Гелий - инертный газ 18-й группы периодической таблицы. Это второй самый легкий элемент после водорода. Гелий - газ без цвета, запаха и вкуса, который становится жидким при температуре -268.9 °C. Точки кипения и замерзания его ниже, чем у любого другого известного вещества. Это единственный элемент, который не затвердевает при охлаждении при нормальном атмосферном давлении. Чтобы гелий перешел в твердое состояние, необходимо 25 атмосфер при температуре 1 К.
История открытия
Гелий был найден в газовой атмосфере, окружающей Солнце, французским астрономом Пьером Жансеном, который в 1868 году во время затмения обнаружил яркую желтую линию в спектре солнечной хромосферы. Первоначально предполагалось, что эта линия представляла элемент натрий. В том же году английский астроном Джозеф Норман Локьер наблюдал желтую линию в солнечном спектре, которая не соответствовала известным линиям натрия D 1 и D 2 , и поэтому он назвал ее линией D 3 . Локьер пришел к выводу, что она была вызвана веществом на Солнце, неизвестном на Земле. Он и химик Эдуард Франкленд в названии элемента использовали греческое название Солнца «гелиос».
В 1895 году британский химик сэр Уильям Рамзай доказал существование гелия на Земле. Он получил образец ураноносного минерала клевеита, и после исследования газов, образовавшихся при его нагреве, он обнаружил, что ярко-желтая линия в спектре совпадает с линией D 3 , наблюдаемой в спектре Солнца. Таким образом, новый элемент был окончательно установлен. В 1903 году Рамзи и Фредерик Содду определили, что гелий является продуктом спонтанного распада радиоактивных веществ.
Распространение в природе
Масса гелия составляет около 23% всей массы Вселенной, и элемент является вторым по распространенности в космосе. Он сосредоточен в звездах, где образуется из водорода в результате термоядерного синтеза. Хотя в земной атмосфере гелий находится в концентрации 1 часть на 200 тыс. (5 промилле) и в небольших количествах содержится в радиоактивных минералах, метеоритном железе, а также в минеральных источниках, большие объемы элемента встречаются в Соединенных Штатах (особенно в Техасе, Нью-Мексико, Канзасе, Оклахоме, Аризоне и Юте) в качестве компонента (до 7,6%) природного газа. Небольшие его запасы были обнаружены в Австралии, Алжире, Польше, Катаре и России. В земной коре концентрация гелия равна лишь около 8 частей на миллиард.
Изотопы
Ядро каждого атома гелия содержит два протона, но, как и у других элементов, у него есть изотопы. Они содержат от одного до шести нейтронов, поэтому их массовые числа находятся в диапазоне от трех до восьми. Стабильными из них являются элементы, у которых масса гелия определяется атомными числами 3 (3 He) и 4 (4 He). Все остальные радиоактивны и очень быстро распадаются на другие вещества. Земной гелий не является изначальной составляющей планеты, он образовался в результате радиоактивного распада. Альфа-частицы, испускаемые ядрами тяжелых радиоактивных веществ, представляют собой ядра изотопа 4 He. Гелий не накапливается в больших количествах в атмосфере, потому что гравитации Земли недостаточно, чтобы предотвратить его постепенную утечку в космос. Следы 3 He на Земле объясняются отрицательным бета-распадом редкого элемента водорода-3 (трития). 4 He является наиболее распространенным из стабильных изотопов: соотношение числа атомов 4 He к 3 He составляет около 700 тыс. к 1 в атмосфере и около 7 млн к 1 в некоторых гелийсодержащих минералах.
Физические свойства гелия
Температура кипения и плавления у этого элемента самые низкие. По этой причине гелий существует в за исключением экстремальных условий. Газообразный He в воде растворяется меньше, чем какой-либо другой газ, а скорость диффузии через твердые тела в три раза больше, чем у воздуха. Его показатель преломления ближе всего приближается к 1.
Теплопроводность гелия уступает лишь теплопроводности водорода, а его удельная теплоемкость необычайно высокая. При обычных температурах при расширении он нагревается, а ниже 40 K - охлаждается. Поэтому при Т<40 K гелий можно превратить в жидкость путем расширения.
Элемент является диэлектриком, если не находится в ионизированном состоянии. Как и у других благородных газов, у гелия есть метастабильные энергетические уровни, которые позволяют ему оставаться ионизированным в электрическом разряде, когда напряжение остается ниже потенциала ионизации.
Гелий-4 уникален тем, что обладает двумя жидкими формами. Обычная называется гелий I и существует при температурах от точки кипения 4,21 К (-268,9 °C) до около 2,18 К (-271 °C). Ниже 2,18 K теплопроводность 4 He становится в 1000 раз больше, чем у меди. Эта форма называется гелий II, чтобы отличить ее от обычной. Она обладает сверхтекучестью: вязкость настолько низкая, что не может быть измерена. Гелий II растекается в тонкую пленку на поверхности любого вещества, которого касается, и эта пленка течет без трения даже против силы тяжести.
