Stvaranje atomskih jezgri.

helij(He) je inertni plin, koji je drugi element periodnog sustava elemenata, kao i drugi element po lakoći i rasprostranjenosti u Svemiru. Spada u jednostavne tvari i u standardnim uvjetima (standardna temperatura i tlak) je jednoatomski plin.

helij nema okus, boju, miris i ne sadrži toksine.

Među svim jednostavnim tvarima, helij ima najnižu točku vrelišta (T = 4,216 K). Pri atmosferskom tlaku nemoguće je dobiti čvrsti helij, čak i na temperaturama blizu apsolutne nule - da bi prešao u kruti oblik, heliju je potreban tlak iznad 25 atmosfera. Malo je kemijskih spojeva helija i svi su nestabilni u standardnim uvjetima.
Helij koji se pojavljuje u prirodi sastoji se od dva stabilna izotopa, He i 4He. Izotop "He" je vrlo rijedak (obilje izotopa 0,00014%) sa 99,99986% za izotop 4He. Osim prirodnih, poznato je i 6 umjetnih radioaktivnih izotopa helija.
Pojava gotovo svega u Svemiru, helija, bila je primarna nukleosinteza koja se dogodila u prvim minutama nakon Velikog praska.
Trenutno, gotovo sve helij Nastaje iz vodika kao rezultat termonuklearne fuzije koja se događa u unutrašnjosti zvijezda. Na našem planetu helij nastaje u procesu alfa raspada teških elemenata. Onaj dio helija koji uspije prodrijeti kroz Zemljinu koru izlazi kao dio prirodnog plina i može biti i do 7% njegovog sastava. Što istaknuti helij iz prirodnog plina koristi se frakcijska destilacija - proces niskotemperaturnog odvajanja elemenata.

Povijest otkrića helija

Dana 18. kolovoza 1868. očekivala se potpuna pomrčina Sunca. Astronomi diljem svijeta aktivno su se pripremali za ovaj dan. Nadali su se da će riješiti misterij prominencija - svjetlosne projekcije vidljive u vrijeme potpune pomrčine Sunca duž rubova solarnog diska. Neki su astronomi vjerovali da su prominencije visoke mjesečeve planine, koje su, u vrijeme potpune pomrčine Sunca, osvijetljene sunčevim zrakama; drugi su mislili da su istaknutosti planine na samom Suncu; treći su u solarnim projekcijama vidjeli vatrene oblake sunčeve atmosfere. Većina je vjerovala da prominencije nisu ništa drugo do optička iluzija.

Godine 1851., tijekom pomrčine Sunca promatrane u Europi, njemački astronom Schmidt ne samo da je vidio sunčeve projekcije, već je uspio razaznati i da se njihovi obrisi mijenjaju tijekom vremena. Na temelju svojih opažanja, Schmidt je zaključio da su istaknuti oblaci užarenog plina izbačeni u sunčevu atmosferu divovskim erupcijama. Međutim, čak i nakon Schmidtovih opažanja, mnogi astronomi su vatrene izbočine još uvijek smatrali optičkom varkom.

Tek nakon potpune pomrčine 18. srpnja 1860., koja je uočena u Španjolskoj, kada su mnogi astronomi svojim očima vidjeli solarne projekcije, a Talijan Secchi i Francuz Dellar uspjeli su ih ne samo skicirati, već i fotografirati, nitko je sumnjao u postojanje istaknutosti .

Do 1860. već je izumljen spektroskop - uređaj koji omogućuje, promatranjem vidljivog dijela optičkog spektra, određivanje kvalitativnog sastava tijela iz kojeg se dobiva promatrani spektar. Međutim, na dan pomrčine Sunca, nitko od astronoma nije koristio spektroskop da vidi spektar prominencija. Spektroskop je zapamćen kada je pomrčina već završila.

Zato je, pripremajući se za pomrčinu Sunca 1868., svaki astronom uvrstio spektroskop na popis instrumenata za promatranje. Jules Jansen, poznati francuski znanstvenik, ovaj instrument nije zaboravio kada je otišao u Indiju promatrati prominence, gdje su uvjeti za promatranje pomrčine Sunca, prema proračunima astronoma, bili najbolji.

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

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

Pristigla pisma pročitana su na sastanku profesora Pariške akademije znanosti. U njima su Jules Jansen i Norman Lockyer, neovisno jedan o drugome, izvijestili o otkriću iste "solarne tvari". Ovu novu tvar, pronađenu na površini Sunca pomoću spektroskopa, Lockyer je predložio nazvati helij od grčke riječi za "sunce" - "helios".

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

Godine 1895. londonski kemičar Henry Myers skrenuo je pozornost Williama Ramsaya, poznatog engleskog fizikalnog kemičara, na tada zaboravljeni članak geologa Hildebranda. U ovom članku Hildebrand je tvrdio da neki rijetki minerali, kada se zagrijavaju u sumpornoj kiselini, emitiraju plin koji ne gori i ne podržava izgaranje. Među tim rijetkim mineralima bio je i kleveit, koji je u Norveškoj pronašao Nordenskiöld, poznati švedski istraživač polarnih područja.

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

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

Crookes je istražio plin. Rezultat studije potvrdio je Ramsayjevo otkriće. Tako je 23. ožujka 1895. na Zemlji otkrivena tvar koja je pronađena na Suncu 27 godina ranije. Istog dana Ramsay je objavio svoje otkriće, poslavši jednu poruku Kraljevskom društvu u Londonu, a drugu poznatom francuskom kemičaru akademiku Berthelotu. U pismu Berthelotu, Ramsay je tražio da o svom otkriću obavijesti znanstveni skup profesora Pariške akademije.

Petnaest dana nakon Ramsaya, neovisno o njemu, švedski kemičar Langley izolirao je helij iz kleveita i, poput Ramsaya, prijavio je svoje otkriće helija kemičaru Berthelotu.

Po treći put, helij je otkriven u zraku, gdje je, prema Ramsayu, trebao doći iz rijetkih minerala (kleveit i dr.) tijekom razaranja i kemijskih transformacija na Zemlji.

Male količine helija pronađene su i u vodi nekih mineralnih izvora. Tako ga je, primjerice, pronašao Ramsay u ljekovitom izvoru Cotre u Pirinejima, engleski fizičar John William Rayleigh pronašao ga je u vodama izvora u poznatom ljetovalištu Bathu, njemački fizičar Kaiser otkrio je helij u izvorima koji šikljaju u planinama Schwarzwalda. Međutim, najviše helija pronađeno je u nekim mineralima. Nalazi se u samarskitu, fergusonitu, kolumbitu, monazitu i uranitu. Posebno veliku količinu helija sadrži mineral torijanit s otoka Cejlona. Kilogram torijanita, kada se zagrije užareno, oslobađa 10 litara helija.

Ubrzo je ustanovljeno da se helij nalazi samo u onim mineralima koji sadrže radioaktivni uran i torij. Alfa-zrake koje emitiraju neki radioaktivni elementi nisu ništa drugo nego jezgre atoma helija.

Iz povijesti...

Njegova neobična svojstva omogućuju široku upotrebu helija u razne svrhe. Prva, apsolutno logična, na temelju svoje lakoće, je uporaba u balonima i zračnim brodovima. Štoviše, za razliku od vodika, nije eksplozivan. Ovo svojstvo helija Nijemci su koristili u Prvom svjetskom ratu na borbenim zračnim brodovima. Nedostatak njegove uporabe je što zračni brod napunjen helijem neće letjeti tako visoko kao vodik.

Za bombardiranje velikih gradova, uglavnom prijestolnica Engleske i Francuske, njemačko zapovjedništvo u Prvom svjetskom ratu koristilo je zračne brodove (zepeline). Za njihovo punjenje korišten je vodik. Stoga je borba protiv njih bila relativno jednostavna: zapaljivi projektil koji je pao u školjku zračnog broda zapalio je vodik, koji je momentalno planuo i aparat je izgorio. Od 123 zračna broda izgrađena u Njemačkoj tijekom Prvog svjetskog rata, 40 ih je izgorjelo od zapaljivih granata. Ali jednog dana glavni stožer britanske vojske bio je iznenađen porukom od posebne važnosti. Izravni pogoci zapaljivih granata na njemački cepelin nisu dali rezultate. Zračni brod se nije zapalio, već je polako istječući iz nekog nepoznatog plina poletio natrag.

Vojni stručnjaci bili su zbunjeni i, unatoč hitnoj i detaljnoj raspravi o pitanju nezapaljivosti cepelina od zapaljivih projektila, nisu mogli pronaći potrebno objašnjenje. Zagonetku je riješio engleski kemičar Richard Threlfall. U pismu britanskom admiralitetu napisao je: "...Vjerujem da su Nijemci izmislili neki način za ekstrakciju helija u velikim količinama, a ovaj put su napunili školjku svog cepelina ne vodikom, kao obično, već helijem ..."

Uvjerljivost Threlfallovih argumenata, međutim, smanjena je činjenicom da u Njemačkoj nije bilo značajnijih izvora helija. Istina, helij je sadržan u zraku, ali on tamo nije dovoljan: jedan kubični metar zraka sadrži samo 5 kubičnih centimetara helija. Rashladni stroj Linde sustava, pretvarajući nekoliko stotina kubičnih metara zraka u tekućinu u jednom satu, mogao je za to vrijeme proizvesti najviše 3 litre helija.

3 litre helija na sat! A za punjenje cepelina potrebno vam je 5÷6 tisuća kubika. m. Za dobivanje takve količine helija, jedan Lindeov stroj morao je raditi bez prestanka oko dvjesto godina, dvjesto takvih strojeva dalo bi potrebnu količinu helija u jednoj godini. Izgradnja 200 postrojenja za pretvaranje zraka u tekućinu za proizvodnju helija ekonomski je vrlo neisplativa, a praktički besmislena.

Odakle su njemački kemičari dobili helij?

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

Incident s vatrostalnim cepelinom bio je poticaj za novu potragu za helijem. Kemičari, fizičari, geolozi počeli su intenzivno tražiti helij. To je odjednom postalo od velike vrijednosti. Godine 1916. 1 kubični metar helija koštao je 200.000 zlatnih rubalja, odnosno 200 rubalja po litri. Ako uzmemo u obzir da litra helija teži 0,18 g, onda je 1 g koštao preko 1000 rubalja.

Helij je postao predmetom lova za trgovce, špekulante, burzovne dilere. Helij je u značajnim količinama pronađen u prirodnim plinovima koji izlaze iz utrobe zemlje u Americi, u državi Kansas, gdje je, nakon što je Amerika ušla u rat, izgrađena tvornica helija u blizini grada Fort Wortha. Ali rat je završio, rezerve helija ostale su neiskorištene, cijena helija naglo je pala i na kraju 1918. iznosila je oko četiri rublje po kubnom metru.

Helij izvađen s takvim poteškoćama Amerikanci su upotrijebili tek 1923. za punjenje sada mirnog zračnog broda Shenandoah. Bio je to prvi i jedini zračni teretno-putnički brod na svijetu napunjen helijem. Međutim, njegov je “život” bio kratkog vijeka. Dvije godine nakon njezina rođenja, Shenandoah je uništila oluja. 55 tisuća kubnih metara m, gotovo cjelokupna svjetska zaliha helija, koja je skupljena šest godina, raspršila se bez traga u atmosferi tijekom oluje koja je trajala samo 30 minuta.

