + 2ν e + 24,68 MeV.

Η μόνη πηγή που παρέχει πληροφορίες για γεγονότα που συμβαίνουν στα βάθη του Ήλιου είναι τα νετρίνα. Το φάσμα των νετρίνων που παράγεται στον Ήλιο ως αποτέλεσμα της καύσης υδρογόνου στην αντίδραση 4p → 4 He και στον κύκλο CNO εκτείνεται από ενέργεια 0,1 MeV σε ενέργεια ~12 MeV. Η παρατήρηση των ηλιακών νετρίνων καθιστά δυνατή την άμεση δοκιμή του μοντέλου των θερμοπυρηνικών αντιδράσεων στον Ήλιο.
Η ενέργεια που απελευθερώνεται ως αποτέλεσμα της αλυσίδας pp είναι 26,7 MeV. Τα νετρίνα που εκπέμπονται από τον Ήλιο καταγράφηκαν από επίγειους ανιχνευτές, γεγονός που επιβεβαιώνει την εμφάνιση μιας αντίδρασης σύντηξης στον Ήλιο.
Καύση υδρογόνου. Κύκλος CNO.Η ιδιαιτερότητα του κύκλου CNO είναι ότι, ξεκινώντας από τον πυρήνα του άνθρακα, ανάγεται στη διαδοχική δέσμευση 4 πρωτονίων με το σχηματισμό ενός πυρήνα 4 He στο τέλος του κύκλου CNO.

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

Κύκλος CNO

Αλυσίδα αντίδρασης Ι

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 λεπτά),
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).

Αλυσίδα αντίδρασης 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).

Αλυσίδα αντίδρασης 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).

Ο κύριος χρόνος της εξέλιξης των άστρων σχετίζεται με την καύση υδρογόνου. Σε πυκνότητες χαρακτηριστικές του κεντρικού τμήματος του άστρου, η καύση υδρογόνου λαμβάνει χώρα σε θερμοκρασία (1–3)∙10 7 K. Σε αυτές τις θερμοκρασίες, χρειάζονται 10 6 – 10 10 χρόνια για ένα σημαντικό μέρος του υδρογόνου στο κέντρο του άστρου που θα μετατραπεί σε ήλιο. Με περαιτέρω αύξηση της θερμοκρασίας, βαρύτερα χημικά στοιχεία Z > 2 μπορούν να σχηματιστούν στο κέντρο του άστρου.Τα αστέρια της κύριας ακολουθίας καίνε υδρογόνο στο κεντρικό τμήμα, όπου, λόγω της υψηλότερης θερμοκρασίας, οι πυρηνικές αντιδράσεις συμβαίνουν πιο έντονες. Καθώς το υδρογόνο καίγεται στο κέντρο του άστρου, η αντίδραση καύσης υδρογόνου αρχίζει να κινείται προς την περιφέρεια του αστέρα. Η θερμοκρασία στο κέντρο του αστέρα αυξάνεται συνεχώς και όταν φτάσει τους 10 6 K, αρχίζουν οι αντιδράσεις καύσης 4 He. Η αντίδραση 3α → 12 C + γ είναι η πιο σημαντική για το σχηματισμό χημικών στοιχείων. Απαιτεί την ταυτόχρονη σύγκρουση τριών σωματιδίων α και είναι δυνατή λόγω του γεγονότος ότι η ενέργεια της αντίδρασης 8 Be + 4 He συμπίπτει με τον συντονισμό της διεγερμένης κατάστασης των 12 C. Η παρουσία συντονισμού αυξάνει απότομα την πιθανότητα της συγχώνευσης από τρία σωματίδια α.

Σχηματισμός μεσαίων πυρήνων Α< 60. Ποιες πυρηνικές αντιδράσεις θα συμβούν στο κέντρο του άστρου εξαρτάται από τη μάζα του αστέρα, η οποία θα πρέπει να παρέχει υψηλή θερμοκρασία λόγω της βαρυτικής συμπίεσης στο κέντρο του άστρου. Δεδομένου ότι πυρήνες υψηλού Z συμμετέχουν τώρα στις αντιδράσεις σύντηξης, το κεντρικό τμήμα του άστρου συμπιέζεται όλο και περισσότερο και η θερμοκρασία στο κέντρο του άστρου αυξάνεται. Σε θερμοκρασίες αρκετών δισεκατομμυρίων βαθμών, καταστρέφονται σταθεροί πυρήνες που έχουν σχηματιστεί προηγουμένως, σχηματίζονται πρωτόνια, νετρόνια, σωματίδια α και φωτόνια υψηλής ενέργειας, γεγονός που οδηγεί στο σχηματισμό χημικών στοιχείων σε όλο τον περιοδικό πίνακα του Mendeleev, μέχρι και τον σίδηρο. Ο σχηματισμός χημικών στοιχείων βαρύτερων από τον σίδηρο συμβαίνει ως αποτέλεσμα της διαδοχικής δέσμευσης νετρονίων και της επακόλουθης β - διάσπασης.
Σχηματισμός μεσαίων και βαρέων πυρήνωνΕΝΑ > 60. Κατά τη διαδικασία της θερμοπυρηνικής σύντηξης, στα αστέρια σχηματίζονται ατομικοί πυρήνες μέχρι σίδηρο. Περαιτέρω σύνθεση είναι αδύνατη, αφού οι πυρήνες της ομάδας σιδήρου έχουν τη μέγιστη ειδική ενέργεια δέσμευσης. Ο σχηματισμός βαρύτερων πυρήνων σε αντιδράσεις με φορτισμένα σωματίδια - πρωτόνια και άλλους ελαφρούς πυρήνες - αποτρέπεται από το αυξανόμενο φράγμα Coulomb των βαρέων πυρήνων.

Σχηματισμός στοιχείων 4 He → 32 Ge.

Εξέλιξη ενός τεράστιου αστέρα M > M

Καθώς στη διαδικασία καύσης εμπλέκονται στοιχεία με αυξανόμενες τιμές Ζη θερμοκρασία και η πίεση στο κέντρο του άστρου αυξάνονται με ολοένα αυξανόμενο ρυθμό, γεγονός που με τη σειρά του αυξάνει τον ρυθμό των πυρηνικών αντιδράσεων. Εάν για ένα τεράστιο αστέρι η αντίδραση καύσης υδρογόνου διαρκεί αρκετά εκατομμύρια χρόνια, τότε η καύση ηλίου συμβαίνει 10 φορές πιο γρήγορα. Η διαδικασία καύσης του οξυγόνου διαρκεί περίπου 6 μήνες και η καύση του πυριτίου συμβαίνει μέσα σε μια μέρα.
Η αφθονία των στοιχείων που βρίσκονται στην περιοχή πίσω από το σίδηρο εξαρτάται σχετικά λίγο από τον αριθμό μάζας Α. Αυτό υποδηλώνει μια αλλαγή στον μηχανισμό σχηματισμού αυτών των στοιχείων. Πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι οι περισσότεροι βαρείς πυρήνες είναι β - ραδιενεργός. Στον σχηματισμό βαρέων στοιχείων, τον καθοριστικό ρόλο παίζουν οι αντιδράσεις σύλληψης νετρονίων (n, γ) από πυρήνες:

(A, Z) + n → (A+1, Z) + γ.

Ως αποτέλεσμα μιας αλυσίδας εναλλασσόμενων διαδικασιών σύλληψης ενός ή περισσότερων νετρονίων από πυρήνες, ακολουθούμενες από β - διάσπαση, οι αριθμοί μάζας αυξάνονται ΕΝΑκαι χρέωση Ζπυρήνες και από τα αρχικά στοιχεία της ομάδας σιδήρου, σχηματίζονται όλο και πιο βαριά στοιχεία μέχρι το τέλος του Περιοδικού Πίνακα.