Менее обильный гелий-3 образует три различные жидкие фазы, две из которых сверхтекучи. Сверхтекучесть в 4 He была обнаружена советским физиком в середине 1930-х годов, и такое же явление в 3 He было впервые замечено Дугласом Д. Ошеровым, Дэвидом М. Ли, и Робертом С. Ричардсоном из США в 1972 году.
Жидкая смесь двух изотопов гелия-3 и -4 при температурах ниже 0,8 К (-272.4 °C) разделяется на два слоя - практически чистого 3 He и смеси 4 He с 6% гелия-3. Растворение 3 He в 4 He сопровождается охлаждающим эффектом, который используется в конструкции криостатов, в которых температура гелия опускается ниже 0,01 К (-273,14 °C) и поддерживается такой в течение нескольких дней.
Соединения
В нормальных условиях гелий химически инертен. В экстремальных можно создать соединения элемента, которые при нормальных показателях температуры и давления не являются стабильными. Например, гелий может образовывать соединения с йодом, вольфрамом, фтором, фосфором и серой, когда он подвергается действию электрического тлеющего разряда при бомбардировке электронами или в состоянии плазмы. Таким образом, были созданы HeNe, HgHe 10 , WHe 2 и молекулярные ионы Не 2 + , Не 2 ++ , HeH + и HeD + . Эта техника также позволила получить нейтральные молекулы Не 2 и HgHe.
Плазма
Во Вселенной преимущественно распространен ионизированный гелий, свойства которого существенно отличаются от молекулярного. Электроны и протоны его не связаны, и он обладает очень высокой электропроводностью даже в частично ионизированном состоянии. На заряженные частицы сильное воздействие оказывают магнитные и электрические поля. Например, в солнечном ветре ионы гелия вместе с ионизированным водородом взаимодействуют с магнитосферой Земли, вызывая северные сияния.
Открытие месторождений в США
После бурения скважины в 1903 году в Декстере, штат Канзас, был получен негорючий газ. Первоначально не было известно, что в нем содержится гелий. Какой газ был найден, определил геолог штата Эразмус Хаворт, который собрал его образцы и в университете Канзаса с помощью химиков Кэди Гамильтона и Дэвида Макфарланда обнаружил, что тот содержит 72% азота, 15% метана, 1% водорода и 12% не было идентифицировано. Проведя последующие анализы, ученые обнаружили, что 1,84% пробы составляет гелий. Так узнали о том, что данный химический элемент присутствует в огромных количествах в недрах Великих равнин, откуда его можно извлечь из природного газа.
Промышленное производство
Это сделало Соединенные Штаты лидером мирового производства гелия. По предложению сэра Ричарда Трельфалла, ВМС США профинансировали три небольших экспериментальных завода для получения этого вещества во время Первой мировой войны с целью обеспечить заградительные аэростаты легким негорючим подъемным газом. По данной программе были произведены в общей сложности 5700 м 3 92-процентного He, хотя до этого были получены лишь менее 100 л газа. Часть этого объема была использована в первом в мире гелиевом дирижабле С-7, который совершил свой первый рейс из Хэмптон-Роудс в Боллинг-Филд 7 декабря 1921 года.
Хотя процесс низкотемпературного сжижения газа в то время не был достаточно разработан, чтобы оказаться существенным во время Первой мировой войны, производство продолжалось. Гелий в основном использовался в качестве подъемного газа в летательных аппаратах. Спрос на него вырос во время Второй мировой войны, когда его стали применять при экранированной дуговой сварке. Элемент также имел важное значение в проекте создания атомной бомбы «Манхэттен».
Национальный запас США
В 1925 году правительство Соединенных Штатов создало Национальный запас гелия в Амарилло, штат Техас, с целью обеспечения военных дирижаблей во время войны и коммерческих воздушных кораблей в мирное время. Использование газа после Второй мировой сократилось, но запас был увеличен в 1950-х годах для обеспечения, среди прочего, его поставок в качестве теплоносителя, применяемого в производстве кислородно-водородного ракетного топлива в период космической гонки и холодной войны. Использование гелия в США в 1965 году в восемь раз превысило пиковое потребление военного времени.
После принятия закона о гелии 1960 года Горное бюро подрядило 5 частных предприятий для извлечения элемента из природного газа. Для этой программы был построен 425-км газопровод, соединивший эти заводы с правительственным частично истощенным газовым месторождением неподалеку от Амарилло в Техасе. Гелий-азотная смесь закачивалась в подземное хранилище и оставалась там, пока в ней не возникала необходимость.
К 1995 году был собран запас объемом миллиард кубометров, а задолженность Национального резерва составила 1,4 млрд долларов, что побудило Конгресс США в 1996 г. поэтапно отказаться от него. После принятия в 1996 г. закона о приватизации гелия Министерство природных ресурсов приступило к ликвидации хранилища в 2005 году.
Чистота и объемы производства
Гелий, произведенный до 1945 года, имел чистоту около 98%, остальные 2% приходились на азот, что было достаточным для дирижаблей. В 1945 г. было произведено небольшое количество 99,9-процентного газа для использования в дуговой сварке. К 1949 г. чистота получаемого элемента достигла 99,995%.