Primjena helija

Helij u prirodi

Uglavnom zemaljski helij nastaje tijekom radioaktivnog raspada urana-238, urana-235, torija i nestabilnih produkata njihovog raspada. Neusporedivo manje količine helija nastaju polaganim raspadom samarija-147 i bizmuta. Svi ti elementi stvaraju samo teški izotop helija - He 4 , čiji se atomi mogu smatrati ostacima alfa čestica, zakopanih u ljusci od dva sparena elektrona - u dubletu elektrona. U ranim geološkim razdobljima vjerojatno je postojao i drugi prirodno radioaktivan niz elemenata koji su već nestali s lica Zemlje, zasićujući planet helijem. Jedna od njih bila je sada umjetno rekreirana neptunska serija.

Po količini helija zarobljenog u stijeni ili mineralu može se suditi o njihovoj apsolutnoj starosti. Ta se mjerenja temelje na zakonima radioaktivnog raspada: na primjer, polovica urana-238 u 4,52 milijarde godina pretvara se u helij i olovo.

helij polako se nakuplja u zemljinoj kori. Jedna tona granita, koja sadrži 2 g urana i 10 g torija, proizvodi samo 0,09 mg helija u milijun godina – pola kubičnog centimetra. Vrlo malo minerala bogatih uranom i torijem sadrži prilično veliku količinu helija - nekoliko kubičnih centimetara helija po gramu. Međutim, udio ovih minerala u prirodnoj proizvodnji helija je blizu nule, jer su vrlo rijetki.

Na Zemlji ima malo helija: 1 m 3 zraka sadrži samo 5,24 cm 3 helija, a svaki kilogram zemaljskog materijala sadrži 0,003 mg helija. Ali u smislu rasprostranjenosti u Svemiru, helij je na drugom mjestu nakon vodika: helij čini oko 23% kozmičke mase. Otprilike polovica cijelog helija koncentrirana je u zemljinoj kori, uglavnom u njezinoj granitnoj ljusci, koja je nakupila glavne rezerve radioaktivnih elemenata. Sadržaj helija u zemljinoj kori je mali - 3 x 10 -7% težinski. Helij se nakuplja u nakupinama slobodnih plinova u crijevima i u uljima; takva ležišta dosežu industrijske razmjere. Maksimalne koncentracije helija (10-13%) pronađene su u nakupinama slobodnih plinova i plinovima rudnika urana te (20-25%) u plinovima koji se spontano oslobađaju iz podzemnih voda. Što je starija starost sedimentnih stijena koje sadrže plin i što je u njima veći sadržaj radioaktivnih elemenata, to je više helija u sastavu prirodnih plinova.

Iskopavanje helija

Proizvodnja helija u industrijskim razmjerima odvija se iz prirodnih i naftnih plinova i ugljikovodika i dušika. Prema kvaliteti sirovina nalazišta helija se dijele na: bogata (udio He > 0,5 volumnih %); obični (0,10-0,50) i siromašni< 0,10). Значительные его концентрации известны в некоторых месторождениях природного газа Канады, США (шт. Канзас, Техас, Нью-Мексико, Юта).

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

Rusija je na trećem mjestu u svijetu - 6 milijuna kubnih metara godišnje. Tvornica helija u Orenburgu trenutno je jedini domaći izvor proizvodnje helija, a proizvodnja plina opada. U tom smislu od posebne su važnosti plinska polja istočnog Sibira i Dalekog istoka s visokim koncentracijama helija (do 0,6%). Jedna od najperspektivnijih je ha Kovykta zokondenzatno polje koje se nalazi na sjeveru Irkutske regije. Prema riječima stručnjaka, sadrži oko 25% svjetskog x rezerve helija.

Naziv indikatora	Helij (razred A) (prema TU 51-940-80)	Helij (razred B) (prema TU 51-940-80)	Helij visoke čistoće, stupanj 5,5 (prema TU 0271-001-45905715-02)	Helij visoke čistoće, marke 6.0 (prema TU 0271-001-45905715-02)
Helij, ne manje
Dušik, ne više
Kisik + argon
Neon, nema više
Vodena para, ne više
Ugljikovodici, ne više
CO2 + CO, ne više
Vodik, ne više

Sigurnost

– Helij je netoksičan, nezapaljiv, neeksplozivan
- Helij je dopušteno koristiti na svim mjestima s puno ljudi: na koncertima, promocijama, stadionima, trgovinama.
– Plinoviti helij je fiziološki inertan i ne predstavlja opasnost za ljude.
– Helij nije opasan ni za okoliš, stoga nije potrebna neutralizacija, iskorištavanje i eliminacija njegovih ostataka u bocama.
– Helij je puno lakši od zraka i raspršuje se u gornjim slojevima Zemljine atmosfere.

Helij (razreda A i B prema TU 51-940-80)
Tehnički naziv	Helij plinovit
Kemijska formula
UN broj
Klasa opasnosti u transportu
Fizička svojstva
Fizičko stanje	U normalnim uvjetima - plin
Gustoća, kg/m³	U normalnim uvjetima (101,3 kPa, 20 C), 1627
Vrelište, C na 101,3 kPa
Temperatura 3. točke i njezin ravnotežni tlak C, (MPa)
Topljivost u vodi	maloljetni
Opasnost od požara i eksplozije	otporan na vatru i eksploziju
Stabilnost i reaktivnost
Stabilnost	stabilan
Reaktivnost	inertni plin
Ljudska opasnost
Toksičan učinak	Nije otrovan
opasnost po okoliš	Nema štetan utjecaj na okoliš
Sadržaji	Bilo koja sredstva su primjenjiva.

Skladištenje i transport helija

Plinoviti helij može se transportirati svim vrstama prijevoza u skladu s pravilima za prijevoz robe na određenom načinu prijevoza. Prijevoz se obavlja u posebnim smeđim čeličnim cilindrima i spremnicima za helij. Tekući helij se prevozi u transportnim posudama kao što su STG-40, STG-10 i STG-25 zapremine 40, 10 i 25 litara.

Pravila za prijevoz boca s tehničkim plinovima

Prijevoz opasnih tvari u Ruskoj Federaciji reguliran je sljedećim dokumentima:

1. "Pravila za cestovni prijevoz opasnih tvari" (izmijenjena i dopunjena Naredbama Ministarstva prometa Ruske Federacije od 11.06.1999. br. 37 od 14.10.1999. br. 77; registrirano u Ministarstvu pravosuđa Ruske Federacije 18. prosinca 1995., registracijski broj 997).

2. "Europski sporazum o međunarodnom cestovnom prijevozu opasnog tereta" (ADR), kojemu je Rusija službeno pristupila 28. travnja 1994. (Uredba Vlade Ruske Federacije od 03.02.1994. br. 76).

3. "Pravila na cestama" (SDA 2006.), odnosno članak 23.5, kojim se utvrđuje da se "prijevoz ... opasnih tvari ... obavlja u skladu s posebnim pravilima."

4. "Zakonik Ruske Federacije o upravnim prekršajima", čiji članak 12.21 dio 2 predviđa odgovornost za kršenje pravila za prijevoz opasnih tvari u obliku "administrativne kazne za vozače u iznosu od jednog do trostruku minimalnu plaću ili oduzimanje prava upravljanja vozilima u trajanju od jednog do tri mjeseca; za službenike zadužene za promet - od deset do dvadeset minimalne plaće.

Sukladno stavku 3. stavka 1.2. „Pravila se ne primjenjuju na ... prijevoz ograničene količine opasnih tvari na jednom vozilu čiji se prijevoz može smatrati prijevozom neopasne robe“. Također pojašnjava da je "Ograničena količina opasne robe definirana u zahtjevima za siguran prijevoz određene vrste opasne robe. Pri njenom utvrđivanju moguće je koristiti zahtjeve Europskog sporazuma o međunarodnom prijevozu opasnih tvari (ADR)". Dakle, pitanje maksimalne količine tvari koje se mogu transportirati kao neopasna roba svodi se na proučavanje odjeljka 1.1.3 ADR-a, koji utvrđuje izuzeća od europskih pravila za prijevoz opasnih tvari povezana s različitim okolnostima.

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

Međutim, skupina izuzeća formalno priznata pravilima za prijevoz opasne robe su izuzeća povezana s količinama koje se prevoze u jednoj transportnoj jedinici (točka 1.1.3.6).

Svi plinovi su svrstani u drugu klasu tvari prema ADR klasifikaciji. Nezapaljivi, neotrovni plinovi (skupine A - neutralni i O - oksidirajući) pripadaju trećoj transportnoj kategoriji, s maksimalnom ograničenjem količine od 1000 jedinica. Zapaljivo (skupina F) - do drugog, s maksimalnim ograničenjem od 333 jedinice. Pod "jedinicom" ovdje se podrazumijeva 1 litra kapaciteta posude koja sadrži komprimirani plin, odnosno 1 kg ukapljenog ili otopljenog plina. Dakle, najveća količina plinova koja se može transportirati u jednoj transportnoj jedinici kao neopasan teret je sljedeća:

Helij je uistinu plemenit plin. Još ga nije bilo moguće natjerati da uđe u bilo kakve reakcije. Molekula helija je jednoatomska.

Po lakoći je ovaj plin drugi nakon vodika, zrak je 7,25 puta teži od helija.

Helij je gotovo netopiv u vodi i drugim tekućinama. I na isti način, niti jedna tvar se primjetno ne otapa u tekućem heliju.

Čvrsti helij se ne može dobiti na bilo kojoj temperaturi osim ako se ne poveća tlak.

U povijesti otkrića, istraživanja i primjene ovog elementa nalaze se imena mnogih istaknutih fizičara i kemičara iz različitih zemalja. Zainteresirali su se za helij, radili s helijem: Jansen (Francuska), Lockyer, Ramsay, Crookes, Rutherford (Engleska), Palmieri (Italija), Keesom, Kamerling-Onnes (Holandija), Feynman, Onsager (SAD), Kapitsa, Kikoin , Landau (Sovjetski Savez) i mnogi drugi istaknuti znanstvenici.

Jedinstvenost izgleda atoma helija određena je kombinacijom dviju nevjerojatnih prirodnih struktura u njemu - apsolutnih prvaka u smislu kompaktnosti i snage. U jezgri helija, heliju-4, obje intranuklearne ljuske su zasićene - i proton i neutron. Elektronički dublet koji uokviruje ovu jezgru također je zasićen. U tim dizajnima - ključ za razumijevanje svojstava helija. Otuda njegova fenomenalna kemijska inertnost i rekordno mala veličina atoma.

Uloga jezgre atoma helija - alfa čestica u povijesti nastanka i razvoja nuklearne fizike je ogromna. Ako se sjećate, upravo je proučavanje raspršenja alfa čestica dovelo Rutherforda do otkrića atomske jezgre. Kada je dušik bombardiran alfa česticama, prvi put je izvršena međupretvorba elemenata – nešto o čemu su mnoge generacije alkemičara sanjale stoljećima. Istina, u ovoj reakciji nije se živa pretvorila u zlato, nego dušik u kisik, ali to je gotovo jednako teško učiniti. Iste alfa čestice bile su uključene u otkriće neutrona i proizvodnju prvog umjetnog izotopa. Kasnije su pomoću alfa čestica sintetizirani kurij, berkelij, kalifornij i mendelevij.

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

Na velikom balonu... Helij se koristi za pripremu smjesa za disanje, pa tako i za atmosferu letjelica s ljudskom posadom, za dubokomorsko ronjenje, kao i za liječenje astme, za punjenje zračnih brodova i balona. Nije otrovan, pa je udisanje malih količina helija zajedno sa zrakom potpuno bezopasno.