Στο στάδιο του σουπερνόβα, το κεντρικό τμήμα του άστρου αποτελείται από σίδηρο και ένα μικρό κλάσμα νετρονίων και α-σωματιδίων - προϊόντα διάστασης σιδήρου υπό την επίδραση του γ - κβάντα Κοντά
M/M = 1,5 28 Si κυριαρχεί. 20 Νε και 16 O αποτελούν τον κύριο όγκο της ουσίας στην περιοχή από 1,6 έως 6 M/M. Το εξωτερικό κέλυφος του άστρου (Μ/Μ > 8) αποτελείται από υδρογόνο και ήλιο.
Σε αυτό το στάδιο στις πυρηνικές διεργασίες, δεν συμβαίνει μόνο η απελευθέρωση ενέργειας, αλλά και η απορρόφησή της. Ένα τεράστιο αστέρι χάνει τη σταθερότητα. Συμβαίνει μια έκρηξη Supernova, κατά την οποία ένα σημαντικό μέρος των χημικών στοιχείων που σχηματίζονται στο αστέρι εκτοξεύεται στο διαστρικό διάστημα. Εάν τα αστέρια της πρώτης γενιάς αποτελούνταν από υδρογόνο και ήλιο, τότε τα αστέρια των επόμενων γενεών περιέχουν βαρύτερα χημικά στοιχεία ήδη στο αρχικό στάδιο της πυρηνοσύνθεσης.

Αντιδράσεις πυρηνικής σύνθεσης.Οι E. Burbidge, G. Burbidge, W. Fowler, F. Hoyle το 1957 έδωσαν την ακόλουθη περιγραφή των κύριων διαδικασιών της αστρικής εξέλιξης στις οποίες συμβαίνει ο σχηματισμός ατομικών πυρήνων.

Από την καύση του υδρογόνου, ως αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας, σχηματίζονται πυρήνες 4 He.

Καύση ηλίου. Ως αποτέλεσμα της αντίδρασης 4 He + 4 He + 4 He → 12 C + γ Σχηματίζονται 12 πυρήνες C.

α-διαδικασία. Ως αποτέλεσμα της διαδοχικής σύλληψης α-σωματιδίων, πυρήνες α-σωματιδίων 16 O, 20 Ne, 24 Mg, 28 Si, ...
ηλεκτρονική διαδικασία. Όταν η θερμοκρασία φτάσει τους 5∙10 9 K στα αστέρια, υπό συνθήκες θερμοδυναμικής ισορροπίας, συμβαίνει μεγάλος αριθμός διαφόρων αντιδράσεων, με αποτέλεσμα το σχηματισμό ατομικών πυρήνων μέχρι Fe και Ni. Πυρήνες με ΕΝΑ~ 60 – οι πιο ισχυρά δεσμευμένοι ατομικοί πυρήνες. Ως εκ τούτου, τερματίζουν την αλυσίδα των αντιδράσεων πυρηνικής σύντηξης, που συνοδεύονται από την απελευθέρωση ενέργειας.
s-διαδικασία. Πυρήνες βαρύτεροι από Fe σχηματίζονται σε αντιδράσεις διαδοχικής σύλληψης νετρονίων. Πολύ συχνά, ένας πυρήνας που έχει συλλάβει ένα νετρόνιο αποδεικνύεται β - ραδιενεργός. Πριν ο πυρήνας συλλάβει το επόμενο νετρόνιο, μπορεί να διασπαστεί ως αποτέλεσμα της διάσπασης β. Κάθε β - -διάσπαση αυξάνει τον ατομικό αριθμό των ατομικών πυρήνων που προκύπτουν κατά ένα. Εάν το χρονικό διάστημα μεταξύ των διαδοχικών συλλήψεων νετρονίων είναι μεγαλύτερο από τις περιόδους β - διάσπασης, η διαδικασία σύλληψης νετρονίων ονομάζεται διαδικασία s (αργή). Έτσι, ο πυρήνας, ως αποτέλεσμα της σύλληψης νετρονίων και των επακόλουθων β - διασπάσεων, γίνεται όλο και πιο βαρύτερος, αλλά ταυτόχρονα δεν απομακρύνεται πολύ από την κοιλάδα σταθερότητας στο διάγραμμα N-Z.
r-διαδικασία. Εάν ο ρυθμός διαδοχικής σύλληψης νετρονίων είναι πολύ μεγαλύτερος από τον ρυθμό β - διάσπασης ενός ατομικού πυρήνα, τότε καταφέρνει να συλλάβει μεγάλο αριθμό νετρονίων ταυτόχρονα. Ως αποτέλεσμα της διαδικασίας r, σχηματίζεται ένας πυρήνας πλούσιος σε νετρόνια, ο οποίος απέχει πολύ από την κοιλάδα σταθερότητας. Μόνο τότε, ως αποτέλεσμα μιας διαδοχικής αλυσίδας β - αποσύνθεσης, μετατρέπεται σε σταθερό πυρήνα. Γενικά πιστεύεται ότι οι διεργασίες r συμβαίνουν ως αποτέλεσμα εκρήξεων σουπερνόβα.
R-διαδικασία. Μερικοί σταθεροί πυρήνες με έλλειψη νετρονίων (οι λεγόμενοι πυρήνες παράκαμψης) σχηματίζονται σε αντιδράσεις δέσμευσης πρωτονίων, σε αντιδράσεις ( γ ,n) ή σε αντιδράσεις υπό την επίδραση των νετρίνων.

Σύνθεση υπερουρανικών στοιχείων.Μόνο εκείνα τα χημικά στοιχεία των οποίων η διάρκεια ζωής είναι μεγαλύτερη από την ηλικία του Ηλιακού Συστήματος έχουν διατηρηθεί στο Ηλιακό Σύστημα. Πρόκειται για 85 χημικά στοιχεία. Τα υπόλοιπα χημικά στοιχεία ελήφθησαν ως αποτέλεσμα διαφόρων πυρηνικών αντιδράσεων σε επιταχυντές ή ως αποτέλεσμα ακτινοβολίας σε πυρηνικούς αντιδραστήρες. Η σύνθεση των πρώτων στοιχείων υπερουρανίου σε εργαστηριακές συνθήκες πραγματοποιήθηκε με τη χρήση πυρηνικών αντιδράσεων υπό την επίδραση νετρονίων και επιταχυνόμενων σωματιδίων α. Ωστόσο, η περαιτέρω πρόοδος σε βαρύτερα στοιχεία αποδείχθηκε πρακτικά αδύνατη με αυτόν τον τρόπο. Για τη σύνθεση στοιχείων βαρύτερων από το μεντελεύιο Md ( Ζ= 101) χρησιμοποιήστε πυρηνικές αντιδράσεις με βαρύτερα πολλαπλά φορτισμένα ιόντα - άνθρακας, άζωτο, οξυγόνο, νέον, ασβέστιο. Για την επιτάχυνση βαρέων ιόντων, άρχισαν να κατασκευάζονται πολλαπλά φορτισμένοι επιταχυντές ιόντων.

Βραβείο Νόμπελ Φυσικής
1983 − W. Fowler
Για θεωρητικές και πειραματικές μελέτες πυρηνικών διεργασιών σημαντικές για το σχηματισμό χημικών στοιχείων στο Σύμπαν.