На протяжении многих лет Соединенные Штаты производили более 90% мирового объема коммерческого гелия. Начиная с 2004 года, ежегодно его вырабатывалось 140 млн м 3 , 85% из которых приходится на США, 10% производилось в Алжире, а остальное - в России и Польше. Основными источниками гелия в мире являются газовые месторождения Техаса, Оклахомы и Канзаса.
Процесс получения
Гелий (чистотой 98,2%) выделяют из природного газа путем сжижения других компонентов при низких температурах и при высоких давлениях. Адсорбция других газов охлажденным активированным углем позволяет добиться чистоты 99,995%. Небольшой объем гелия производится при сжижении воздуха в больших масштабах. Из 900 т воздуха можно получить около 3,17 куб. м газа.
Сферы применения
Благородный газ нашел применение в разных областях.
- Гелий, свойства которого позволяют получать сверхнизкие температуры, используется как охлаждающий агент в Большом адронном коллайдере, сверхпроводящих магнитах аппаратов МРТ и спектрометров ядерного магнитного резонанса, спутниковой аппаратуры, а также для сжижения кислорода и водорода в ракетах «Аполлон».
- В качестве инертного газа для сварки алюминия и др. металлов, при производстве оптоволокна и полупроводников.
- Для создания давления в топливных баках ракетных двигателей, особенно тех, которые работают на жидком водороде, т. к. только гелий газообразный сохраняет свое агрегатное состояние, когда водород остается жидким);
- He-Ne используются для сканирования штрих-кодов на кассах в супермаркетах.
- Гелий-ионный микроскоп позволяет получить лучшие изображения, чем электронный.
- Благодаря высокой проницаемости благородный газ используется для проверки утечек, например, в системах кондиционирования воздуха автомобилей, а также для быстрого наполнения подушек безопасности при столкновении.
- Низкая плотность позволяет наполнять декоративные шары с гелием. Инертный газ заменил взрывоопасный водород в дирижаблях и воздушных шарах. Например, в метеорологии, шары с гелием используются для подъема измерительных приборов.
- В криогенной технике служит теплоносителем, поскольку температура этого химического элемента в жидком состоянии минимально возможная.
- Гелий, свойства которого обеспечивают ему низкую реактивность и растворимость в воде (и крови), в смеси с кислородом нашел применение в дыхательных составах для подводного плавания с аквалангом и проведения кессонных работ.
- Метеориты и горные породы анализируются на содержание данного элемента для определения их возраста.
Гелий: свойства элемента
Основные физические свойства He следующие:
- Атомный номер: 2.
- Относительная масса атома гелия: 4,0026.
- Точка плавления: нет.
- Точка кипения: -268,9 °C.
- Плотность (1 атм, 0 °C): 0,1785 г/п.
- Состояния окисления: 0.
Гелий, как правило, образующийся при радиоактивном распаде урана-238 и урана-235, был найден в атмосфере Солнца на 13 лет раньше, чем на Земле. Этот газ обладает самыми низкими значениями критических величин, наинизшей температура кипения, наименьшей теплотой испарения и плавления. Что касается температуры плавления гелия, то при нормальном давлении ее нет вообще. Второго такого вещества в природе не найти...
Гелий – элемент необычный, и история его несколько загадочна и непонятна. Он был найден в атмосфере Солнца на 13 лет раньше, чем на Земле. Точнее говоря, в спектре солнечной короны была открыта ярко-желтая линия D, а что за ней скрывалось, стало достоверно известно лишь после того, как гелий извлекли из земных минералов, содержащих радиоактивные элементы.
Как образуется гелий
В основном земной гелий образуется при радиоактивном распаде урана-238, урана-235, тория и нестабильных продуктов их распада . Гелий в земной коре накапливается медленно. Одна тонна гранита, содержащая 2 г урана и 10 г тория, за миллион лет продуцирует всего 0,09 мг гелия – половину кубического сантиметра. В очень немногих богатых ураном и торием минералах содержание гелия довольно велико - несколько кубических сантиметров гелия на грамм.
Большинство минералов с течением времени подвергается процессам выветривания, перекристаллизации и т. д., и гелий из них уходит. Высвободившиеся из кристаллических структур гелиевые пузырьки частично растворяются в подземных водах. Другая часть гелия через поры и трещины минералов выходит в атмосферу. Остальные молекулы газа попадают в подземные ловушки, в которых скапливаются в течение десятков, сотен миллионов лет. В качестве ловушек здесь выступают пласты рыхлых пород, пустоты которых заполняют газом. Ложем для таких газовых коллекторов обычно служат вода или нефть, а сверху их перекрывают газонепроницаемые толщи плотных пород.
Синтез гелия - начало жизни
Недра и атмосфера нашей планеты бедны гелием. Но это не значит, что его мало повсюду во Вселенной. По современным подсчетам, 76% космической массы приходится на водород и 23% на гелий; на все прочие элементы остается только один процент. Таким образом, мировую материю можно назвать водородно-гелиевой. Эти два элемента главенствуют в звездах, планетарных туманностях и межзвездном газе. Реакция синтеза гелия – основа энергетической деятельности звезд, их свечения. Следовательно, синтез гелия можно считать праотцом всех реакций в природе, первопричиной жизни, света, тепла и метеорологических явлений на Земле.