Kolos s Rodosa, divovski kip drevnog boga sunca Heliosa. Element helij otkriven je spektralnom metodom na Suncu i tek kasnije otkriven na Zemlji.

zemaljski helij

Helij je neobičan element, a njegova povijest je neobična. Otkriven je u atmosferi Sunca 13 godina ranije nego na Zemlji. Točnije, u spektru sunčeve korone otkrivena je svijetložuta D linija, a što se iza nje krilo postalo je pouzdano poznato tek nakon što je helij ekstrahiran iz zemaljskih minerala koji sadrže radioaktivne elemente.

Helij na Suncu otkrili su Francuz J. Jansen koji je svoja opažanja izveo u Indiji 19. kolovoza 1868. i Englez J.H. Lockyer - 20. listopada iste godine. Pisma oba znanstvenika stigla su u Pariz istoga dana i pročitana su na sastanku Pariške akademije znanosti 26. listopada u intervalu od nekoliko minuta. Akademici, pogođeni tako čudnom slučajnošću, odlučili su nokautirati zlatnu medalju u čast ovog događaja.

Godine 1881. talijanski znanstvenik Palmieri izvijestio je o otkriću helija u vulkanskim plinovima. Međutim, njegovu poruku, kasnije potvrđenu, malo je znanstvenika shvatilo ozbiljno. Sekundarni zemaljski helij otkrio je Ramsay 1895. godine.

U zemljinoj kori nalazi se 29 izotopa, tijekom čijeg radioaktivnog raspada nastaju alfa čestice – visoko aktivne jezgre atoma helija s visokom energijom.

U osnovi, zemaljski helij nastaje tijekom radioaktivnog raspada urana-238, urana-235, torija i nestabilnih produkata njihovog raspada. Neusporedivo manje količine helija nastaju polaganim raspadom samarija-147 i bizmuta. Svi ovi elementi generiraju samo teški izotop helija - 4He, čiji se atomi mogu smatrati ostacima alfa čestica zakopanih u ljusci od dva sparena elektrona - u elektronskom dubletu. U ranim geološkim razdobljima vjerojatno su postojali i drugi prirodno radioaktivni nizovi elemenata koji su već nestali s lica Zemlje, zasićujući planet helijem. Jedna od njih bila je sada umjetno rekreirana neptunska serija.

Po količini helija zarobljenog u stijeni ili mineralu može se suditi o njihovoj apsolutnoj starosti. Ta se mjerenja temelje na zakonima radioaktivnog raspada: na primjer, polovica urana-238 pretvara se u helij i olovo za 4,52 milijarde godina.

Helij se u zemljinoj kori polako nakuplja. Jedna tona granita koji sadrži 2 g urana i 10 g torija proizvodi samo 0,09 mg helija u milijun godina – pola kubičnog centimetra. U vrlo malo minerala bogatih uranom i torijem, sadržaj helija je prilično visok – nekoliko kubičnih centimetara helija po gramu. Međutim, udio ovih minerala u prirodnoj proizvodnji helija je blizu nule, jer su vrlo rijetki.

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

Mjehurići helija oslobođeni iz kristalnih struktura krenuli su na putovanje kroz zemljinu koru. Vrlo mali dio njih se otapa u podzemnim vodama. Za stvaranje više ili manje koncentriranih otopina helija potrebni su posebni uvjeti, prvenstveno visoki tlakovi. Drugi dio nomadskog helija ulazi u atmosferu kroz pore i pukotine minerala. Preostale molekule plina padaju u podzemne zamke, gdje se nakupljaju desetcima, stotinama milijuna godina. Zamke su slojevi labavih stijena, čije su praznine ispunjene plinom. Podloga za takve plinske rezervoare obično je voda i nafta, a odozgo su blokirani plinonepropusnim slojevima gustih stijena.

Budući da u zemljinoj kori lutaju i drugi plinovi (uglavnom metan, dušik, ugljični dioksid), a osim toga, u mnogo većim količinama, nema nakupina čisto helija. Helij je prisutan u prirodnim plinovima kao manja nečistoća. Njegov sadržaj ne prelazi tisućinke, stotinke, rijetko - desetine postotka. Veliki (1,5...10%) sadržaj helija u metan-dušičnim naslagama izuzetno je rijedak fenomen.

Simbol elementa napravljen od cijevi s plinskim pražnjenjem ispunjenih helijem. Helij svijetli svjetlom bojom breskve kada se kroz njega provuče električna struja.

Ispostavilo se da su prirodni plinovi praktički jedini izvor sirovina za industrijsku proizvodnju helija. Za odvajanje od drugih plinova koristi se iznimna hlapljivost helija povezana s njegovom niskom temperaturom ukapljivanja. Nakon što se sve ostale komponente prirodnog plina kondenziraju dubokim hlađenjem, ispumpava se plin helija. Zatim se čisti od nečistoća. Čistoća tvorničkog helija doseže 99,995%.

Zalihe helija na Zemlji procjenjuju se na 5 1014 m3; sudeći prema proračunima, formiran je u zemljinoj kori više od 2 milijarde godina deset puta više. Ovaj nesklad između teorije i prakse je razumljiv. Helij je lagan plin i, poput vodika (iako sporije), ne bježi iz atmosfere u svemir. Vjerojatno je tijekom postojanja Zemlje helij našeg planeta više puta ažuriran - stari je pobjegao u svemir, a umjesto njega, svježi - koji je Zemlja "izdahnula" ušao je u atmosferu.

U litosferi je najmanje 200 000 puta više helija nego u atmosferi; još više potencijalnog helija pohranjeno je u "matrici" Zemlje – u alfa aktivnim elementima. Ali ukupni sadržaj ovog elementa u Zemlji i atmosferi je mali. Helij je rijedak i difuzan plin. Za 1 kg zemaljskog materijala ima samo 0,003 mg helija, a njegov sadržaj u zraku iznosi 0,00052 volumnih posto. Tako niska koncentracija još ne dopušta ekonomično izvlačenje helija iz zraka.

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

Helij u svemiru

Utroba i atmosfera našeg planeta siromašni su helijem. Ali to ne znači da to nije dovoljno svugdje u Svemiru. Prema suvremenim procjenama, 76% kozmičke mase je vodik i 23% helij; na svim ostalim elementima ostaje samo 1%! Stoga se svjetska materija može nazvati vodik-helij. Ova dva elementa prevladavaju u zvijezdama, planetarnim maglicama i međuzvjezdanom plinu.

Riža. 1. Krivulje obilja elemenata na Zemlji (gore) i u svemiru.

"Kozmička" krivulja odražava iznimnu ulogu vodika i helija u svemiru i poseban značaj helijeve skupine u strukturi atomske jezgre. Najveću relativnu zastupljenost imaju oni elementi i njihovi izotopi čiji je maseni broj djeljiv s četiri: 16O, 20Ne, 24Mg itd.

Vjerojatno svi planeti Sunčevog sustava sadrže radiogeni (nastao tijekom alfa raspada) helij, a veliki planeti također sadrže reliktni helij iz svemira. Helij je obilno zastupljen u atmosferi Jupitera: prema nekim podacima, tamo ga je 33%, prema drugima - 17%. Ovo otkriće činilo je osnovu zapleta jedne od priča poznatog znanstvenika i pisca znanstvene fantastike A. Azimova. U središtu priče je plan (možda izvediv u budućnosti) za isporuku helija s Jupitera, ili čak bacanje na najbliži satelit ovog planeta - Jupiter V - armadu kibernetičkih strojeva na kriotronima (o njima - ispod) . Uronjeni u tekući helij Jupiterove atmosfere (ultraniske temperature i supravodljivost neophodni su uvjeti za rad kriotrona), ovi će strojevi Jupiter V pretvoriti u moždano središte Sunčevog sustava...

Podrijetlo zvjezdanog helija objasnili su 1938. njemački fizičari Bethe i Weizsacker. Kasnije je njihova teorija dobila eksperimentalnu potvrdu i doradu uz pomoć akceleratora čestica. Njegova je bit sljedeća.

Jezgre helija sintetiziraju se na zvjezdanim temperaturama iz protona u procesu fuzije koji oslobađa 175 milijuna kilovat-sati energije za svaki kilogram helija.

Različiti ciklusi reakcija mogu dovesti do fuzije helija.

U uvjetima ne baš vrućih zvijezda, kao što je naše Sunce, čini se da prevladava proton-protonski ciklus. Sastoji se od tri uzastopne transformacije. Prvo, dva se protona spajaju velikom brzinom i tvore deuteron – strukturu protona i neutrona; u ovom slučaju su pozitron i neutrino odvojeni. Nadalje, deuteron se kombinira s protonom da nastane lagani helij uz emisiju gama kvanta. Konačno, dvije jezgre 3He reagiraju, pretvarajući se u alfa česticu i dva protona. Alfa čestica, nakon što je stekla dva elektrona, tada će postati atom helija.

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

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

Helij nije uvijek krajnji proizvod zvjezdane fuzije. Prema teoriji profesora D.A. Frank-Kamenetsky, uzastopnom fuzijom jezgri helija nastaju 3Be, 12C, 16O, 20Ne, 24Mg, a hvatanje protona tim jezgrama dovodi do stvaranja drugih jezgri. Za sintezu jezgri teških elemenata do transuranija potrebne su iznimne supervisoke temperature koje se razvijaju na nestabilnim "novim" i "supernovim" zvijezdama.

Poznati sovjetski kemičar A.F. Kapustinski je vodik i helij nazvao protoelementima - elementima primarne tvari. Nije li to prvenstvo ono što objašnjava poseban položaj vodika i helija u periodičnom sustavu elemenata, posebice činjenicu da je prvo razdoblje u biti lišeno periodičnosti karakteristične za druga razdoblja?

Atomska struktura helija

Najbolji...

Atom helija (aka molekula) je najjača od molekularnih struktura. Orbite njegovih dvaju elektrona potpuno su iste i prolaze iznimno blizu jezgre. Da biste otkrili jezgru helija, morate potrošiti rekordno visoku energiju - 78,61 MeV. Otuda i fenomenalna kemijska pasivnost helija.

Tijekom proteklih 15 godina kemičari su uspjeli dobiti više od 150 kemijskih spojeva teških plemenitih plinova (spojevi teških plemenitih plinova bit će obrađeni u člancima "Kripton" i "Ksenon"). Međutim, inertnost helija ostaje, kao i prije, izvan sumnje.

Proračuni pokazuju da kada bi se pronašao način da se dobije, recimo, fluorid ili helijev oksid, tada bi tijekom formiranja apsorbirali toliko energije da bi nastale molekule "eksplodirale" tom energijom iznutra.

Molekule helija su nepolarne. Sile međumolekularne interakcije između njih iznimno su male - manje nego u bilo kojoj drugoj tvari. Otuda - najniže vrijednosti kritičnih veličina, najniža točka vrelišta, najniže topline isparavanja i taljenja. Što se tiče tališta helija, pri normalnom tlaku ono uopće ne postoji. Tekući helij na temperaturi proizvoljno bliskoj apsolutnoj nuli ne skrutne se ako je, osim temperature, podvrgnut tlaku od 25 ili više atmosfera. U prirodi nema druge takve tvari.

Također nema drugog plina koji je tako zanemarivo topiv u tekućinama, osobito polarnim, i tako malo sklon adsorpciji, kao helij. Najbolji je vodič električne energije među plinovima i drugi, nakon vodika, vodič topline. Njegov toplinski kapacitet je vrlo visok, a viskoznost niska.

Helij nevjerojatno brzo prodire kroz tanke pregrade napravljene od nekih organskih polimera, porculana, kvarca i borosilikatnog stakla. Zanimljivo je da helij difundira kroz meko staklo 100 puta sporije nego kroz borosilikatno staklo. Helij također može prodrijeti u mnoge metale. Samo željezo i metali platinske skupine, čak i vrući, potpuno su neprobojni za njega.