Έτος έναρξης	Χημικό στοιχείο	Ζ
1936	Np, Pu	93, 94
1945	Είμαι	95
1961	Εκ	96
1956	Bk	97
1950	Πρβλ	98
1952	Es	99
1952	Fm	100
1955	MD	101
1957	Οχι	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

Ε. Ράδερφορντ: «Αν υπάρχουν στοιχεία βαρύτερα από το ουράνιο, τότε είναι πιθανό να είναι ραδιενεργά. Η εξαιρετική ευαισθησία των μεθόδων χημικής ανάλυσης που βασίζονται στη ραδιενέργεια θα καταστήσει δυνατό τον εντοπισμό αυτών των στοιχείων, ακόμη και αν υπάρχουν σε αμελητέες ποσότητες. Ως εκ τούτου, μπορούμε να αναμένουμε ότι ο αριθμός των ραδιενεργών στοιχείων σε ίχνη είναι πολύ μεγαλύτερος από τα τρία επί του παρόντος γνωστά ραδιενεργά στοιχεία. Οι αμιγώς χημικές μέθοδοι έρευνας θα είναι ελάχιστα χρήσιμες στο πρώτο στάδιο της μελέτης τέτοιων στοιχείων. Οι κύριοι παράγοντες εδώ είναι η εμμονή της ακτινοβολίας, τα χαρακτηριστικά της και η ύπαρξη ή απουσία εκπομπών ή άλλων προϊόντων αποσύνθεσης».

Ένα χημικό στοιχείο με μέγιστο ατομικό αριθμό Z = 118 συντέθηκε στο Dubna σε συνεργασία με το US Livermore Laboratory. Το ανώτερο όριο ύπαρξης χημικών στοιχείων συνδέεται με την αστάθειά τους σε σχέση με τη ραδιενεργή διάσπαση. Πρόσθετη σταθερότητα των ατομικών πυρήνων παρατηρείται κοντά σε μαγικούς αριθμούς. Σύμφωνα με θεωρητικές εκτιμήσεις, θα πρέπει να υπάρχουν διπλοί μαγικοί αριθμοί Z = 108, N = 162 και Z = 114, N = 184. Ο χρόνος ημιζωής των πυρήνων με τέτοιους αριθμούς πρωτονίων και νετρονίων μπορεί να είναι εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια. Αυτά είναι τα λεγόμενα «νησιά της σταθερότητας». Το πρόβλημα του σχηματισμού πυρήνων «νησί σταθερότητας» είναι η δυσκολία επιλογής στόχων και επιταχυνόμενων ιόντων. Τα επί του παρόντος συντιθέμενα ισότοπα των στοιχείων 108-112 έχουν πολύ λίγα νετρόνια. Όπως προκύπτει από τους μετρούμενους χρόνους ημιζωής των ισοτόπων 108 - 112 στοιχείων, μια αύξηση στον αριθμό των νετρονίων κατά 6 - 10 μονάδες (δηλαδή, πλησιάζοντας το νησί της σταθερότητας) οδηγεί σε αύξηση της περιόδου α-διάσπασης κατά 10 4 - 10 5 φορές.
Δεδομένου ότι ο αριθμός των υπερβαρέων πυρήνων Z > 110 ανέρχεται σε λίγους, ήταν απαραίτητο να αναπτυχθεί μια μέθοδος για την αναγνώρισή τους. Η αναγνώριση των νεοσχηματισμένων χημικών στοιχείων πραγματοποιείται μέσω αλυσίδων των διαδοχικών α-διασπάσεων τους, γεγονός που αυξάνει την αξιοπιστία των αποτελεσμάτων. Αυτή η μέθοδος αναγνώρισης στοιχείων υπερουρανίου έχει πλεονέκτημα έναντι όλων των άλλων μεθόδων, επειδή βασίζεται στη μέτρηση σύντομων περιόδων α-διάσπασης. Ταυτόχρονα, τα χημικά στοιχεία του νησιού της σταθερότητας, σύμφωνα με θεωρητικές εκτιμήσεις, μπορεί να έχουν χρόνο ημιζωής που υπερβαίνει τους μήνες και τα χρόνια. Για τον εντοπισμό τους, είναι απαραίτητο να αναπτυχθούν θεμελιωδώς νέες μέθοδοι καταχώρισης που βασίζονται στην αναγνώριση ενός και μόνο αριθμού πυρήνων για αρκετούς μήνες.

G. Flerov, K. Petrzhak:«Πρόβλεψη της πιθανής ύπαρξης μιας νέας περιοχής στο περιοδικό σύστημα στοιχείων από τον D.I. Ο Mendeleev - το πεδίο των υπερβαρέων στοιχείων (SHE) - είναι για την επιστήμη του ατομικού πυρήνα μια από τις πιο σημαντικές συνέπειες των πειραματικών και θεωρητικών μελετών της διαδικασίας της αυθόρμητης σχάσης. Το άθροισμα των γνώσεών μας για τον ατομικό πυρήνα, που αποκτήθηκε τις τελευταίες τέσσερις δεκαετίες, καθιστά αυτήν την πρόβλεψη αρκετά αξιόπιστη και... Αυτό που είναι σημαντικό είναι ότι δεν εξαρτάται από την επιλογή μιας συγκεκριμένης παραλλαγής του μοντέλου του κελύφους. Η απάντηση στην ερώτηση για την ύπαρξη του STE θα σήμαινε, ίσως, την πιο κρίσιμη δοκιμή της ίδιας της έννοιας της δομής του κελύφους του πυρήνα - του βασικού πυρηνικού μοντέλου, το οποίο μέχρι στιγμής έχει αντέξει με επιτυχία σε πολλές δοκιμές εξηγώντας τις ιδιότητες των γνωστών ατομικούς πυρήνες.
Πιο συγκεκριμένα, η σταθερότητα των βαρύτερων πυρήνων καθορίζεται κυρίως από την αυθόρμητη σχάση τους και επομένως απαραίτητη προϋπόθεση για την ύπαρξη τέτοιων πυρήνων είναι η παρουσία φραγμών στη σχάση. Για τους πυρήνες από το ουράνιο έως το φερμιο, το συστατικό του κελύφους στο φράγμα σχάσης, αν και οδηγεί σε μερικά ενδιαφέροντα φυσικά φαινόμενα, εξακολουθεί να μην έχει κρίσιμη επίδραση στη σταθερότητά τους και εκδηλώνεται σε υπέρθεση με το συστατικό υγρού-σταγονιδίων του φραγμού. Στην περιοχή SHE, το συστατικό σταγονιδίων του φραγμού εξαφανίζεται εντελώς και η σταθερότητα των υπερβαρέων πυρήνων καθορίζεται από τη διαπερατότητα του αμιγώς κελύφους φραγμού.
Ταυτόχρονα, εάν η παρουσία ενός φραγμού είναι επαρκής για τη θεμελιώδη ύπαρξη πυρήνων SHE, τότε η πειραματική επαλήθευση μιας τέτοιας πρόβλεψης απαιτεί γνώση της διάρκειας ζωής των πυρήνων SHE σε σχέση με την αυθόρμητη σχάση, αφού με οποιαδήποτε συγκεκριμένη διάταξη ενός πειράματος Η αναζήτηση τους είναι αδύνατο να καλύψει ολόκληρο το εύρος της διάρκειας ζωής - από 10 10 χρόνια έως 10 -10 δευτερόλεπτα. Η επιλογή της πειραματικής τεχνικής εξαρτάται σημαντικά από το διάστημα ζωής στο οποίο διεξάγεται η μελέτη.
Όπως αναφέρθηκε ήδη, η αβεβαιότητα στον θεωρητικό υπολογισμό της περιόδου της αυθόρμητης σχάσης T SF είναι πολύ μεγάλη - τουλάχιστον 8–10 τάξεις μεγέθους. Αυτή η αβεβαιότητα δεν αποκλείει εκ των προτέρων καμία από τις δυνατότητες απόκτησης ή ανίχνευσης STE, και ως οδηγίες για την πειραματική λύση του προβλήματος, μπορούμε να επιλέξουμε τόσο την αναζήτηση για STE στη φύση (στη Γη, σε αντικείμενα κοσμικής προέλευσης, σύνθεση κοσμικής ακτινοβολίας κ.λπ.) και τεχνητή παραγωγή στοιχείων σε επιταχυντές (σε πυρηνικές αντιδράσεις μεταξύ σύνθετων πυρήνων).
Είναι προφανές ότι η αναζήτηση για ΑΥΤΗ σε επίγεια αντικείμενα μπορεί να οδηγήσει στην επιτυχία μόνο υπό έναν ευτυχισμένο συνδυασμό δύο περιστάσεων. Από τη μία πλευρά, πρέπει να υπάρχει ένας αποτελεσματικός μηχανισμός πυρηνοσύνθεσης που, με επαρκή πιθανότητα, να οδηγεί στο σχηματισμό ατομικών πυρήνων STE. Από την άλλη πλευρά, είναι απαραίτητο να υπάρχει τουλάχιστον ένα νουκλεΐδιο που ανήκει στη νέα περιοχή σταθερότητας, το οποίο θα έχει διάρκεια ζωής συγκρίσιμη με τη διάρκεια ζωής της Γης - 4,5· 10 9 χρονών.
Εάν μιλάμε για την παρουσία του STE σε αντικείμενα εξωγήινης προέλευσης - σε μετεωρίτες, κοσμική ακτινοβολία κ.λπ., τότε τέτοιες αναζητήσεις μπορούν να οδηγήσουν σε επιτυχία ακόμα κι αν η διάρκεια ζωής των πυρήνων STE είναι σημαντικά μικρότερη από 10 10 χρόνια: τέτοια αντικείμενα μπορούν να γυρίσουν είναι σημαντικά νεότεροι από τα επίγεια δείγματα (10 7 – 10 8 έτη).