Природные газы являются практически единственным источником сырья для промышленного получения гелия. Гелий в природных газах присутствует как незначительная примесь. Содержание его не превышает тысячных, сотых, редко - десятых долей процента. Большая (1,5–10%) гелиеносность метано-азотных месторождений - явление крайне редкое. Для отделения от прочих газов используют исключительную летучесть гелия, связанную с его низкой температурой ожижения. После того, как все прочие компоненты природного газа сконденсируются при глубоком охлаждении, газообразный гелий откачивают. Затем его очищают от примесей. Чистота заводского гелия достигает 99,995%. Жидкий гелий получают путем сжижения газообразного гелия.
Свойства гелия
Газообразный гелий – инертный газ без цвета, запаха и вкуса. Жидкий гелий – бесцветная жидкость без запаха с температурой кипения при нормальном атмосферном давлении 101,3 кПа (760 мм.рт.ст.) 4,215 К (минус 268,9°С) и плотностью 124,9 кг/м 3 .
Гелий не токсичен, не горюч, не взрывоопасен, однако при высоких концентрациях в воздухе вызывает состояние кислородной недостаточности и удушье. Жидкий гелий – низкокипящая жидкость, которая может вызвать обморожение кожи и поражение слизистой оболочки глаз.
Атом гелия (он же молекула) – прочнейшая из молекулярных конструкций. Орбиты двух его электронов совершенно одинаковы и проходят предельно близко от ядра. Чтобы оголить ядро гелия, нужно затратить рекордно большую энергию (78,61 эВ). Отсюда следует феноменальная химическая пассивность гелия.
Молекулы гелия неполярны. Силы межмолекулярного взаимодействия между ними крайне невелики - меньше, чем в любом другом веществе. По этой причине гелий обладает самыми низкими значениями критических величин, наинизшей температура кипения, наименьшей теплотой испарения и плавления. Что касается температуры плавления гелия, то при нормальном давлении ее вообще нет. Жидкий гелий при сколь угодно близкой к абсолютному нулю температуре не затвердевает, если, помимо температуры, на него не действует давление в 25 или больше атмосфер. Второго такого вещества в природе нет. Это наилучший среди газов проводник электричества и второй, после водорода, проводник тепла. Его теплоемкость очень велика, а вязкость, наоборот, мала.
Гелий, дирижабли, водолазы и ядерная энергетика…
Впервые гелий применили в Германии. В 1915 году они немцы стали наполнять им свои дирижабли, бомбившие Лондон. Вскоре легкий, но негорючий гелий стал незаменимым наполнителем воздухоплавательных аппаратов. Начавшийся в середине 30-х годов упадок дирижаблестроения повлек некоторый спад в производстве гелия, но лишь на короткое время. Этот газ все больше привлекал к себе внимание химиков, металлургов и машиностроителей.
Еще одна сфера применения гелия обусловлена тем, что многие технологические процессы и операции нельзя вести в воздушной среде. Чтобы избежать взаимодействия получаемого вещества (или исходного сырья) с газами воздуха, создают специальные защитные среды, и нет для этих целей более подходящего газа, чем гелий.
В гелиевой защитной среде проходят отдельные стадии получения ядерного горючего. В контейнерах, заполненных гелием, хранят и транспортируют тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. С помощью особых течеискателей, действие которых основано на исключительной диффузионной способности гелия, выявляют малейшие возможности утечки в атомных реакторах и других системах, находящихся под давлением или вакуумом.
В научных исследованиях и в технике широко применяется жидкий гелий . Сверхнизкие температуры благоприятствуют углубленному познанию вещества и его строения – при более высоких температурах тонкие детали энергетических спектров маскируются тепловым движением атомов.
Уже существуют сверхпроводящие соленоиды из особых сплавов, создающие при температуре жидкого гелия сильные магнитные поля (до 300 тысяч эрстед) при ничтожных затратах энергии. При температуре жидкого гелия многие металлы и сплавы становятся сверхпроводниками . Сверхпроводниковые реле-криотроны все шире применяются в конструкциях электронно-вычислительных машин. Они просты, надежны, очень компактны. Сверхпроводники, а с ними и жидкий гелий становятся необходимыми для электроники. Они входят в конструкции детекторов инфракрасного излучения, молекулярных усилителей (мазеров), оптических квантовых генераторов (лазеров), приборов для измерения сверхвысоких частот.
Гелиокислородные смеси стали надежным средством профилактики кессонной болезни и дали большой выигрыш по времени при подъеме водолазов. Как известно, растворимость газов в жидкостях, при прочих равных данных, прямо пропорциональна давлению. У водолазов, работающих под большим давлением, в крови растворено азота гораздо больше в сравнении с нормальными условиями, существующими на поверхности воды. При подъеме с глубины, когда давление приближается к нормальному, растворимость азота понижается, и его избыток начинает выделяться. Если подъем совершается быстро, выделение избытка растворенных газов происходит столь бурно, что кровь и богатые водой ткани организма, насыщенные газом, вспениваются от массы пузырьков азота - подобно шампанскому при открывании бутылки.