Nova metoda za izdvajanje čistog helija iz prirodnog plina temelji se na principu selektivne propusnosti.

Znanstvenici pokazuju izniman interes za tekući helij. Prvo, to je najhladnija tekućina u kojoj se, osim toga, niti jedna tvar ne otapa primjetno. Drugo, najlakša je tekućina s minimalnom površinskom napetošću.

Na temperaturi od 2,172°K dolazi do nagle promjene u svojstvima tekućeg helija. Rezultirajuća vrsta je konvencionalno nazvana helij II. Helij II vrije sasvim drugačije od ostalih tekućina, ne vrije pri ključanju, njegova površina ostaje potpuno mirna. Helij II provodi toplinu 300 milijuna puta bolje od običnog tekućeg helija (helij I). Viskoznost helija II je praktički nula, tisuću je puta manja od viskoznosti tekućeg vodika. Stoga helij II ima superfluidnost – sposobnost strujanja bez trenja kroz kapilare proizvoljno malog promjera.

Drugi stabilni izotop helija, 3He, prelazi u superfluidno stanje na temperaturi koja je samo stoti dio stupnja udaljena od apsolutnog metka. Superfluidni helij-4 i helij-3 nazivaju se kvantnim tekućinama: u njima se kvantnomehanički učinci pojavljuju i prije nego što se skruću. To objašnjava vrlo detaljno proučavanje tekućeg helija. A sada ga proizvode puno - stotine tisuća litara godišnje. Ali čvrsti helij jedva da je proučavan: eksperimentalne poteškoće u proučavanju ovog vrlo hladnog tijela su velike. Nedvojbeno će se ta praznina popuniti, budući da fizičari očekuju puno novih stvari od poznavanja svojstava čvrstog helija: na kraju krajeva, i on je kvantno tijelo.

Helijevi cilindri

Inertan, ali vrlo potreban

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

Doista, prošle su 34 godine od otkrića zemaljskog helija (prvo izvješće o tome objavljeno je 1881.) prije nego što je pronašao praktičnu primjenu. Određenu ulogu ovdje su igrala izvorna fizička, tehnička, električna i, u manjoj mjeri, kemijska svojstva helija, koja su zahtijevala dugo proučavanje. Glavne prepreke bile su odsutnost i visoka cijena elementa br. 2.

Nijemci su prvi upotrijebili helij. Godine 1915. počeli su puniti svoje zračne brodove bombardirajući London njime. Ubrzo je lagani, ali nezapaljivi helij postao nezamjenjivo punilo za zrakoplovna vozila. Pad industrije zračnih brodova, koji je započeo sredinom 1930-ih, doveo je do blagog pada proizvodnje helija, ali samo za kratko vrijeme. Taj je plin sve više privlačio pozornost kemičara, metalurga i graditelja strojeva.

Mnogi tehnološki procesi i operacije ne mogu se provoditi u zraku. Kako bi se izbjegla interakcija rezultirajuće tvari (ili sirovine) sa zračnim plinovima, stvaraju se posebna zaštitna okruženja; a za te svrhe nema prikladnijeg plina od helija.

Helijevi cilindri

Inertan, lagan, pokretljiv, dobar provodnik topline, helij je idealno sredstvo za prijenos zapaljivih tekućina i praha iz jednog spremnika u drugi; upravo te funkcije obavlja u raketama i vođenim projektilima. U okolišu zaštitnom od helija odvijaju se odvojene faze dobivanja nuklearnog goriva. Gorivi elementi nuklearnih reaktora pohranjuju se i transportiraju u posude napunjene helijem.

Uz pomoć posebnih detektora curenja, čije se djelovanje temelji na iznimnoj difuzijskoj sposobnosti helija, otkrivaju i najmanju mogućnost istjecanja u nuklearnim reaktorima i drugim sustavima pod tlakom ili vakuumom.

Posljednje godine obilježen je ponovnim usponom izgradnje zračnih brodova, sada na višoj znanstvenoj i tehničkoj osnovi. U nizu zemalja izgrađeni su i grade se zračni brodovi punjeni helijem nosivosti od 100 do 3000 tona, ekonomični su, pouzdani i prikladni za transport glomaznih tereta, kao što su plinovodi, rafinerije nafte, tornjevi za prijenos električne energije , itd. Punjenje s 85% helija i 15% vodika je vatrostalno i samo smanjuje podizanje za 7% u usporedbi s punjenjem vodikom.

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

Tekući helij se široko koristi u znanstvenim istraživanjima i inženjerstvu. Ultraniske temperature pogoduju dubinskom poznavanju materije i njezine strukture - na višim temperaturama, fini detalji energetskih spektra su maskirani toplinskim kretanjem atoma.

Već postoje supravodljivi solenoidi izrađeni od posebnih legura koji stvaraju jaka magnetska polja (do 300 000 oersteda) na temperaturi tekućeg helija uz zanemariv utrošak energije.

Na temperaturi tekućeg helija mnogi metali i legure postaju supravodnici. Supervodljivi releji – kriotroni se sve više koriste u dizajnu elektroničkih računala. Jednostavni su, pouzdani, vrlo kompaktni. Supervodiči, a s njima i tekući helij, postaju neophodni za elektroniku. Uključeni su u projektiranje detektora infracrvenog zračenja, molekularnih pojačala (mazera), optičkih kvantnih generatora (lasera) i uređaja za mjerenje mikrovalnih frekvencija.

Naravno, ovi primjeri ne iscrpljuju ulogu helija u modernoj tehnologiji. Ali da nije bilo ograničenih prirodnih resursa, ne ekstremne disperzije helija, našao bi mnogo više primjena. Poznato je, na primjer, da prehrambeni proizvodi, kada se čuvaju u okruženju helija, zadržavaju svoj izvorni okus i miris. Ali “helij” konzervirana hrana je još uvijek “stvar za sebe”, jer helij nije dovoljan i koristi se samo u najvažnijim industrijama i gdje je neophodan. Stoga je posebno uvredljivo shvatiti da s zapaljivim prirodnim plinom mnogo veće količine helija prolaze kroz aparate za kemijsku sintezu, peći i peći i odlaze u atmosferu od onih izvađenih iz izvora koji sadrže helij.

Sada se smatra korisnim odvajati helij samo u slučajevima kada njegov sadržaj u prirodnom plinu nije manji od 0,05%. Zalihe takvog plina stalno se smanjuju, a moguće je da će se iscrpiti prije kraja našeg stoljeća. No, problem “nedostatka helija” vjerojatno će do tada biti riješen – dijelom zbog stvaranja novih, naprednijih metoda za odvajanje plinova, izdvajanja najvrednijih, iako beznačajnih frakcija iz njih, a dijelom zbog kontrolirane termonuklearne fuzije. . Helij će biti važan, iako nusproizvod, proizvod "umjetnog sunca".

Helijeva cijev

Izotopi helija

U prirodi postoje dva stabilna izotopa helija: helij-3 i helij-4. Laki izotop je milijun puta rjeđi na Zemlji od teškog izotopa. To je najrjeđi od stabilnih izotopa koji postoje na našem planetu. Umjetno su dobivena još tri izotopa helija. Svi su radioaktivni. Poluživot helija-5 je 2,4 10-21 sekundu, helija-6 je 0,83 sekunde, helija-8 je 0,18 sekundi. Najteži izotop, zanimljiv po tome što u svojim jezgrama ima tri neutrona po protonu, prvi je put otkriven u Dubni 60-ih godina. Pokušaji dobivanja helija-10 do sada su bili neuspješni.

Zadnji čvrsti plin

Helij je bio posljednji od svih plinova koji je pretvoren u tekuće i čvrsto stanje. Posebne poteškoće ukapljivanja i skrućivanja helija objašnjavaju se strukturom njegovog atoma i nekim značajkama njegovih fizikalnih svojstava. Konkretno, helij, poput vodika, na temperaturama iznad -250°C, šireći se, ne hladi, već se zagrijava. S druge strane, kritična temperatura helija je iznimno niska. Zato je tekući helij prvi put dobiven tek 1908. godine, a čvrsti - 1926. godine.

helij zrak

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

Helijev zrak je tri puta lakši i puno pokretniji od običnog zraka. Ponaša se aktivnije u plućima – brzo dovodi kisik i brzo evakuira ugljični dioksid. Zato se helijev zrak daje bolesnicima s respiratornim smetnjama i nekim operacijama. Ublažava gušenje, liječi bronhijalnu astmu i bolesti grkljana.

Udisanje helijevog zraka praktički eliminira dušičnu emboliju (kesonsku bolest), kojoj su podložni ronioci i stručnjaci drugih struka, čiji se rad odvija u uvjetima visokog tlaka, tijekom prijelaza s visokog tlaka na normalan. Uzrok ove bolesti je prilično značajan, osobito kod visokog krvnog tlaka, topljivosti dušika u krvi. Smanjenjem tlaka oslobađa se u obliku mjehurića plina koji mogu začepiti krvne žile, oštetiti živčane čvorove... Za razliku od dušika, helij je praktički netopiv u tjelesnim tekućinama, pa ne može izazvati dekompresijsku bolest. Osim toga, helijev zrak eliminira pojavu "anestezije dušikom", izvana slične alkoholnoj opijenosti.

Prije ili kasnije, čovječanstvo će morati naučiti kako živjeti i raditi dugo na morskom dnu kako bi ozbiljno iskoristilo mineralne i prehrambene resurse šelfa. A na velikim dubinama, kako su pokazali eksperimenti sovjetskih, francuskih i američkih istraživača, helijev zrak je još uvijek neophodan. Biolozi su dokazali da produljeno disanje s helijevim zrakom ne uzrokuje negativne promjene u ljudskom tijelu i ne prijeti promjenama u genetskom aparatu: atmosfera helija ne utječe na razvoj stanica i učestalost mutacija. Postoje radovi čiji autori helijev zrak smatraju optimalnim zračnim medijem za letjelice koje obavljaju dugotrajne letove u Svemir. Ali do sada se umjetni helijev zrak još nije izdigao izvan zemljine atmosfere.

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

Svijet oko nas sastoji se od ~ 100 različitih kemijskih elemenata. Kako su nastali u prirodnim uvjetima? Nagovještaj za odgovor na ovo pitanje daje relativno obilje kemijskih elemenata. Među najznačajnijim značajkama obilja kemijskih elemenata u Sunčevom sustavu mogu se izdvojiti sljedeće.

1. Materija u Svemiru se uglavnom sastoji od vodika H - ~ 90% svih atoma.
2. U pogledu obilja, helij He je na drugom mjestu, čineći ~ 10% broja atoma vodika.
3. Postoji duboki minimum koji odgovara kemijskim elementima litij Li, berilij Be i bor B.
4. Neposredno nakon dubokog minimuma Li, Be, B, slijedi maksimum zbog povećane količine ugljika C i kisika O.
5. Nakon maksimuma kisika dolazi do naglog pada količine elemenata sve do skandija (A = 45).
6. Dolazi do naglog povećanja obilja elemenata u području željeza A = 56 (željezna skupina).
7. Nakon A = 60, smanjenje obilja elemenata odvija se glatkije.
8. Uočljiva je razlika između kemijskih elemenata s parnim i neparnim brojem protona Z. U pravilu, kemijski elementi s čak Z su češći.