Το ήλιο είναι ένα αδρανές αέριο της 18ης ομάδας του περιοδικού πίνακα. Είναι το δεύτερο ελαφρύτερο στοιχείο μετά το υδρογόνο. Το ήλιο είναι ένα άχρωμο, άοσμο και άγευστο αέριο που γίνεται υγρό σε θερμοκρασία -268,9 °C. Τα σημεία βρασμού και πήξης του είναι χαμηλότερα από αυτά οποιασδήποτε άλλης γνωστής ουσίας. Είναι το μόνο στοιχείο που δεν σκληραίνει όταν ψύχεται σε κανονική ατμοσφαιρική πίεση. Για να μετατραπεί το ήλιο σε στερεή κατάσταση, απαιτούνται 25 ατμόσφαιρες σε θερμοκρασία 1 Κ.

Ιστορία της ανακάλυψης

Το ήλιο ανακαλύφθηκε στην αέρια ατμόσφαιρα που περιβάλλει τον Ήλιο από τον Γάλλο αστρονόμο Pierre Jansen, ο οποίος το 1868, κατά τη διάρκεια μιας έκλειψης, ανακάλυψε μια φωτεινή κίτρινη γραμμή στο φάσμα της ηλιακής χρωμόσφαιρας. Αυτή η γραμμή αρχικά θεωρήθηκε ότι αντιπροσωπεύει το στοιχείο νάτριο. Την ίδια χρονιά, ο Άγγλος αστρονόμος Joseph Norman Lockyer παρατήρησε μια κίτρινη γραμμή στο ηλιακό φάσμα που δεν αντιστοιχούσε στις γνωστές γραμμές νατρίου D 1 και D 2, και ως εκ τούτου την ονόμασε γραμμή D 3. Ο Lockyer κατέληξε στο συμπέρασμα ότι προκλήθηκε από μια ουσία στον Ήλιο που ήταν άγνωστη στη Γη. Αυτός και ο χημικός Έντουαρντ Φράνκλαντ χρησιμοποίησαν το ελληνικό όνομα του Ήλιου, Ήλιος, για να ονομάσουν το στοιχείο.

Το 1895, ο Βρετανός χημικός Sir William Ramsay απέδειξε την ύπαρξη ηλίου στη Γη. Πήρε ένα δείγμα του ορυκτού κλεβεΐτη που φέρει ουράνιο και αφού εξέτασε τα αέρια που παράγονται από τη θέρμανση του, ανακάλυψε ότι η φωτεινή κίτρινη γραμμή στο φάσμα συμπίπτει με τη γραμμή D 3 που παρατηρείται στο φάσμα του Ήλιου. Έτσι, τελικά εγκαταστάθηκε το νέο στοιχείο. Το 1903, οι Ramsay και Frederic Soddu προσδιόρισαν ότι το ήλιο ήταν προϊόν της αυθόρμητης αποσύνθεσης ραδιενεργών ουσιών.

Κατανομή στη φύση

Η μάζα του ηλίου αποτελεί περίπου το 23% της συνολικής μάζας του σύμπαντος και το στοιχείο είναι το δεύτερο πιο άφθονο στο διάστημα. Συγκεντρώνεται σε αστέρια, όπου σχηματίζεται από υδρογόνο ως αποτέλεσμα της θερμοπυρηνικής σύντηξης. Αν και το ήλιο βρίσκεται στην ατμόσφαιρα της γης σε συγκέντρωση 1 μέρος στις 200 χιλιάδες (5 ppm) και βρίσκεται σε μικρές ποσότητες σε ραδιενεργά ορυκτά, σίδηρο μετεωρίτη και μεταλλικές πηγές, μεγάλες ποσότητες του στοιχείου βρίσκονται στις Ηνωμένες Πολιτείες ( ιδιαίτερα στο Τέξας, το Νέο Μεξικό, το Κάνσας, την Οκλαχόμα, την Αριζόνα και τη Γιούτα) ως συστατικό (έως 7,6%) του φυσικού αερίου. Μικρά αποθέματα έχουν ανακαλυφθεί στην Αυστραλία, την Αλγερία, την Πολωνία, το Κατάρ και τη Ρωσία. Στον φλοιό της γης, η συγκέντρωση ηλίου είναι μόνο περίπου 8 μέρη ανά δισεκατομμύριο.

Ισότοπα

Ο πυρήνας κάθε ατόμου ηλίου περιέχει δύο πρωτόνια, αλλά όπως και άλλα στοιχεία, έχει ισότοπα. Περιέχουν από ένα έως έξι νετρόνια, επομένως ο μαζικός αριθμός τους κυμαίνεται από τρία έως οκτώ. Τα σταθερά είναι τα στοιχεία στα οποία η μάζα του ηλίου προσδιορίζεται από τους ατομικούς αριθμούς 3 (3 He) και 4 (4 He). Όλα τα υπόλοιπα είναι ραδιενεργά και πολύ γρήγορα διασπώνται σε άλλες ουσίες. Το χερσαίο ήλιο δεν είναι αρχικό συστατικό του πλανήτη· σχηματίστηκε ως αποτέλεσμα ραδιενεργής αποσύνθεσης. Τα σωματίδια άλφα που εκπέμπονται από πυρήνες βαρέων ραδιενεργών ουσιών είναι πυρήνες του ισοτόπου 4 He. Ήλιο δεν συσσωρεύεται σε μεγάλες ποσότητες στην ατμόσφαιρα επειδή η γήινη βαρύτητα δεν είναι αρκετά ισχυρή ώστε να εμποδίσει τη σταδιακή διαρροή του στο διάστημα. Τα ίχνη του 3 He στη Γη εξηγούνται από την αρνητική βήτα διάσπαση του σπάνιου στοιχείου υδρογόνο-3 (τρίτιο). 4 Είναι το πιο άφθονο από τα σταθερά ισότοπα: η αναλογία 4 ατόμων He προς 3 He είναι περίπου 700 χιλιάδες προς 1 στην ατμόσφαιρα και περίπου 7 εκατομμύρια προς 1 σε ορισμένα ορυκτά που περιέχουν ήλιο.