Образование пузырьков азота в кровеносных сосудах нарушает работу сердца, появление их в мозгу нарушает его функции, а все это вместе ведет к тяжелым расстройствам жизнедеятельности организма и в итоге - к смерти. Для того, чтобы предупредить развитие описанных явлений, известных под именем «кессонной болезни», подъем водолазов, т. е. переход от повышенного давления к нормальному, производится весьма медленно.
При этом избыток растворенных газов выделяется постепенно и никаких болезненных расстройств не происходит. С применением искусственного воздуха, в котором азот заменяется менее растворимым гелием, возможность вредных расстройств устраняется почти полностью. Это позволяет увеличивать глубину опускания водолазов (до 100 и более метров) и удлинять время пребывания под водой.
«Гелиевый» воздух имеет плотность в три раза меньше плотности обычного воздуха. Поэтому дышать таким воздухом легче, чем обычным (уменьшается работа дыхательных мышц). Это обстоятельство имеет важное значение при заболевании органов дыхания. Поэтому «гелиевый» воздух применяется также в медицине при лечении астмы, удуший и других болезней.
Еще не вечный, но уже безвредный
В Лос-Аламосской национальной лаборатории имени Э. Ферми (штат Нью-Мексико) разработан новый двигатель , который может серьезно изменить представления об автомобиле как одном из главных источников загрязнения. При сопоставимом с двигателем внутреннего сгорания коэффициенте полезного действия (30–40%) он лишен основных его недостатков: движущихся частей, нуждающихся в смазке для уменьшения трения и износа, и вредных для окружающей среды выбросов продуктов неполного сгорания топлива.
По сути, речь идет об усовершенствовании хорошо известного двигателя внешнего сгорания, предложенного шотландским священником Р. Стирлингом еще в 1816 г. Этот двигатель не получил широкого распространения на автотранспорте из-за более сложной по сравнению с двигателем внутреннего сгорания конструкции, большей материалоемкости и стоимости. Но термоакустический преобразователь энергии, предложенный американскими учеными, в котором рабочим телом служит сжатый гелий, выгодно отличается от своего предшественника отсутствием громоздких теплообменников, препятствовавших его использованию в легковых автомобилях, и в недалеком будущем способен стать экологически приемлемой альтернативой не только двигателя внутреннего сгорания, но и преобразователя солнечной энергии, холодильника, кондиционера. Масштабы его применения пока даже трудно представить.
Любопытно, что на нашей железо-кремниевой планете занимает далеко не первое место, пропуская вперед множество химических элементов. Более того, относительное содержание гелия во внешних оболочках Земли, включая атмосферу, гидросферу и литосферу, в десятки миллиардов раз меньше, чем во Вселенной в целом. Предполагают, что тот , который был захвачен Землей при ее образовании, постепенно улетучился, ушел в мировое пространство, как, впрочем, и свободный .
Однако и , и полностью покинуть Землю не могли. Первый присутствует на Земле в химически связанном состоянии, второй постоянно возникает в процессе радиоактивного распада. И хотя гелий в свободном состоянии не встречается, геологи утверждают, что невозможно найти природную газовую смесь совершенно лишенную гелия. Концентрация гелия в природных газах, естественно, невелика и варьирует в широчайших пределах: от десятитысячных долей процента до нескольких процентов. И хотя на Земле нет таких областей, о которых можно сказать, что они насыщены гелием, этот элемент присутствует повсюду. Он рассеян по планете.
Гелий в атмосфере
Вскоре после открытия У. Рамзая, когда гелий обрел права гражданства на нашей планете, начались усиленные поиски его на Земле. Довольно скоро выяснилось, что гелий все же входит в состав земной атмосферы. Впервые это было установлено при взятии проб воздуха над Бонном в 1904 году, а спустя 9 лет присутствие этого элемента в земном воздухе получило окончательное подтверждение. Правда, в земной атмосфере его оказалось чрезвычайно мало: около 0,0005 об- %. Впоследствии эти данные неоднократно проверялись. Оказалось, что содержание гелия в земной атмосфере отличается постоянством. Согласно уточненным данным, на каждую 1000 м ³ воздуха приходится 5,24 л гелия. Позднее, когда возник промышленный интерес к гелию, стало ясно, что источником гелия воздух быть не может.
Сначала предполагали, что обедненность гелием характерна лишь для прилегающего к Земле атмосферного слоя. Ожидалось, что верхние слои атмосферы более насыщены им. Однако исследование этих слоев, начатое еще в 30-е годы при помощи радиозондов и стратостатов, а после второй мировой войны с помощью ракет и искусственных спутников Земли, показало, что это не так. Состав атмосферы остается удивительно постоянным, т. е в основном азотно-кислородная атмосфера сохраняется на протяжении 100 км от поверхности Земли. Лишь в экзосфере, внешней, постепенно переходящей в космическое пространство оболочке Земли, концентрация свободного гелия заметно увеличивается.