Nuklearne reakcije u svemiru

t = 0		Veliki prasak. Rođenje Svemira
t = 10 -43 s		Doba kvantne gravitacije. žice ρ = 10 90 g/cm 3 , T = 10 32 K
t = 10 - 35 s		Kvark-gluonski medij ρ = 10 75 g/cm 3 , T = 10 28 K
t = 1 µs		Kvarkovi se spajaju i tvore neutrone i protone ρ = 10 17 g/cm 3 , T = 6 10 12 K
t = 100 s		Formiranje predzvjezdane 4 He ρ = 50 g/cm 3 , T = 10 9 K
t = 380 tisuća godina		Stvaranje neutralnih atoma ρ = 0,5 10 -20 g/cm 3 , T = 3 10 3 K
t = 10 8 godina	Prve zvijezde	Gori vodik u zvijezdama ρ = 10 2 g / cm 3, T \u003d 2 10 6 K Gorući helij u zvijezdama ρ = 10 3 g/cm 3 , T = 2 10 8 K Gori ugljik u zvijezdama ρ = 10 5 g / cm 3, T \u003d 8 10 8 K Gori kisik u zvijezdama ρ = 10 5 ÷10 6 g/cm 3 , T = 2 10 9 K Gori silicij u zvijezdama ρ = 10 6 g/cm 3 , T = (3÷5) 10 9 K
t = 13,7 milijardi godina		Moderni svemir ρ \u003d 10 -30 g / cm 3, T \u003d 2,73 K

Predzvjezdana nukleosinteza. Obrazovanje 4 On

Kozmološka sinteza helija glavni je mehanizam njegovog stvaranja u Svemiru. Sinteza helija iz vodika u zvijezdama povećava maseni udio 4 He u barionskoj tvari za oko 10%. Mehanizam predzvjezdane formacije helija kvantitativno objašnjava rasprostranjenost helija u Svemiru i snažan je argument u prilog predgalaktičke faze njegova nastanka i cijelog koncepta Velikog praska.
Kozmološka nukleosinteza omogućuje objašnjenje rasprostranjenosti u svemiru lakih jezgri kao što su deuterij (2 H), izotopi 3 He i 7 Li. Međutim, njihov je broj zanemariv u usporedbi s jezgrama vodika i 4 He. S obzirom na vodik, deuterij nastaje u količini od 10 -4 -10 -5 , 3 He - u količini ≈ 10 -5 , i 7 Li - u količini od ≈ 10 -10 .
Kako bi objasnio nastanak kemijskih elemenata 1948. G. Gamow je iznio teoriju Velikog praska. Prema Gamowovom modelu, sinteza svih kemijskih elemenata dogodila se tijekom Velikog praska kao rezultat neravnotežnog hvatanja neutrona atomskim jezgrama uz emisiju γ-kvanta i naknadni β - raspad nastalih jezgri. Međutim, proračuni su pokazali da je nemoguće objasniti nastanak kemijskih elemenata težih od Li u ovom modelu. Pokazalo se da je mehanizam stvaranja lakih jezgri (A< 7) связан с условиями, существовавшими во Вселенной в течение первых трех минут. Более тяжелые ядра образовались в результате ядерных реакций, происходящих при горении звезд.

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

U uvjetima termodinamičke ravnoteže, vjerojatnost formiranja sustava s energijom EN jednakom energiji mirovanja nukleona opisuje se Gibbsovom raspodjelom . Stoga će u uvjetima termodinamičke ravnoteže omjer između broja neutrona i protona biti određen razlikom u masama neutrona i protona

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

Glavne reakcije predzvjezdane nukleosinteze su:

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

Budući da stabilne jezgre s ALI = 5 ne postoji, nuklearne reakcije završavaju uglavnom stvaranjem 4 He. 7 Be, 6 Li i 7 Li čine samo ~ 10–9 – 10–12 formiranja izotopa 4 He. Gotovo svi neutroni nestaju, tvoreći jezgre 4He. Pri gustoći tvari ρ ~ 10–3 – 10–4 g/cm 3 vjerojatnost da neutron i proton ne interaguju tijekom primarne nukleosinteze manja je od 10–4. Budući da je u početku bilo 5 protona po neutronu, omjer između broja jezgri 4 He i p trebao bi biti ~1/10. Dakle, omjer obilja vodika i helija, promatran u ovom trenutku, formiran je tijekom prvih minuta postojanja Svemira. Širenje Svemira dovelo je do smanjenja njegove temperature i prekida primarne predzvjezdane nukleosinteze.

Stvaranje kemijskih elemenata u zvijezdama. Budući da je proces nukleosinteze u ranoj fazi evolucije Svemira završio stvaranjem vodika, helija i male količine Li, Be, B, bilo je potrebno pronaći mehanizme i uvjete pod kojima bi se mogli formirati teži elementi .
G. Bethe i K. Weizsäcker su pokazali da odgovarajući uvjeti postoje unutar zvijezda. Teže jezgre nastale su samo milijardama godina nakon Velikog praska u procesu zvjezdane evolucije. Stvaranje kemijskih elemenata u zvijezdama počinje izgaranjem vodika da nastane 4 He .

G. Bethe, 1968: “Od pamtivijeka ljudi su željeli znati što održava sunce sjajnim. Prvi pokušaj znanstvenog objašnjenja napravio je Helmholtz prije stotinjak godina. Temeljila se na korištenju tada najpoznatijih sila – sila univerzalne gravitacije. Ako jedan gram tvari padne na površinu Sunca, ona dobiva potencijalnu energiju

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

Poznato je da je trenutno snaga zračenja Sunca određena vrijednošću

ε = 1,96 erg/g s.

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

H + H → D + e + + v.

Budući da je proces primarne nukleosinteze završio uglavnom stvaranjem jezgri 4 He kao rezultat interakcijskih reakcija p + n, d + d, d + 3 He, d + 3 H i svi neutroni su potrošeni, bilo je potrebno pronaći uvjeti pod kojima su nastali teži elementi . Godine 1937. G. Bethe je stvorio teoriju koja objašnjava podrijetlo energije Sunca i zvijezda kao rezultat fuzijskih reakcija jezgri vodika i helija koje se događaju u središtu zvijezda. Budući da u središtu zvijezda nije bilo dovoljno neutrona za reakcije tipa p + n, u njima su se mogle nastaviti samo reakcije
p + p → d + e + + v. Te su se reakcije odvijale u zvijezdama kada je temperatura u središtu zvijezde dosegla 10 7 K, a gustoća 10 5 kg/m 3 . Činjenica da je reakcija p + p → d + e + + ν nastala kao rezultat slabe interakcije objasnila je značajke Hertzsprung-Russell dijagrama.

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

Nakon što sam napravio razumne pretpostavke o jačini reakcija, na temelju općih principa nuklearne fizike, otkrio sam 1938. da ciklus ugljik-dušik može osigurati potrebno oslobađanje energije na Suncu... Ugljik služi samo kao katalizator; rezultat reakcije je kombinacija četiri protona i dva elektrona koji tvore jezgru 4 On . U tom procesu emitiraju se dva neutrina koji sa sobom nose oko 2 MeV energije. Preostala energija od oko 25 MeV po ciklusu se oslobađa i održava temperaturu Sunca nepromijenjenom... To je bila osnova na kojoj su Fowler i drugi izračunali brzine reakcije u (C, N)-ciklusu..

Gori vodik. Moguća su dva različita slijeda reakcija izgaranja vodika - pretvorba četiri jezgre vodika u jezgru 4 He, koja može osigurati dovoljno oslobađanja energije za održavanje sjaja zvijezde:

• protonsko-protonski lanac (pp-lanac), u kojem se vodik izravno pretvara u helij;
• ciklus ugljik-dušik-kisik (CNO-ciklus), u kojem kao katalizatori sudjeluju jezgre C, N i O.

Koja od ove dvije reakcije ima značajniju ulogu ovisi o temperaturi zvijezde. U zvijezdama s masom usporedivom s Sunčevom ili manjom, dominira proton-protonski lanac. U masivnijim zvijezdama s višim temperaturama, glavni izvor energije je CNO ciklus. U tom slučaju, naravno, potrebno je da u sastavu zvjezdane tvari budu prisutne jezgre C, N i O. Temperatura unutarnjih slojeva Sunca je 1,5∙10 7 K, a protonsko-protonski lanac igra dominantnu ulogu u oslobađanju energije.

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

Gori vodik. Proton-protonski lanac. nuklearna reakcija

p + p → 2 H + e + + v e + Q,

počinje u središnjem dijelu zvijezde pri gustoćama od ≈100 g/cm3. Ova reakcija zaustavlja daljnju kontrakciju zvijezde. Toplina koja se oslobađa tijekom reakcije fuzije vodika stvara pritisak koji se suprotstavlja gravitacijskoj kontrakciji i sprječava kolaps zvijezde. Dolazi do kvalitativne promjene u mehanizmu oslobađanja energije u zvijezdi. Ako se prije početka nuklearne reakcije izgaranja vodika zagrijavanje zvijezde događalo uglavnom zbog gravitacijske kompresije, sada se pojavljuje još jedan dominantni mehanizam - energija se oslobađa uslijed reakcija nuklearne fuzije.

Zvijezda poprima stabilnu veličinu i sjaj, koji se za zvijezdu s masom bliskom Suncu, ne mijenja milijardama godina, pri čemu dolazi do "izgaranja" vodika. Ovo je najduža faza zvjezdane evolucije. Kao rezultat izgaranja vodika, od svake četiri jezgre vodika nastaje jedna jezgra helija. Najvjerojatniji lanac nuklearnih reakcija na Suncu koji do toga dovode tzv proton-protonski ciklus i izgleda ovako:

p + p → 2 H + e + + ν e + 0,42 MeV,
p + 2 H → 3 He + 5,49 MeV,
3 He + 3 He → 4 He + p + p + 12,86 MeV

ili u kompaktnijem obliku

4p → 4He + 2e + 2νe + 24,68 MeV.

Neutrini su jedini izvor informacija o događajima koji se događaju u unutrašnjosti Sunca. Spektar neutrina nastalih na Suncu kao rezultat izgaranja vodika u reakciji 4p → 4 He iu CNO ciklusu proteže se od energije od 0,1 MeV do energije od ~12 MeV. Promatranje solarnih neutrina omogućuje izravnu provjeru modela termonuklearnih reakcija na Suncu.
Energija oslobođena kao rezultat pp lanca je 26,7 MeV. Neutrine koje emitira Sunce registrirali su zemaljski detektori, što potvrđuje reakciju fuzije na Suncu.
Gori vodik. CNO ciklus. Značajka CNO ciklusa je da se, počevši od jezgre ugljika, svodi na uzastopno vezanje 4 protona s formiranjem 4He jezgre na kraju CNO ciklusa.

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

CNO ciklus

Reakcijski lanac I

12 C + p → 13 N + γ (Q = 1,94 MeV),
13 N → 13 C + e + + ν e (Q = 1,20 MeV, T 1/2 = 10 min),
13 C + p → 1 4 N + γ (Q = 7,55 MeV),
14 N + p → 15 O + γ (Q = 7,30 MeV),
15 O → 15 N + e + + ν e (Q = 1,73 MeV, T 1/2 = 124 s),
15 N + p → 12 C + 4 He (Q = 4,97 MeV).

Reakcijski lanac II

15 N + p → 16 O + γ (Q = 12,13 MeV),
16 O + p → 17 F + γ (Q = 0,60 MeV),
17 F → 17 O + e + + ν e (Q = 1,74 MeV, T 1/2 =66 s),
17 O + p → 14 N + ν (Q = 1,19 MeV).