Φυσικές ιδιότητες του ηλίου

Αυτό το στοιχείο έχει τα χαμηλότερα σημεία βρασμού και τήξης. Για το λόγο αυτό, ήλιο υπάρχει εκτός από ακραίες συνθήκες. Το αέριο διαλύεται λιγότερο στο νερό από οποιοδήποτε άλλο αέριο και ο ρυθμός διάχυσης μέσω των στερεών είναι τρεις φορές μεγαλύτερος από αυτόν του αέρα. Ο δείκτης διάθλασής του είναι πιο κοντά στο 1.

Η θερμική αγωγιμότητα του ηλίου είναι δεύτερη μετά από αυτήν του υδρογόνου και η ειδική θερμική του ικανότητα είναι ασυνήθιστα υψηλή. Σε κανονικές θερμοκρασίες θερμαίνεται καθώς διαστέλλεται και κάτω από 40 Κ ψύχεται. Ως εκ τούτου, στο Τ<40 K гелий можно превратить в жидкость путем расширения.

Ένα στοιχείο είναι διηλεκτρικό εκτός εάν βρίσκεται σε ιονισμένη κατάσταση. Όπως και άλλα ευγενή αέρια, το ήλιο έχει μετασταθερά επίπεδα ενέργειας που του επιτρέπουν να παραμένει ιονισμένο σε μια ηλεκτρική εκκένωση όταν η τάση παραμένει κάτω από το δυναμικό ιονισμού.

Το ήλιο-4 είναι μοναδικό στο ότι έχει δύο υγρές μορφές. Το κοινό ονομάζεται ήλιο Ι και υπάρχει σε θερμοκρασίες που κυμαίνονται από ένα σημείο βρασμού από 4,21 K (-268,9 °C) έως περίπου 2,18 K (-271 °C). Κάτω από 2,18 K, η θερμική αγωγιμότητα του 4 He γίνεται 1000 φορές μεγαλύτερη από αυτή του χαλκού. Αυτή η μορφή ονομάζεται ήλιο II για να διακρίνεται από την κανονική μορφή. Είναι υπερρευστό: το ιξώδες είναι τόσο χαμηλό που δεν μπορεί να μετρηθεί. Ήλιο II απλώνεται σε μια λεπτή μεμβράνη στην επιφάνεια οποιασδήποτε ουσίας αγγίζει, και αυτή η μεμβράνη ρέει χωρίς τριβή, ακόμη και ενάντια στη βαρύτητα.

Το λιγότερο άφθονο ήλιο-3 σχηματίζει τρεις διαφορετικές υγρές φάσεις, δύο από τις οποίες είναι υπερρευστές. Υπερρευστότητα στο 4 Ανακαλύφθηκε από έναν Σοβιετικό φυσικό στα μέσα της δεκαετίας του 1930, και το ίδιο φαινόμενο στο 3 Παρατηρήθηκε για πρώτη φορά από τους Douglas D. Osheroff, David M. Lee και Robert S. Richardson από τις Ηνωμένες Πολιτείες το 1972.

Ένα υγρό μείγμα δύο ισοτόπων ηλίου-3 και -4 σε θερμοκρασίες κάτω των 0,8 K (-272,4 °C) χωρίζεται σε δύο στρώματα - σχεδόν καθαρό 3 He και ένα μείγμα 4 He με 6% ήλιο-3. Η διάλυση του 3 He σε 4 He συνοδεύεται από ένα φαινόμενο ψύξης, το οποίο χρησιμοποιείται στο σχεδιασμό κρυοστατών στους οποίους η θερμοκρασία του ηλίου πέφτει κάτω από 0,01 K (-273,14 °C) και διατηρείται εκεί για αρκετές ημέρες.

Συνδέσεις

Υπό κανονικές συνθήκες, το ήλιο είναι χημικά αδρανές. Σε ακραίες περιπτώσεις, είναι δυνατό να δημιουργηθούν ενώσεις στοιχείων που δεν είναι σταθερές σε κανονικές θερμοκρασίες και πιέσεις. Για παράδειγμα, το ήλιο μπορεί να σχηματίσει ενώσεις με ιώδιο, βολφράμιο, φθόριο, φώσφορο και θείο όταν εκτίθεται σε ηλεκτρική εκκένωση λάμψης με βομβαρδισμό με ηλεκτρόνια ή σε κατάσταση πλάσματος. Έτσι, δημιουργήθηκαν τα HeNe, HgHe 10, WHe 2 και τα μοριακά ιόντα He 2 +, He 2 ++, HeH + και HeD +. Αυτή η τεχνική κατέστησε επίσης δυνατή τη λήψη ουδέτερων μορίων He 2 και HgHe.

Πλάσμα αίματος

Το ιονισμένο ήλιο κατανέμεται κυρίως στο Σύμπαν, οι ιδιότητες του οποίου διαφέρουν σημαντικά από το μοριακό ήλιο. Τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια του δεν είναι δεσμευμένα και έχει πολύ υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα ακόμη και σε μερικώς ιονισμένη κατάσταση. Τα φορτισμένα σωματίδια επηρεάζονται έντονα από τα μαγνητικά και ηλεκτρικά πεδία. Για παράδειγμα, στον ηλιακό άνεμο, τα ιόντα ηλίου μαζί με το ιονισμένο υδρογόνο αλληλεπιδρούν με τη μαγνητόσφαιρα της Γης, προκαλώντας το βόρειο σέλας.

Ανακάλυψη καταθέσεων στις Η.Π.Α

Μετά τη γεώτρηση ενός πηγαδιού το 1903 στο Dexter του Κάνσας, ελήφθη μη εύφλεκτο αέριο. Αρχικά δεν ήταν γνωστό ότι περιείχε ήλιο. Τι είδους αέριο βρέθηκε καθορίστηκε από τον κρατικό γεωλόγο Erasmus Haworth, ο οποίος συνέλεξε δείγματά του και στο Πανεπιστήμιο του Κάνσας, με τη βοήθεια των χημικών Cady Hamilton και David McFarland, διαπίστωσε ότι περιείχε 72% άζωτο, 15% μεθάνιο, 1 % υδρογόνο και 12% δεν ταυτοποιήθηκε. Μετά από περαιτέρω ανάλυση, οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι το 1,84% του δείγματος ήταν ήλιο. Έτσι έμαθαν ότι αυτό το χημικό στοιχείο υπάρχει σε τεράστιες ποσότητες στα βάθη των Μεγάλων Πεδιάδων, από όπου μπορεί να εξαχθεί από το φυσικό αέριο.

Εργοστασιακή παραγωγή

Αυτό έκανε τις Ηνωμένες Πολιτείες ηγέτη στην παγκόσμια παραγωγή ηλίου. Μετά από πρόταση του Sir Richard Threlfall, το Πολεμικό Ναυτικό των ΗΠΑ χρηματοδότησε τρία μικρά πειραματικά εργοστάσια για την παραγωγή αυτής της ουσίας κατά τη διάρκεια του Πρώτου Παγκόσμιου Πολέμου, με στόχο την παροχή μπαλονιών μπαράζ με ένα ελαφρύ, μη εύφλεκτο αέριο ανύψωσης. Αυτό το πρόγραμμα παρήγαγε συνολικά 5.700 m 3 από 92 τοις εκατό He, αν και μόνο λιγότερα από 100 λίτρα αερίου είχαν παραχθεί προηγουμένως. Μέρος αυτού του όγκου χρησιμοποιήθηκε στο πρώτο αερόπλοιο ηλίου στον κόσμο, το C-7, το οποίο έκανε το παρθενικό του ταξίδι από το Hampton Roads στο Bolling Field στις 7 Δεκεμβρίου 1921.