Водное пространство планеты, как заметил в свое время В. И. Вернадский, так же как и атмосфера, не может быть местом сосредоточения гелия. Дело в том, что он плохо растворяется в воде. В 1 л морской воды содержится около одной-двух десятитысячных долей гелия и других инертных газов, хотя не исключено, что на больших глубинах, где давление достигает 1000 кгс/см ² , гелия в воде может несколько увеличиться.
Хранилища гелия
Земная кора более богата гелием, чем атмосфера и гидросфера. По оценкам, сделанным еще В. И. Вернадским, гелий столь же распространен в земной коре, как , и , хотя, конечно, распространенность его на Земле значительно ниже, чем во Вселенной в целом. В. И. Вернадский не раз задавался вопросом: «Почему так мало гелия? Куда он девался?».
Вскоре после открытия гелия начались его интенсивные поиски в горных породах. Именно в составе минералов и был впервые обнаружен земной гелий. Еще У. Рамзай обратил внимание на , что все богатые ураном и торием содержат и гелий. Но почему это так, в 1897 году объяснить не могли. вообще способны были удерживать многие газы, не только гелий.
Содержание гелия в урановых минералах, в частности в 1 г торианита, достигает 10,5 см ³ . Это означает, что парциальное давление гелия внутри кристаллической решетки минерала могло составлять примерно 10 кгс/см ² . В 1 г знакомого нам клевеита содержится 0,8-3,5 см ³ гелия.
Когда была установлена генетическая связь гелия с радиоактивными веществами, присутствие его в содержащих и минералах стало понятным: гелий должен был постоянно образовываться в результате радиоактивного распада. Это обстоятельство показалось очень перспективным для определения абсолютного возраста горных пород. Но о проблемах геохронологии мы будем более подробно говорить в главе VII. Зесь же нас интересует другое: колебания содержания гелия в минералах были столь велики и, как оказалось, далеко не всегда пропорциональны возрасту минералов, что определяемый с помощью гелия возраст оказывался в десятки и даже в сотни раз заниженным или завышенным. не были самым надежным хранилищем гелия.
Но, пожалуй, самым интересным было , что наряду с минералами, содержащими гелий, накопившийся в результате радиоактивного распада, нашлись и такие, где радиоактивный распад не происходил или же концентрация радиоактивных веществ была ничтожной, но гелий наблюдался в повышенном количестве. Впервые с этим явлением столкнулся в 1903 году английский ученый Р. Стретт, который систематически исследовал очень многие минералы на предмет содержания в них гелия. Особенно богаты гелием оказались бериллы. Но обнаруженный в них гелий никак не связывался с радиоактивностью элементов, входящих в их состав. Содержание гелия в бериллах из различных месторождений колебалось, но Р. Стретт установил, что, чем древнее минерал, тем больше в нем гелия. Возраст таких минералов, определенный по гелиевому методу, достигал десятков миллиардов лет и значительно превышал возраст самой Земли.
Объяснение этому явлению дал в 40-х годах текущего столетия советский ученый Э. К. Герлинг, который в результате специально поставленных экспериментов показал, что в расплавленных породах гелия, заметно возрастает. Таким образом, избыточный гелий, очевидно, не имеет никакого отношения к собственной радиоактивности минерала. Он попал в эти минералы еще в время, когда на поверхности Земли господствовали достаточно высокие температуры и многие породы находились в расплавленном состоянии. Минералы, содержащие избыточный гелий, очевидно, представляют интерес не для определения возраста горных пород, а для получения сведений о тепловой истории Земли.
Долгое время, во всяком случае до первой мировой войны, минералы служили единственным источником свободного гелия. При нагревании минералов до 1000 °С можно было заставить их расстаться с гелием, попавшим в поровое пространство. Однако таким способом удалось получить незначительное количество гелия: его хватило лишь для научных исследований.
Кстати, именно таким путем добыл гелий для своих ставших классическими опытов по обращению гелия в жидкое состояние голландский ученый X. Камерлинг-Оннес.
«Пузыри Земли»
«Земля, как и , содержит газы, и это были пузыри Земли». Эти слова вложил В. Шекспир в уста одного из своих героев.
Природные газы, как их понимает современная наука,- это часть естественного природного , находящегося в газообразном состоянии. В понятие «природные газы» атмосфера не входит. Природные газы - это сравнительно небольшие объемы газа, спрятанного в порах горных пород. Размеры пор и пустот в недрах могут колебаться в широчайших пределах: от долей микрометра до сотен кубических метров. В природных газах немало компонентов: и двуокись углерода, широчайшая гамма углеводородов, начиная от метана и кончая более сложными соединениями, и и, как правило, гелий с аргоном.