Reakcijski lanac III

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

Glavno vrijeme evolucije zvijezde povezano je sa izgaranjem vodika. Pri gustoćama tipičnim za središnji dio zvijezde, izgaranje vodika događa se na temperaturi od (1–3)∙10 7 K. Na tim temperaturama potrebno je 10 6 – 10 10 godina za značajan dio vodika u središtu zvijezde koja se pretvara u helij. Daljnjim porastom temperature u središtu zvijezde mogu nastati teži kemijski elementi Z > 2. Zvijezde glavnog niza sagorevaju vodik u središnjem dijelu, gdje se zbog više temperature najintenzivnije odvijaju nuklearne reakcije. Kako vodik izgara u središtu zvijezde, reakcija izgaranja vodika počinje se kretati prema periferiji zvijezde. Temperatura u središtu zvijezde kontinuirano raste, a kada dosegne 10 6 K, počinju reakcije izgaranja 4 He. Za nastanak kemijskih elemenata najvažnija je reakcija 3α → 12 C + γ. Zahtijeva istovremeni sudar triju α-čestica i moguć je zbog činjenice da se energija reakcije 8 Be + 4 He podudara s rezonancom pobuđenog stanja 12 C. Prisutnost rezonancije naglo povećava vjerojatnost fuzije tri α-čestice.

Formiranje srednjih jezgri A< 60. Koje će se nuklearne reakcije odvijati u središtu zvijezde ovisi o masi zvijezde, koja mora osigurati visoku temperaturu zbog gravitacijske kompresije u središtu zvijezde. Budući da su jezgre s velikim Z sada uključene u fuzijske reakcije, središnji dio zvijezde se sve više sabija, temperatura u središtu zvijezde raste. Na temperaturama od nekoliko milijardi stupnjeva uništavaju se prethodno formirane stabilne jezgre, nastaju protoni, neutroni, α-čestice, visokoenergetski fotoni, što dovodi do stvaranja kemijskih elemenata cijelog periodnog sustava Mendeljejeva do željeza. Do stvaranja kemijskih elemenata težih od željeza dolazi kao rezultat uzastopnog hvatanja neutrona i naknadnog β - raspada.
Formiranje srednjih i teških jezgriA > 60. U procesu termonuklearne fuzije nastaju atomske jezgre u zvijezdama do željeza. Daljnja sinteza je nemoguća, budući da jezgre skupine željeza imaju najveću specifičnu energiju vezanja. Stvaranje težih jezgri u reakcijama s nabijenim česticama – protonima i drugim lakim jezgrama – otežava sve veća Coulombova barijera teških jezgri.

Tvorba elemenata 4 He → 32 Ge.

Evolucija masivne zvijezde M > M

Kao elementi sa rastućim vrijednostima uključeni su u proces izgaranja Z temperatura i tlak u središtu zvijezde rastu sve većom brzinom, što zauzvrat povećava brzinu nuklearnih reakcija. Ako za masivnu zvijezdu reakcija gorenja vodika traje nekoliko milijuna godina, tada se gorenje helija događa 10 puta brže. Proces izgaranja kisika traje oko 6 mjeseci, a izgaranje silicija se događa za jedan dan.
Brojnost elemenata smještenih u području iza željeza relativno slabo ovisi o masenom broju A. To ukazuje na promjenu mehanizma nastanka ovih elemenata. Mora se uzeti u obzir da je većina teških jezgri β - radioaktivan. U stvaranju teških elemenata odlučujuću ulogu imaju reakcije hvatanja neutrona jezgrama (n, γ):

(A, Z) + n → (A+1, Z) + γ.

Kao rezultat lanca izmjeničnih procesa hvatanja od strane jezgri jednog ili više neutrona, nakon čega slijedi β - raspad, maseni brojevi rastu ALI i naplatiti Z jezgre i od početnih elemenata skupine željeza nastaju sve teži elementi do kraja periodnog sustava.

U stadiju supernove središnji dio zvijezde sastoji se od željeza i neznatnog udjela neutrona i α-čestica, produkta disocijacije željeza pod djelovanjem γ - količine. Blizu
M/M = 1,5 dominira 28 Si. 20 Ne i 16 O čine većinu tvari u području od 1,6 do 6 M/M. Vanjski omotač zvijezde (M/M > 8) sastoji se od vodika i helija.
U ovoj fazi u nuklearnim procesima ne dolazi samo do oslobađanja energije, već i do njezine apsorpcije. Masivna zvijezda gubi stabilnost. Događa se eksplozija supernove u kojoj se značajan dio kemijskih elemenata nastalih u zvijezdi izbacuje u međuzvjezdani prostor. Ako su se zvijezde prve generacije sastojale od vodika i helija, onda su u zvijezdama sljedećih generacija već u početnoj fazi nukleosinteze prisutni teži kemijski elementi.

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

1. Izgaranjem vodika, kao rezultat ovog procesa, nastaju jezgre 4He.

Gori helij. Kao rezultat reakcije 4 He + 4 He + 4 He → 12 C + γ Nastaje 12 C jezgri.

2. α-proces. Kao rezultat uzastopnog hvatanja α-čestica, jezgre α-čestica 16 O, 20 Ne, 24 Mg, 28 Si, ...
3. e-proces. Kada se postigne temperatura od 5∙10 9 K, u zvijezdama se odvija veliki broj različitih reakcija u uvjetima termodinamičke ravnoteže, što rezultira stvaranjem atomskih jezgri do Fe i Ni. Jezgre sa ALI~ 60 su najjače vezane atomske jezgre. Stoga prekidaju lanac reakcija nuklearne fuzije, praćene oslobađanjem energije.
4. s-proces. Jezgre teže od Fe nastaju u reakcijama uzastopnog hvatanja neutrona. Vrlo često se ispostavi da je jezgra koja je uhvatila neutron β - -radioaktivna. Prije nego što jezgra uhvati sljedeći neutron, može se raspasti kao rezultat β - raspada. Svaki β - -raspad povećava serijski broj rezultirajućih atomskih jezgri za jedan. Ako je vremenski interval između uzastopnih hvatanja neutrona veći od razdoblja β - raspada, proces hvatanja neutrona naziva se s-proces (spor). Dakle, kao rezultat hvatanja neutrona i naknadnog β - raspada, jezgra postaje progresivno teža, ali u isto vrijeme ne odstupa previše od doline stabilnosti na N-Z dijagramu.
5. r-proces. Ako je uzastopna stopa hvatanja neutrona mnogo veća od brzine β - raspada atomske jezgre, tada uspijeva uhvatiti veliki broj neutrona odjednom. Kao rezultat r-procesa nastaje jezgra bogata neutronima, koja je daleko od doline stabilnosti. Tek tada se, kao rezultat uzastopnog lanca β - raspada, pretvara u stabilnu jezgru. Obično se vjeruje da r-procesi nastaju kao posljedica eksplozija supernove.
6. R-proces. Neke stabilne jezgre s nedostatkom neutrona (tzv. premoštene jezgre) nastaju u reakcijama hvatanja protona, u reakcijama ( γ ,n) ili u reakcijama koje pokreću neutrini.

Sinteza transuranskih elemenata. U Sunčevom sustavu preživjeli su samo oni kemijski elementi čiji je životni vijek duži od starosti Sunčevog sustava. To je 85 kemijskih elemenata. Preostali kemijski elementi dobiveni su kao rezultat raznih nuklearnih reakcija u akceleratorima ili kao posljedica zračenja u nuklearnim reaktorima. Sinteza prvih transuranskih elemenata u laboratoriju provedena je nuklearnim reakcijama pod djelovanjem neutrona i ubrzanih α-čestica. Međutim, pokazalo se da je daljnje napredovanje na teže elemente na ovaj način praktički nemoguće. Za sintezu elemenata težih od mendelevija Md ( Z= 101) koriste nuklearne reakcije s težim višestruko nabijenim ionima – ugljikom, dušikom, kisikom, neonom, kalcijem. Za ubrzanje teških iona počeli su se graditi akceleratori višestruko nabijenih iona.

Nobelova nagrada za fiziku
1983 - W. Fowler
Za teorijska i eksperimentalna proučavanja nuklearnih procesa važnih za stvaranje kemijskih elemenata u Svemiru.

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

E. Rutherford: “Ako postoje elementi teži od urana, onda će se vjerojatno pokazati da su radioaktivni. Iznimna osjetljivost metoda kemijske analize, temeljene na radioaktivnosti, omogućit će prepoznavanje ovih elemenata, čak i ako su prisutni u zanemarivim količinama. Stoga se može očekivati ​​da je broj radioaktivnih elemenata u tragovima puno veći od tri trenutno poznata radioaktivna elementa. Čisto kemijske metode istraživanja pokazat će se malo korisnima u prvoj fazi proučavanja takvih elemenata. Glavni čimbenici ovdje su postojanost zračenja, njihove karakteristike te postojanje ili odsutnost emanacija ili drugih produkata raspadanja.”

Kemijski element s najvećim atomskim brojem Z = 118 sintetiziran je u Dubni u suradnji s Livermore Laboratory u SAD-u. Gornja granica postojanja kemijskih elemenata povezana je s njihovom nestabilnošću u odnosu na radioaktivni raspad. Dodatna stabilnost atomskih jezgri uočena je u blizini magičnih brojeva. Prema teorijskim procjenama, trebali bi postojati dvostruko magični brojevi Z = 108, N = 162 i Z = 114, N = 184. Poluživot jezgri s takvim brojem protona i neutrona može biti stotine tisuća godina. To su takozvani "otoci stabilnosti". Problem formiranja jezgri "otoka stabilnosti" je složenost odabira meta i ubrzanih iona. Trenutno sintetizirani izotopi 108-112 elemenata imaju premalo neutrona. Kao što slijedi iz izmjerenih poluraspada izotopa od 108 - 112 elemenata, povećanje broja neutrona za 6 - 10 jedinica (tj. približavanje otoku stabilnosti) dovodi do povećanja razdoblja α-raspada za 10 4 - 10 5 puta.
Budući da se broj superteških jezgri Z > 110 računa u jedinicama, bilo je potrebno razviti metodu za njihovu identifikaciju. Identifikacija novonastalih kemijskih elemenata provodi se lancima njihovih uzastopnih α-raspada, što povećava pouzdanost rezultata. Ova metoda identifikacije transuranskih elemenata ima prednost u odnosu na sve druge metode, budući da temelji se na mjerenju kratkih razdoblja α-raspada. Istodobno, prema teorijskim procjenama, kemijski elementi otoka stabilnosti mogu imati poluraspad dulji od mjeseci i godina. Za njihovu identifikaciju potrebno je razviti temeljno nove metode registracije temeljene na identifikaciji jednog broja jezgri tijekom nekoliko mjeseci.