Αν και η διαδικασία υγροποίησης του αερίου σε χαμηλή θερμοκρασία δεν είχε αναπτυχθεί επαρκώς εκείνη την εποχή ώστε να αποδειχθεί σημαντική κατά τον Α' Παγκόσμιο Πόλεμο, η παραγωγή συνεχίστηκε. Το ήλιο χρησιμοποιήθηκε κυρίως ως ανυψωτικό αέριο στα αεροσκάφη. Η ζήτηση για αυτό αυξήθηκε κατά τη διάρκεια του Β 'Παγκοσμίου Πολέμου όταν χρησιμοποιήθηκε στη συγκόλληση θωρακισμένου τόξου. Το στοιχείο ήταν επίσης σημαντικό στο έργο της ατομικής βόμβας στο Μανχάταν.

Εθνικό απόθεμα ΗΠΑ

Το 1925, η κυβέρνηση των Ηνωμένων Πολιτειών ίδρυσε το Εθνικό Αποθεματικό Ηλίου στο Amarillo του Τέξας, για να προμηθεύει στρατιωτικά αερόπλοια σε περιόδους πολέμου και εμπορικά αερόπλοια σε περιόδους ειρήνης. Η χρήση του φυσικού αερίου μειώθηκε μετά τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο, αλλά η προσφορά αυξήθηκε τη δεκαετία του 1950 για να προμηθεύσει, μεταξύ άλλων, ένα ψυκτικό υγρό που χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή καυσίμου πυραύλων οξυ-υδρογόνου κατά τη διάρκεια του διαστημικού αγώνα και του Ψυχρού Πολέμου. Η χρήση ηλίου στις ΗΠΑ το 1965 ήταν οκτώ φορές η μέγιστη κατανάλωση εν καιρώ πολέμου.

Μετά την ψήφιση του νόμου περί ηλίου του 1960, το Γραφείο Μεταλλείων ανέθεσε συμβάσεις σε 5 ιδιωτικές επιχειρήσεις για την εξαγωγή του στοιχείου από το φυσικό αέριο. Για αυτό το πρόγραμμα, κατασκευάστηκε ένας αγωγός φυσικού αερίου μήκους 425 χιλιομέτρων για να συνδέσει αυτές τις μονάδες με ένα κρατικό κοίτασμα μερικώς εξαντλημένου φυσικού αερίου κοντά στο Amarillo του Τέξας. Το μείγμα ηλίου-αζώτου αντλήθηκε σε μια υπόγεια εγκατάσταση αποθήκευσης και παρέμεινε εκεί μέχρι να χρειαστεί.

Μέχρι το 1995, είχε συγκεντρωθεί ένα δισεκατομμύριο κυβικά μέτρα απόθεμα και το Εθνικό Απόθεμα είχε χρέος 1,4 δισεκατομμυρίων δολαρίων, ωθώντας το Κογκρέσο των ΗΠΑ να το καταργήσει σταδιακά το 1996. Μετά την ψήφιση του νόμου για την ιδιωτικοποίηση του ηλίου το 1996, το Υπουργείο Φυσικών Πόρων ξεκίνησε την αποξήλωση της εγκατάστασης αποθήκευσης το 2005.

Καθαρότητα και όγκοι παραγωγής

Το ήλιο που παρήχθη πριν από το 1945 ήταν περίπου 98% καθαρό, ενώ το υπόλοιπο 2% ήταν άζωτο, το οποίο επαρκούσε για αερόπλοια. Το 1945, μια μικρή ποσότητα 99,9 τοις εκατό αερίου παρήχθη για χρήση στη συγκόλληση τόξου. Μέχρι το 1949, η καθαρότητα του προκύπτοντος στοιχείου έφτασε το 99,995%.

Για πολλά χρόνια, οι Ηνωμένες Πολιτείες παρήγαγαν περισσότερο από το 90% του εμπορικού ηλίου στον κόσμο. Από το 2004, παράγονται 140 εκατομμύρια m 3 ετησίως, το 85% των οποίων προέρχεται από τις ΗΠΑ, το 10% παράγεται στην Αλγερία και το υπόλοιπο στη Ρωσία και την Πολωνία. Οι κύριες πηγές ηλίου στον κόσμο είναι κοιτάσματα αερίου στο Τέξας, την Οκλαχόμα και το Κάνσας.

Διαδικασία παραλαβής

Το ήλιο (98,2% καθαρό) διαχωρίζεται από το φυσικό αέριο υγροποιώντας άλλα συστατικά σε χαμηλές θερμοκρασίες και υψηλές πιέσεις. Η προσρόφηση άλλων αερίων από ψυχρό ενεργό άνθρακα επιτρέπει την επίτευξη καθαρότητας 99,995%. Μια μικρή ποσότητα ηλίου παράγεται από την υγροποίηση του αέρα σε μεγάλη κλίμακα. Από 900 τόνους αέρα μπορείτε να πάρετε περίπου 3,17 κυβικά μέτρα. m αερίου.

Τομείς εφαρμογής

Το ευγενές αέριο έχει βρει εφαρμογή σε διάφορους τομείς.

Το ήλιο, του οποίου οι ιδιότητες καθιστούν δυνατή την επίτευξη εξαιρετικά χαμηλών θερμοκρασιών, χρησιμοποιείται ως ψυκτικός παράγοντας στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, υπεραγώγιμοι μαγνήτες σε μηχανές MRI και φασματόμετρα πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού, δορυφορικό εξοπλισμό, καθώς και για υγροποίηση οξυγόνου και υδρογόνου στον Απόλλωνα πυραύλους.
Ως αδρανές αέριο για τη συγκόλληση αλουμινίου και άλλων μετάλλων, στην παραγωγή οπτικών ινών και ημιαγωγών.
Δημιουργία πίεσης στις δεξαμενές καυσίμου των πυραυλοκινητήρων, ειδικά αυτών που λειτουργούν με υγρό υδρογόνο, καθώς μόνο το αέριο ήλιο διατηρεί την κατάσταση συσσωμάτωσης όταν το υδρογόνο παραμένει υγρό.
Το He-Ne χρησιμοποιείται για τη σάρωση γραμμωτών κωδίκων στα ταμεία του σούπερ μάρκετ.
Ένα μικροσκόπιο ιόντων ηλίου παράγει καλύτερες εικόνες από ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο.
Λόγω της υψηλής διαπερατότητάς του, το ευγενές αέριο χρησιμοποιείται για τον έλεγχο διαρροών, για παράδειγμα σε συστήματα κλιματισμού αυτοκινήτων, και για το γρήγορο φούσκωμα των αερόσακων σε περίπτωση σύγκρουσης.
Η χαμηλή πυκνότητα σάς επιτρέπει να γεμίζετε διακοσμητικά μπαλόνια με ήλιο. Το αδρανές αέριο αντικατέστησε το εκρηκτικό υδρογόνο σε αερόπλοια και μπαλόνια. Για παράδειγμα, στη μετεωρολογία, τα μπαλόνια ηλίου χρησιμοποιούνται για την ανύψωση οργάνων μέτρησης.
Στην κρυογονική τεχνολογία χρησιμεύει ως ψυκτικό, αφού η θερμοκρασία αυτού του χημικού στοιχείου σε υγρή κατάσταση είναι η χαμηλότερη δυνατή.
Το ήλιο, του οποίου οι ιδιότητές του παρέχουν χαμηλή αντιδραστικότητα και διαλυτότητα στο νερό (και στο αίμα), αναμεμειγμένο με οξυγόνο, έχει βρει χρήση σε αναπνευστικές συνθέσεις για καταδύσεις και εργασίες κασονιού.
Οι μετεωρίτες και τα πετρώματα αναλύονται για το περιεχόμενο αυτού του στοιχείου για να προσδιοριστεί η ηλικία τους.