Поскольку гелий генетически связан с радиоактивными элементами, которые рассеяны в земной коре, то и он, как правило, образуется всюду. Частично, как мы уже знаем, накапливается в минералах, а частично растворяется в том веществе, которое его окружает: в первую очередь в воде, а также в природных газах и в нефти. Вместе с природными газами, нефтью, под-. земными водами гелий мигрирует по трещинам и порам, которыми изобилуют горные породы, и, как сказала известный советский геолог В. П. Якуцени, «создает там некоторый, пусть небольшой, но заметный фон собственного присутствия».
На отдельных участках содержание гелия может быть даже весьма -большим. Из всех компонентов максимально обогащенными гелием оказываются именно природные газы. Рекордсменом в этом отношении стал горячийfисточник в Танзании, где содержание гелия в газах, растворенных в водах, достигло 17,7 %.
Исследование-«ископаемого гелия» началось еще в конце прошлого века: впервые его обнаружили в вулканических газах Италии, затем в, гейзерах Исландии. Постепенно выяснилось, что в том или ином количестве он наряду с другими благородными газами Присутствует в природных газах различного происхождения: вулканического (сопровождающих извержение вулканов и являющихся результатом химических реакций, протекающих при высоких температурах), тектонического (такие газовые струи возникают там, где имеются нарушения залегания горных пород; выводящими путями для них служат тектонические трещины) и, наконец, осадочного. Нашли гелий и в составе рудничных газов.
Конечно, степень насыщенности естественных газов гелием зависит от многих факторов, в частности от интенсивности поступающего гелия из окружающих пород. Но ни , ни нефть по степени накопления гелия не могут конкурировать с природными газами И с практической точки зрения, как потенциальный источник гелия, наибольший интерес представляют именно «пузыри Земли», т. е. газовые месторождения
Гелий-3 на Земле
Если радиоактивным изотопам гелия из-за кратковременности их существования так и не удалось покинуть лабораторию и сыграть сколько-нибудь значительную роль в эволюции , то поиски второго после гелия-4 стабильного изотопа - гелия-3 - представляют определенный интерес. Здесь ученым пришлось столкнуться с очередной загадкой гелия: легкий изотоп встречался в земном веществе в сотни тысяч, миллионы и даже миллиарды раз реже, чем гелий-4.
На изотопное отношение природного гелия обратили внимание еще в 1939 году, после открытия изотопа гелия с массовым числом 3. Первые оценки содержания гелия-3 в атмосфере и некоторых природных газах, сделанные Л. Альваресом и Р. Корногом, показали, что его в 10 ⁶ - 10 ⁸ раз меньше, чем гелия-4. То, что этот изотоп не был обнаружен в свое время Ф. Астоном, казалось неудивительным: чтобы определить присутствие таких малых количеств изотопа гелия-3, нужна была более чувствительная аппаратура.
Самым же странным было не крайне низкое содержание гелия-3, изотопа стабильного в земном веществе, а необычайные вариации изотопного отношения гелия.
«В природе нет другого элемента, изотопное отношение которого менялось бы в столь широких пределах (отношение 3Не/4Не меняется более, чем на девять порядков)»,- писал в 1956 году известный советский
физик В. В. Чердынцев.
Исследование изотопного отношения гелия в природе знаменовало собой начало второго гелиевого века. Оказалось, что в различных местах земного шара оно различно. Наиболее высокая концентрация гелия-3 характерна для вулканических газов, где отношение ³ Не/ ⁴ Не примерно в 10 раз превышает атмосферное. Меньше всего гелия-3 обнаружили в радиоактивных минералах, где отношение 3Не/4Не приблизительно равно 10 ⁻ ¹⁰ . Это становится понятным, если учесть, что радиоактивные минералы содержат до 10 % урана и тория, при альфа-распаде которых постоянно пополняются запасы только тяжелого изотопа гелия. А вот литиевые минералы оказались в десятки и сотни тысяч раз более богатыми гелием-3, чем урановые и ториевые.
Обращало на себя внимание и такое обстоятельство: чем с больших глубин брались пробы газа, тем более высоким оказывалось и изотопное отношение гелия. Для вулканических и природных газов осадочной толщи оно различалось в сотни тысяч раз.
Возникал вопрос: имеет ли какое-либо отношение распространенность гелия-3 к проблеме происхождения гелия на Земле? Для ответа на вопрос необходимо обратиться к внеземным объектам. Оказалось, что практически во всех объектах внеземного происхождения: метеоритах и образцах лунного грунта, космическом излучении и солнечном ветре - присутствуют стабильные гелия. В 1952 году Ф. Панет исследовал изотопное отношение гелия в железных метеоритах. Он нашел, что хотя гелий и составляет миллионные доли метеоритов, но изотопное отношение его достигает рекордного по сравнению с веществом Земли значения: 0,315. Предполагали, что легкий изотоп гелия образуется в метеоритах в результате ядерных реакций, протекающих под действием космического излучения. Подсчитано, что за один год в 1 г вещества железных метеоритов может обра-зовываться 5·10 ⁻ ¹⁴ см ³ гелия. А возраст метеоритов составляет 10 ⁸ - 10 ⁹ лет, и все это время они подвергаются «обстрелу» космическим излучением.