G. Flerov, K, Petrzhak:“Predviđanje mogućeg postojanja nove regije u periodičnom sustavu elemenata D.I. Mendeljejev - polje superteških elemenata (SHE) - je za znanost o atomskoj jezgri jedna od najznačajnijih posljedica eksperimentalnih i teorijskih proučavanja procesa spontane fisije. Zbroj našeg znanja o atomskoj jezgri, dobivenog tijekom posljednja četiri desetljeća, čini ovo predviđanje prilično pouzdanim i. što je važno, neovisno o izboru jedne ili druge određene varijante modela školjke. Odgovor na pitanje o postojanju SHE značio bi, možda, najkritičniji test samog koncepta strukture ljuske jezgre - glavnog nuklearnog modela koji je do sada uspješno izdržao mnoge testove u objašnjavanju svojstava poznatih atomskih jezgre.
Točnije, stabilnost najtežih jezgri određena je uglavnom njihovom spontanom fisijom, pa je stoga nužan uvjet za postojanje takvih jezgri da imaju barijere za fisiju. Za jezgre od urana do fermija, komponenta ljuske u fisijskoj barijeri, iako dovodi do nekih vrlo zanimljivih fizikalnih pojava, još uvijek nema kritičan učinak na njihovu stabilnost i očituje se u superpoziciji s komponentom kaplje tekućine barijere. U području SHE kapaljka komponenta barijere potpuno nestaje, a stabilnost superteških jezgri određena je propusnošću čisto ljuske barijere.
Istodobno, ako je prisutnost barijere dovoljna za temeljno postojanje SHE jezgri, tada eksperimentalna provjera takvog predviđanja zahtijeva poznavanje životnog vijeka SHE jezgri u odnosu na spontanu fisiju, budući da se s bilo kojom posebnom postavkom eksperimenta tragati za njima, nemoguće je pokriti cijeli raspon životnih vijekova - od 10 10 godina do 10 -10 s. Izbor eksperimentalne tehnike bitno ovisi o životnom intervalu u kojem se istraživanje provodi.
Kao što je već spomenuto, nesigurnost u teorijskom proračunu razdoblja spontane fisije T SF prevelika je, najmanje 8-10 redova veličine. Ova neizvjesnost a priori ne isključuje nijednu od mogućnosti dobivanja ili detekcije ONO, a kao smjernice za eksperimentalno rješenje problema može se odabrati i potraga za ONO u prirodi (na Zemlji, u objektima kozmičkog porijekla, kao dio kozmičkog zračenja itd.), te umjetna proizvodnja elemenata na akceleratorima (u nuklearnim reakcijama između složenih jezgri).
Očito, potraga za ONO u zemaljskim objektima može dovesti do uspjeha samo pod sretnom kombinacijom dviju okolnosti. S jedne strane, mora postojati učinkovit mehanizam nukleosinteze, koji s dovoljnom vjerojatnošću dovodi do stvaranja SHE atomskih jezgri. S druge strane, potrebno je da postoji barem jedan nuklid koji pripada novoj regiji stabilnosti, koji bi imao životni vijek usporediv sa životnim vijekom Zemlje, 4,5· 10 9 godina.
Ako govorimo o prisutnosti SHE u objektima izvanzemaljskog podrijetla - u meteoritima, kozmičkom zračenju itd., onda takva pretraživanja mogu dovesti do uspjeha čak i ako je životni vijek SHE jezgri znatno manji od 10 10 godina: takvi objekti mogu biti znatno mlađi od kopnenih uzoraka (10 7 -10 8 godina).

Helij je inertni plin 18. skupine periodnog sustava. To je drugi najlakši element nakon vodika. Helij je plin bez boje, mirisa i okusa koji postaje tekući na -268,9 °C. Njegove točke vrenja i smrzavanja su niže od onih bilo koje druge poznate tvari. To je jedini element koji se ne skrutne kada se ohladi pri normalnom atmosferskom tlaku. Potrebno je 25 atmosfera da se helij skrući na 1 K.

Povijest otkrića

Helij je u plinovitoj atmosferi koja okružuje Sunce otkrio francuski astronom Pierre Jansen, koji je 1868. tijekom pomrčine otkrio svijetložutu liniju u spektru solarne kromosfere. Izvorno se smatralo da ova linija predstavlja element natrij. Iste je godine engleski astronom Joseph Norman Lockyer uočio žutu liniju u sunčevom spektru koja nije odgovarala poznatim D 1 i D 2 linijama natrija, pa ju je nazvao D 3 linija. Lockyer je zaključio da ga je uzrokovala tvar na Suncu nepoznata na Zemlji. On i kemičar Edward Frankland koristili su grčki naziv za sunce, helios, za imenovanje elementa.

Godine 1895. britanski kemičar Sir William Ramsay dokazao je postojanje helija na Zemlji. Dobio je uzorak minerala kleveita koji sadrži uran, a nakon ispitivanja plinova koji su nastali pri zagrijavanju, otkrio je da se svijetložuta linija u spektru poklapa s linijom D 3 promatranom u spektru Sunca. Tako je novi element konačno postavljen. Godine 1903. Ramsay i Frederic Soddu utvrdili su da je helij spontani produkt raspada radioaktivnih tvari.

Rasprostranjenost u prirodi

Helij čini oko 23% ukupne mase svemira, a element je drugi po zastupljenosti u svemiru. Koncentriran je u zvijezdama, gdje nastaje iz vodika kao rezultat termonuklearne fuzije. Iako se helij nalazi u zemljinoj atmosferi u koncentraciji od 1 dijela na 200 tisuća (5 ppm) i nalazi se u malim količinama u radioaktivnim mineralima, meteoritskom željezu i mineralnim izvorima, velike količine elementa nalaze se u Sjedinjenim Državama ( posebno u Texasu, New Yorku).Meksiku, Kansasu, Oklahomi, Arizoni i Utahu) kao komponenta (do 7,6%) prirodnog plina. Male rezerve pronađene su u Australiji, Alžiru, Poljskoj, Kataru i Rusiji. U zemljinoj kori koncentracija helija je samo oko 8 dijelova na milijardu.

izotopi

Jezgra svakog atoma helija sadrži dva protona, ali kao i drugi elementi, ima izotope. Sadrže jedan do šest neutrona, pa im se maseni brojevi kreću od tri do osam. Stabilni su elementi u kojima je masa helija određena atomskim brojevima 3 (3 He) i 4 (4 He). Svi ostali su radioaktivni i vrlo brzo se raspadaju u druge tvari. Zemaljski helij nije izvorna komponenta planeta, nastao je kao rezultat radioaktivnog raspada. Alfa čestice koje emitiraju jezgre teških radioaktivnih tvari jezgre su izotopa 4 He. Helij se ne nakuplja u velikim količinama u atmosferi jer Zemljina gravitacija nije dovoljno jaka da spriječi postupni bijeg u svemir. Tragovi 3 He na Zemlji objašnjavaju se negativnim beta raspadom rijetkog elementa vodika-3 (tricija). 4 On je najčešći od stabilnih izotopa: omjer broja atoma 4 He i 3 He je oko 700 tisuća prema 1 u atmosferi i oko 7 milijuna prema 1 u nekim mineralima koji sadrže helij.

Fizička svojstva helija

Točke vrenja i taljenja ovog elementa su najniže. Iz tog razloga helij postoji osim u ekstremnim uvjetima. Plinoviti He otapa manje u vodi nego bilo koji drugi plin, a brzina difuzije kroz krute tvari je tri puta veća od zraka. Njegov indeks loma je najbliži 1.

Toplinska vodljivost helija je na drugom mjestu nakon vodika, a njegov specifični toplinski kapacitet je neobično visok. Na uobičajenim temperaturama se tijekom ekspanzije zagrijava, a hladi ispod 40 K. Stoga, kod T<40 K гелий можно превратить в жидкость путем расширения.

Element je dielektrik osim ako nije u ioniziranom stanju. Kao i drugi plemeniti plinovi, helij ima metastabilne razine energije koje mu omogućuju da ostane ioniziran u električnom pražnjenju kada napon ostane ispod ionizacijskog potencijala.

Helij-4 je jedinstven po tome što ima dva tečna oblika. Pravilni se zove helij I i postoji na temperaturama u rasponu od vrelišta od 4,21 K (-268,9 °C) do oko 2,18 K (-271 °C). Ispod 2,18 K, toplinska vodljivost 4 He postaje 1000 puta veća od one u bakru. Ovaj oblik naziva se helij II kako bi se razlikovao od normalnog oblika. Super je tekućina: viskoznost je toliko niska da se ne može izmjeriti. Helij II se širi u tanki film na površini svega što dotakne, a ovaj film teče bez trenja čak i protiv gravitacije.

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

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

Veze

U normalnim uvjetima, helij je kemijski inertan. U ekstremnim uvjetima možete stvoriti spojeve elemenata koji nisu stabilni pri normalnim temperaturama i tlakovima. Na primjer, helij može tvoriti spojeve s jodom, volframom, fluorom, fosforom i sumporom kada je podvrgnut električnom svjetlećem pražnjenju kada je bombardiran elektronima ili u stanju plazme. Tako su nastali HeNe, HgHe 10 , WHe 2 i molekularni ioni He 2 + , He 2 ++ , HeH + i HeD +. Ova tehnika je također omogućila dobivanje neutralnih molekula He 2 i HgHe.

Plazma

U Svemiru je pretežno raspoređen ionizirani helij čija se svojstva značajno razlikuju od molekularnog helija. Njegovi elektroni i protoni nisu vezani, a ima vrlo visoku električnu vodljivost čak i u djelomično ioniziranom stanju. Na nabijene čestice snažno utječu magnetska i električna polja. Na primjer, u solarnom vjetru ioni helija, zajedno s ioniziranim vodikom, stupaju u interakciju sa Zemljinom magnetosferom, uzrokujući polarnu svjetlost.

Otkriće ležišta u SAD-u

Nakon bušenja bušotine 1903. u Dexteru, Kansas, dobiven je nezapaljivi plin. U početku se nije znalo da sadrži helij. Koji je plin pronađen utvrdio je državni geolog Erasmus Haworth, koji je prikupio njegove uzorke i na Sveučilištu Kansas, uz pomoć kemičara Cady Hamilton i Davida McFarlanda, otkrio da sadrži 72% dušika, 15% metana, 1% vodika a 12% nije identificirano. Nakon daljnje analize, znanstvenici su otkrili da je 1,84% uzorka helij. Tako su saznali da je ovaj kemijski element prisutan u ogromnim količinama u utrobi Velike ravnice, odakle se može izvući iz prirodnog plina.

industrijska proizvodnja

Time su Sjedinjene Države postale svjetski lider u proizvodnji helija. Na prijedlog Sir Richarda Threlfalla, američka mornarica financirala je tri male eksperimentalne tvornice za proizvodnju tvari tijekom Prvog svjetskog rata kako bi se baloni osigurali s laganim, nezapaljivim plinom za podizanje. U okviru ovog programa proizvedeno je ukupno 5.700 m 3 od 92% He, iako je prethodno proizvedeno samo manje od 100 litara plina. Dio tog volumena korišten je u prvom svjetskom zračnom brodu s helijem C-7, koji je 7. prosinca 1921. izveo svoj prvi let od Hampton Roadsa do Bolling Fielda.

Iako proces ukapljivanja plina na niskim temperaturama u to vrijeme nije bio dovoljno napredan da bi bio značajan tijekom Prvog svjetskog rata, proizvodnja se nastavila. Helij se uglavnom koristio kao podizni plin u zrakoplovima. Potražnja za njim je rasla tijekom Drugog svjetskog rata, kada se koristio u zavarivanju zaštićenim lukom. Element je također bio važan u projektu atomske bombe na Manhattanu.

američki nacionalni rezervat

Godine 1925. vlada Sjedinjenih Država uspostavila je Nacionalnu rezervu helija u Amarillu u Teksasu u svrhu pružanja vojnih zračnih brodova u vrijeme rata i komercijalnih zračnih brodova u vrijeme mira. Upotreba plina je opala nakon Drugoga svjetskog rata, ali je opskrba povećana 1950-ih kako bi se, između ostalog, osigurala njegova opskrba kao rashladno sredstvo koje se koristilo u proizvodnji kisikovog raketnog goriva tijekom svemirske utrke i Hladnog rata. Upotreba helija u SAD-u 1965. bila je osam puta veća od najveće ratne potrošnje.

Od Zakona o heliju iz 1960. godine, Bureau of Mines je ugovorio 5 privatnih tvrtki za izvlačenje elementa iz prirodnog plina. Za ovaj program izgrađen je plinovod od 425 kilometara koji povezuje ova postrojenja s djelomično iscrpljenim državnim plinskim poljem u blizini Amarilla u Teksasu. Smjesa helija i dušika pumpana je u podzemno skladište i tamo je ostala sve dok nije bila potrebna.