Ήλιο: ιδιότητες του στοιχείου

Οι κύριες φυσικές ιδιότητες του He είναι οι εξής:

Ατομικός αριθμός: 2.
Σχετική μάζα ατόμου ηλίου: 4,0026.
Σημείο τήξης: όχι.
Σημείο βρασμού: -268,9 °C.
Πυκνότητα (1 atm, 0 °C): 0,1785 g/p.
Καταστάσεις οξείδωσης: 0.

Σε λίγες γενιές, τα αερόστατα μπορεί να γίνουν ιστορία. Αγοράστε ένα μπαλόνι. Αφήστε το να φύγει και δείτε το να συρρικνώνεται σε μια μικροσκοπική κουκκίδα και να εξαφανίζεται στη στρατόσφαιρα. Τότε είτε θα πετάξει πολύ μακριά και θα ραγίσει, είτε θα διαρρεύσει αργά εξαρτήματα που είναι ελαφρύτερα από τον αέρα. Με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, το ήλιο θα ξεφύγει από το μπαλόνι και από την ατμόσφαιρα. Το ήλιο της Γης κυριολεκτικά πετά στο διάστημα.

Αυτό είναι το μέλλον του ηλίου στον κόσμο τα επόμενα εκατό χρόνια, λένε οι επιστήμονες. Αυτή είναι η μοίρα του αερίου, που είναι ελαφρύτερο από τον αέρα: η βαρύτητα απλά δεν μπορεί να το κρατήσει. Ο φλοιός της Γης απελευθερώνει λίγο ήλιο, αλλά γρήγορα φεύγει από την ατμόσφαιρα. Η ποσότητα ηλίου σε αυτό παραμένει σταθερή στο 0,00052 τοις εκατό κατ' όγκο. Η εξαγωγή μιας τόσο μικρής ποσότητας από τον αέρα θα ήταν πολύ ακριβή. Το ήλιο που μπορεί να αγοραστεί και να χρησιμοποιηθεί λαμβάνεται από αποθέματα φυσικού αερίου, κυρίως στις Ηνωμένες Πολιτείες.

Όταν χρησιμοποιείται (σε μπαλόνια, μαγνητικές τομογραφίες ή πύραυλους), το ήλιο ανεβαίνει, πάνω και μακριά. Καθώς τα αποθέματα ηλίου εξαντλούνται σταδιακά, οι τιμές έχουν ήδη αρχίσει να αυξάνονται και τα μπαλόνια δίνουν τη θέση τους σε πιο σοβαρές χρήσεις. Σε εκατό χρόνια, ένα μπαλόνι μπορεί να αξίζει περισσότερο από ένα συμπαγές χρυσό δαχτυλίδι. Παρόλο που οι επιστήμονες γνώριζαν για την επικείμενη έλλειψη ηλίου πριν από δεκαετίες, έγινε είδηση μόνο τα τελευταία πέντε χρόνια.

Γιατί; Οι λόγοι βρίσκονται στην περίπλοκη πολιτική ιστορία του ηλίου.

Πώς φτάσαμε ως εδώ;

Ήλιος στο άρμα του Ήλιου. Νικολά Μπερτίν

Το 1868, το ήλιο εμφανίστηκε για πρώτη φορά ως γραμμή στο φάσμα του φωτός κατά τη διάρκεια μιας ηλιακής έκλειψης. Το όνομα ήλιο συνδέεται με τον Έλληνα θεό Ήλιο, ο οποίος οδηγούσε τον ήλιο στον ουρανό κάθε μέρα με ένα χρυσό άρμα. Το 1895, ο Σκωτσέζος χημικός William Ramsay ανακάλυψε για πρώτη φορά αυτό το αέριο στη Γη. Την ίδια χρονιά, οι Σουηδοί χημικοί Per Theodor Kleve και Abram Lenglet συνέλεξαν αρκετό αέριο για να προσδιορίσουν τον ατομικό του αριθμό, 2.

Το στοιχείο υπάρχει στην ηλιακή ενέργεια επειδή ο Ήλιος είναι μια τεράστια μπάλα υδρογόνου και ηλίου. Η βαρύτητα του Ήλιου είναι τόσο ισχυρή που στο κέντρο του, τα άτομα υδρογόνου (με ένα πρωτόνιο) συντήκονται και γίνονται άτομα ηλίου (με δύο πρωτόνια). Αυτή η διαδικασία ονομάζεται θερμοπυρηνική αντίδραση και απελευθερώνει αρκετή ενέργεια για να δούμε το φως του ήλιου και να νιώσουμε θερμότητα από απόσταση 150.000.000 km. Αλλά δεν παίρνουμε ηλιακό ήλιο. Αυτό το αέριο, που απομονώθηκε για πρώτη φορά από επιστήμονες, ήταν ένα υποπροϊόν της διάλυσης pitchblende (το πιο κοινό ορυκτό του ουρανίου) σε οξύ, μια διαδικασία που είναι τόσο ραδιενεργή όσο και δαπανηρή.

Το 1903, μια εξέδρα πετρελαίου στο Κάνσας ανακάλυψε ένα θερμοπίδακα με απογοητευτικά εύφλεκτο αέριο. Αυτό το αέριο στάλθηκε στο εργαστήριο για ανάλυση και αποδείχθηκε ότι ήταν 1,8% ήλιο - πολύ πιο συμπυκνωμένο από αυτό που βρίσκεται στην ατμόσφαιρα. Οι μηχανικοί άρχισαν να μελετούν αέριο από άλλα πηγάδια στη χώρα, και ως αποτέλεσμα, το 1906, οι επιστήμονες δήλωσαν: «Το ήλιο δεν είναι σπάνιο, αλλά κοινό στοιχείο και πρέπει να βρούμε μια χρήση για τα τεράστια αποθέματά του».

Γιατί το ήλιο είναι πολύ πιο κατάλληλο για αερόπλοια από το υδρογόνο

Αποδεικνύοντας ότι είναι μια κοινή ουσία, το ήλιο έγινε μια φυσική λύση για τα ελαστικά μπαλόνια και τα αερόπλοια, τα οποία προηγουμένως ήταν γεμάτα με το ίδιο ελαφρύ αλλά εύφλεκτο υδρογόνο. Το ήλιο είναι λιγότερο κοινό εκτός των ΗΠΑ και η κυβέρνηση ήθελε να διατηρήσει αυτό το πλεονέκτημα. Το 1925, το Κογκρέσο ενέκρινε το Ομοσπονδιακό Αποθεματικό Ηλίου για στρατιωτικά και εμπορικά αερόπλοια και ένας νόμος που ψηφίστηκε το 1927 απαγόρευε την εξαγωγή ηλίου. Ως αποτέλεσμα, αερόπλοια άλλων χωρών, όπως το Hindenburg, συνέχισαν να τροφοδοτούνται με υδρογόνο, γεγονός που οδήγησε στην περίφημη καταστροφή.

Σύντομα βρέθηκαν άλλοι τρόποι χρήσης του πόρου. Έχει το χαμηλότερο σημείο βρασμού από όλες τις γνωστές ουσίες - μείον 269 βαθμούς Κελσίου, επομένως στην υγρή του κατάσταση το ήλιο είναι ιδανικό ψυκτικό μέσο. Ένα βραστό υγρό διατηρεί τη θερμοκρασία στην οποία βράζει όσο παραμένει υγρό—δεν ζεσταίνεται περισσότερο. Το νερό δεν μπορεί να είναι πιο ζεστό από εκατό βαθμούς και το υγρό ήλιο δεν μπορεί να είναι θερμότερο από -269. Ο πόρος άρχισε να χρησιμοποιείται για τη μόνωση τόξων συγκόλλησης και αργότερα - σε υπεραγωγούς, πυρηνικούς αντιδραστήρες και κρυογονική. Σήμερα αυτό το αέριο χρησιμοποιείται συχνότερα ως ψυκτικό.

Από το έργο του Μανχάταν, το ήλιο έχει χρησιμοποιηθεί για την εύρεση διαρροών: είναι ένα αδρανές αέριο που δεν αντιδρά με άλλες ουσίες και διαπερνά τις τρύπες πολύ γρήγορα. Χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της ακτινοβολίας και στην ιατρική απεικόνιση.

Η θερμοκρασία των μαγνητών στο μηχάνημα απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού διατηρείται με χρήση ηλίου.

Federal Reserve

Αν και η χρήση αερόπλοιων γεμάτα ήλιο σταμάτησε, το Federal Reserve συνέχισε να υπάρχει και να επεκτείνεται στο δεύτερο μισό του εικοστού αιώνα, επειδή το αέριο ήταν χρήσιμο για τις κυβερνητικές ανάγκες, κυρίως τη διαστημική και αμυντική βιομηχανία.

Το 1996, το ομοσπονδιακό αποθεματικό ανερχόταν σε ένα δισεκατομμύριο κυβικά μέτρα, αλλά έπαψε να ενδιαφέρει την κυβέρνηση των ΗΠΑ, εν μέρει λόγω κακής οικονομικής διαχείρισης. Η Washington Post έγραψε: «Το 1996, η παροχή ηλίου μοιάζει με απόβλητο. Τα αερόπλοια δεν αποτελούσαν πλέον ζωτικό μέρος της πολεμικής αεροπορίας και, το πιο σημαντικό, έχοντας πληρώσει γεωτρύπανες για την εξαγωγή ηλίου από το φυσικό αέριο, η εγκατάσταση αποθήκευσης έμεινε με 1.400.000.000 $.

Τόσο ο Ρίγκαν όσο και η Κλίντον υποσχέθηκαν να λύσουν το πρόβλημα και το 1996 το Κογκρέσο ψήφισε νομοθεσία για την ιδιωτικοποίηση του ηλίου. Από το 2005, η μετοχή θα έπρεπε να είχε αρχίσει να πωλείται σε σταθερή τιμή και όχι σε αγοραία αξία, και μέχρι το 2015 σχεδιάστηκε να ολοκληρωθούν οι πωλήσεις και να κλείσει η εγκατάσταση αποθήκευσης.

Μπαλόνι στην παρέλαση της Ημέρας των Ευχαριστιών του Macy

Ως εκ τούτου, η αγορά πλημμύρισε από ήλιο, η τιμή του μειώθηκε απότομα και η κατανάλωση, σύμφωνα με τους περιβαλλοντολόγους, αυξήθηκε απότομα. «Λόγω αυτού του νόμου, το ήλιο έχει γίνει πολύ φθηνό και δεν γίνεται αντιληπτό ως πολύτιμος πόρος. Το σπαταλούν. [...] Το ήλιο δεν έχει εξαντληθεί όσο γρήγορα θα ήθελες, και οι παγκόσμιες τιμές για αυτό είναι γελοία χαμηλές», δήλωσε το 2010 ο βραβευμένος με Νόμπελ Ρόμπερτ Ρίτσαρντσον.

Ο καθηγητής Richardson πιστεύει ότι οι τιμές του ηλίου πρέπει να αυξηθούν κατά 20-50 φορές για να ενθαρρυνθεί η ανακύκλωση. Για παράδειγμα, η NASA δεν προσπαθεί καν να επαναχρησιμοποιήσει ήλιο μετά τον καθαρισμό δεξαμενών καυσίμου πυραύλων, το οποίο σπαταλά πολύ από αυτό το αέριο. Ο καθηγητής Richardson πιστεύει επίσης ότι τα μπαλόνια γεμάτα ήλιο είναι πολύ φθηνά. Κάθε ένα από αυτά θα πρέπει να κοστίζει περίπου 100 $ - τέτοια είναι η αξία του αερίου που περιέχουν.

Ο Richardson πιστεύει ότι εάν συνεχιστούν οι σημερινοί ρυθμοί κατανάλωσης, τα παγκόσμια αποθέματα ηλίου θα διαρκέσουν περίπου εκατό χρόνια.

Αντί να ενθαρρύνει τον ιδιωτικό τομέα να παράγει ήλιο, το ξεπούλημα των αποθεμάτων είχε το αντίθετο αποτέλεσμα. Το αέριο έγινε τόσο φθηνό που κανείς δεν είδε ούτε την ανάγκη ούτε το όφελος να το παράγει μόνος του. Ενόψει του 2015, οι επιστήμονες έκρουσαν τον κώδωνα του κινδύνου: εάν τα αποθέματα εξαντληθούν όπως είχε προγραμματιστεί, δεν θα αποκατασταθούν πλέον. Οι Ηνωμένες Πολιτείες, οι οποίες παράγουν περίπου το 70% του συνόλου του ηλίου στον πλανήτη, παραμένουν ο παγκόσμιος ηγέτης στην παραγωγή τους, πράγμα που σημαίνει ότι η έλλειψή τους στις Ηνωμένες Πολιτείες θα μπορούσε να προκαλέσει προβλήματα σε όλο τον κόσμο.

Το 2013, εγκρίθηκε ο νόμος για τον στρατηγικό έλεγχο του ηλίου, που του επέτρεψε να δημοπρατηθεί μέχρι το 2021, οπότε η τιμή θα πλησιάσει σύντομα την τιμή της αγοράς - μετά από ένα τεράστιο μέρος της προμήθειας που πωλήθηκε για πένες.

Ήλιο σήμερα

Ακόμα κι αν η δημοπρασία λύσει σταδιακά το πρόβλημα της τιμής, το ήλιο είναι ένας μη ανανεώσιμος πόρος. Τα αποθέματα αναμένεται να εξαντληθούν έως το 2020, και ακόμη κι αν αυτό δεν συμβεί, σύμφωνα με τους ισχύοντες νόμους η εγκατάσταση αποθήκευσης αερίου πρέπει να κλείσει έως το 2021. Ταυτόχρονα, ο κόσμος αναζητά απεγνωσμένα εναλλακτικά ψυκτικά μέσα, ανυψωτικά και πηγές ηλίου.

Το USGS γράφει: «Μέχρι το τέλος της δεκαετίας, οι διεθνείς εγκαταστάσεις παραγωγής ηλίου πιθανότατα θα γίνουν η κορυφαία πηγή ηλίου στον κόσμο. Τέτοιες εγκαταστάσεις έχουν ήδη δημιουργηθεί στην Αλγερία και το Κατάρ». Η Κίνα σχεδιάζει να εξορύξει ήλιο-3, το οποίο επί του παρόντος παράγεται μόνο, στη Σελήνη.

Πολλοί καταναλωτές, κοιτάζοντας τις αυξανόμενες τιμές, άρχισαν να αναζητούν τρόπους ανακύκλωσης ηλίου. Ανάλογα με το πού οδηγούν αυτές οι προσπάθειες, μπορεί να είμαστε σε θέση να καθυστερήσουμε την ημέρα που ένα σωρό μπαλόνια γίνονται τόσο τρελή πολυτέλεια όσο τα ασημένια μαχαιροπίρουνα ή τα πλήκτρα πιάνου με επένδυση από ελεφαντόδοντο.