Do 1995. godine izgrađeno je milijardu kubičnih metara zaliha, a Nacionalne rezerve su imale dug od 1,4 milijarde dolara, što je potaknulo američki Kongres da ga postupno ukine 1996. godine. Nakon donošenja zakona o privatizaciji helija 1996. godine, Ministarstvo prirodnih resursa počelo je likvidirati skladište 2005. godine.

Čistoća i obujam proizvodnje

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

Dugi niz godina Sjedinjene Države proizvodile su preko 90% komercijalnog helija u svijetu. Od 2004. godine proizvedeno je 140 milijuna m 3 godišnje, od čega je 85% u Sjedinjenim Državama, 10% u Alžiru, a ostatak u Rusiji i Poljskoj. Glavni izvori helija u svijetu su plinska polja Teksasa, Oklahome i Kansasa.

Proces prijema

Helij (čistoća 98,2%) se ekstrahira iz prirodnog plina ukapljivanjem ostalih komponenti na niskim temperaturama i visokim tlakovima. Adsorpcijom ostalih plinova s ​​ohlađenim aktivnim ugljenom postiže se čistoća od 99,995%. Mala količina helija se proizvodi ukapljivanjem zraka u velikim razmjerima. Iz 900 tona zraka može se dobiti oko 3,17 kubika. m plina.

Prijave

Plemeniti plin našao je primjenu u raznim područjima.

• Helij, čija svojstva omogućuju postizanje ultraniskih temperatura, koristi se kao rashladno sredstvo u Velikom hadronskom sudaraču, supravodljivim magnetima u MRI strojevima i spektrometrima nuklearne magnetske rezonancije, satelitskoj opremi, kao i za ukapljivanje kisika i vodika u Apollu rakete.
• Kao inertni plin za zavarivanje aluminija i drugih metala, u proizvodnji optičkih vlakana i poluvodiča.
• Za stvaranje tlaka u spremnicima goriva raketnih motora, posebno onih koji rade na tekućem vodiku, budući da samo plinoviti helij zadržava svoje agregacijsko stanje kada vodik ostaje tekući);
• He-Ne se koriste za skeniranje crtičnih kodova na blagajni u supermarketima.
• Helij-ionski mikroskop daje bolje slike od elektronskog mikroskopa.
• Zbog svoje visoke propusnosti, plemeniti plin se koristi za provjeru curenja u, primjerice, klimatizacijskim sustavima automobila, kao i za brzo napuhavanje zračnih jastuka u slučaju sudara.
• Niska gustoća omogućuje punjenje ukrasnih balona helijem. Inertni plin zamijenio je eksplozivni vodik u zračnim brodovima i balonima. Primjerice, u meteorologiji se helijevi baloni koriste za podizanje mjernih instrumenata.
• U kriogenoj tehnologiji služi kao rashladno sredstvo, budući da je temperatura ovog kemijskog elementa u tekućem stanju najniža moguća.
• Helij, čija svojstva mu osiguravaju nisku reaktivnost i topljivost u vodi (i krvi), pomiješan s kisikom, našao je primjenu u pripravcima za disanje za ronjenje i rad u kesonu.
• Meteoriti i stijene analiziraju se na ovaj element kako bi se utvrdila njihova starost.

Helij: svojstva elementa

Glavna fizička svojstva He su sljedeća:

• Atomski broj: 2.
• Relativna masa atoma helija: 4,0026.
• Talište: ne.
• Točka vrenja: -268,9 °C.
• Gustoća (1 atm, 0 °C): 0,1785 g/p.
• Stanja oksidacije: 0.

Za nekoliko generacija baloni mogu postati povijest. Kupi balon. Pustite ga i gledajte kako se skuplja u sićušnu točku i nestaje u stratosferi. Tada će ili odletjeti predaleko i puknuti, ili će iz njega polako izlaziti komponente koje su lakše od zraka. Na ovaj ili onaj način, helij će pobjeći iz balona i atmosfere. Zemaljski helij doslovno leti u svemir.

To je budućnost globalnog helija u sljedećih sto godina, kažu znanstvenici. Takva je sudbina plina koji je lakši od zraka: gravitacija ga jednostavno ne može zadržati. Zemljina kora oslobađa malo helija, ali on brzo pobjegne iz atmosfere. Količina helija u njemu je stabilna na 0,00052 volumnih postotaka. Izvlačenje tako male količine iz zraka bilo bi vrlo skupo. Helij koji se može kupiti i koristiti dolazi iz rezervi prirodnog plina, uglavnom u SAD-u.

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

Zašto? Razlozi leže u kompliciranoj političkoj povijesti helija.

Kako smo tamo stigli?

Helios na kočiji Sunca. Nicola BertinNicolas Bertin

Godine 1868. helij je prvi put viđen kao linija u spektru svjetlosti tijekom pomrčine Sunca. Naziv "helij" povezuje se s grčkim bogom Heliosom, koji je svaki dan vozio sunce po nebu u zlatnim kočijama. Godine 1895. škotski kemičar William Ramsay prvi je otkrio ovaj plin na Zemlji. Iste godine švedski kemičari Per Theodor Cleve i Abram Lengle prikupili su dovoljno plina da odrede njegov atomski broj, 2.

Element je prisutan u sunčevoj energiji jer je Sunce ogromna lopta vodika i helija. Privlačenje sunca toliko je snažno da se u njegovom središtu atomi vodika (s jednim protonom) spajaju i postaju atomi helija (s dva protona). Taj se proces naziva termonuklearna reakcija, a oslobađa dovoljno energije da možemo vidjeti sunčevu svjetlost i osjetiti toplinu na udaljenosti od 150.000.000 km. Ali ne dobivamo solarni helij. Ovaj plin, koji su prvi izolirali znanstvenici, bio je nusproizvod otapanja pitchblende (najčešći mineral urana) u kiselini, proces koji je radioaktivan i skup.

Godine 1903. naftna platforma u Kansasu otkrila je gejzir razočaravajuće nezapaljivog plina. Taj je plin otišao u laboratorij na analizu i ispostavilo se da je 1,8% helija – puno više koncentriran od onog u atmosferi. Inženjeri su počeli proučavati plin iz drugih bušotina u zemlji, a kao rezultat toga, znanstvenici su 1906. godine izjavili: "Helij nije rijedak, već uobičajen element, i moramo pronaći korištenje za njegove ogromne rezerve."

Zašto je helij mnogo više od vodika prikladan za zračne brodove

Nekoć uobičajen, helij je postao prirodno rješenje za gumene balone i balone koji su se punili jednako laganim, ali zapaljivim vodikom. Helij je manje uobičajen izvan SAD-a i vlada je željela zadržati tu prednost. Godine 1925. Kongres je odobrio Federalne rezerve helija za vojne i komercijalne zračne brodove, a zakon donesen 1927. zabranjuje izvoz helija. Zbog toga su zračni brodovi drugih zemalja, poput Hindenburga, još uvijek bili puni vodikom, što je dovelo do poznate katastrofe.

Ubrzo su pronađeni i drugi načini korištenja resursa. Ima najnižu točku vrelišta od svih poznatih tvari, minus 269 Celzijevih stupnjeva, pa je u tekućem stanju helij idealno rashladno sredstvo. Kipuća tekućina održava temperaturu na kojoj vrije sve dok ostaje tekućina - ne postaje toplija. Voda ne može biti toplija od stotinu stupnjeva, a tekući helij ne može biti topliji od -269. Resurs se počeo koristiti za izolaciju lukova zavarivanja, a kasnije - u supravodnicima, nuklearnim reaktorima i kriogenici. Sada se ovaj plin najčešće koristi kao rashladno sredstvo.

Od projekta Manhattan, helij se koristi za pronalaženje curenja: to je inertni plin koji ne reagira s drugim tvarima i vrlo brzo prodire u rupe. Koristi se za mjerenje zračenja i u medicinskom snimanju.

Temperatura magneta u MRI aparatu održava se helijem.

Federalna rezerva

Iako je upotreba zračnih brodova punjenih helijem prestala, Savezne rezerve helija nastavile su postojati i širiti se u drugoj polovici dvadesetog stoljeća jer je plin bio koristan za vladine potrebe, uglavnom za svemirsku i obrambenu industriju.

Godine 1996. Federalne rezerve su iznosile milijardu kubičnih metara, ali više nisu bile od interesa za američku vladu, dijelom zbog lošeg financijskog upravljanja. Washington Post je napisao: “Godine 1996. zalihe helija izgledaju kao otpad. Zračni brodovi više nisu vitalni dio zračnih snaga, i, što je najvažnije, plaćajući bušačima da izvlače helij iz prirodnog plina, skladište duguje 1.400.000.000 dolara.”

I Reagan i Clinton obećali su riješiti ovaj problem, a 1996. Kongres je donio zakon o privatizaciji helija. Počevši od 2005. godine dionice su se trebale prodavati po fiksnoj, a ne tržišnoj cijeni, a do 2015. planirano je okončanje prodaje i zatvaranje trezora.

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

Stoga je tržište bilo ispunjeno helijem, cijena mu je naglo pala, a potrošnja je, prema riječima zaštitnika prirode, naglo porasla. “Zbog ovog zakona helij je postao previše jeftin i ne doživljava se kao vrijedan resurs. Rasipaju ga. [...] Helij se nije uspio prodati onoliko brzo koliko se željelo, a svjetske cijene za njega su smiješno niske”, rekao je nobelovac Robert Richardson 2010. godine.

Profesor Richardson vjeruje da bi cijene helija trebale biti povećane 20 do 50 puta kako bi se potaknulo recikliranje. Primjerice, NASA niti ne pokušava ponovno upotrijebiti helij nakon čišćenja spremnika raketnog goriva, koji troši mnogo tog plina. Profesor Richardson također smatra da su baloni punjeni helijem prejeftini. Svaki od njih trebao bi koštati oko 100 dolara - tolika je vrijednost plina koji se nalazi u njima.

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

Umjesto da se privatni sektor potakne na proizvodnju helija, rasprodaja dionica imala je upravo suprotan učinak. Plin je postao toliko jeftin da nitko nije vidio potrebu ili korist od samostalnog vađenja. Ususret 2015. znanstvenici su alarmirali: ako se zalihe prodaju prema planu, više se neće obnavljati. Sjedinjene Američke Države, koje proizvode oko 70% sveg helija na planetu, ostaju svjetski lider u njegovoj proizvodnji, što znači da njegova nestašica u Sjedinjenim Državama može uzrokovati probleme diljem svijeta.

Godine 2013. odobren je Zakon o strateškoj kontroli helija koji je omogućio njegovo licitiranje do 2021., pa će se cijena ubrzo približiti tržištu nakon što je ogroman dio dionica prodan za novčiće.

Helij danas

Čak i ako dražba postupno riješi problem cijene, helij je neobnovljiv resurs. Očekuje se da će se rezerve iscrpiti do 2020. godine, a čak i ako se to ne dogodi, prema važećim zakonima skladište tog plina mora biti zatvoreno do 2021. godine. Istodobno se diljem svijeta očajnički traže alternativna rashladna sredstva, levitatori i izvori helija.

Američki geološki zavod piše: “Do kraja desetljeća, međunarodna postrojenja za proizvodnju helija vjerojatno će postati glavni svjetski izvor helija. Takve su instalacije već stvorene u Alžiru i Kataru.” Kina planira vaditi helij-3, koji se sada uglavnom samo proizvodi, na Mjesecu.

Mnogi potrošači, gledajući rastuće cijene, počeli su tražiti načine za ponovnu upotrebu helija. Ovisno o tome kamo ti napori vode, možda odgađamo dan kada hrpa balona postane ludi luksuz poput srebrnog pribora za jelo ili klavirskih tipki obloženih bjelokošću.