В каменных метеоритах изотопное отношение ге-лия в десятки раз ниже, чем в железных. Такое обеднение легким изотопом гелия объясняют, как и в случае радиоактивных минералов Земли, тем, что доля радиогенного гелия, возникшего в этих телах в результате альфа-распада, выше, чем в железных метеоритах из-за более высокого содержания в них радио-активных элементов. Кстати, такое обогащение гелием-3 справедливо только для поверхностных областей метеоритов, куда могло проникнуть космическое излучение. Во внутренних же областях метеоритов изотопное отношение гелия оказывается удивительно постоянным: 3·10 ⁻ ⁴ , т. е. на 10000 ядер гелия приходится три его легких изотопа.
Впервые такие данные получили в 1955 году советские ученые Э. К. Герлинг и Л. К. Левский, изучавшие состав метеорита Старое Песьяное. Они пред-, положили, что в веществе метеоритов сохранился так называемый первичный, солнечный, гелий, отражающий состав того вещества, из которого метеориты некогда образовались. Гипотеза о сохранении первичного гелия получила подтверждение, когда в руки исследователей попали образцы лунного грунта, доставленные советскими космическими станциями «Луна-16», «Луна-17» и американской экспедицией «Аполлон-14». В лунных породах изотопное отношение гелия было гораздо выше, чем для любого образца земного вещества: 10 ⁻ ² -10 ⁻ ⁴ .
Гелий-3 в космосе
Однако в природе есть еще один объект (если его можно назвать объектом), богатый гелием-3. Это - космическое излучение. Несмотря на исчисляемый миллионами лет возраст, это излучение - не первое (относительно начала расширения) поколение вещества Вселенной. Согласно современным представлениям галактическое космическое излучение образуется во время взрывов сверхновых звезд, когда высокие температуры и огромная концентрация нейтронов делают за короткое время осуществимыми реакции присоединения нейтронов. И это приводит к возникновению практически всех мыслимых изотопов атомных ядер. В космическом излучении, как и во Вселенной в целом, гелий занимает второе место после водорода: 85 % водорода, 14 % гелия и 1 % ядер.
Относительно изотопного состава космического излучения долго сведений не было. Дело в том, что основным детектором, позволяющим судить о зарядах частиц, входящих в состав космического излучения,
долгое время служила ядерная фотоэмульсия, с помощью которой можно было провести достаточно надежную идентификацию частиц в зависимости от зарядов, но не от масс частиц. Гелий-3 и гелий-4, попавшие в фотоэмульсию, практически неразличимы, как и гелий-6 и гелий-8. Но радиоактивные гелия можно идентифицировать по их распадам, как это, в частности, было сделано в опытах О. В. Ложкина и А. А. Римского-Корсакова.
Было установлено, что изотопное отношение гелия в космическом излучении достаточно высоко. При энергии 8 - 350 МэВ/нуклон одно ядро гелия-3 можно встретить среди десяти ядер гелия-4. А в составе очень быстрой, галактической, части космического излучения гелий-3 может встретиться даже чаще, чем основной изотоп.
В околосолнечном пространстве есть еще один источник корпускулярного, т. е. состоящего из частиц, излучения. Это - солнечный ветер, представляющий собой поток нейтральной плазмы из положительно заряженных частиц [в основном легких ядер: протонов, дейтронов, тритонов (ядер трития), гелия-3 и гелия-4 и электронов. Солнечный ветер отражает состав внешних оболочек Солнца. Интересующее нас изотопное отношение ³ Не/ ⁴ Не в солнечном ветре составляет (З ÷ 4)·10 ⁻ ⁴ .
Солнечный ветер «дует» в нашей Солнечной системе постоянно. Но энергия и интенсивность входящих в его состав частиц невелики, во всяком случае поверхности Земли солнечный ветер достигнуть не может; атмосфера и магнитное поле нашей планеты полностью гасят его «порывы». Что же касается безатмосферных планет земной группы (Луны, Меркурия), к тому же лишенных магнитного поля, отклоняющего заряженные частицы, то их поверхности находятся под непрерывным «обстрелом» солнечными частицами. И это не может не сказаться на изотопном составе. Поэтому неудивительно, что в пробах лунного грунта изотопное отношение гелия было таким же, что и для солнечного ветра.
Однако время от времени астрономы наблюдают явления, которые называют солнечными вспышками. При помощи специальной аппаратуры, установленной на космических аппаратах, удалось выяснить, что многие вспышки аномально богаты гелием-3, именно гелием-3, который по содержанию в несколько раз превышал гелкй-4, а нередко был сравним с потоками водорода. Наиболее вероятное объяснение этих фактов связывается с ядерными реакциями, протекающими на поверхности Солнца, хотя, очевидно, имеется и некоторая связь между содержанием гелия-3 в солнечных недрах и энергетикой Солнца. Именно ядерные реакции объясняют и обогащение поверхностных областей метеоритов и космического излучения гелием-3.
В 40-50-х годах многими физиками, изучавшими взаимодействие достаточно энергичных частиц (протонов, мезонов, нейтронов, легких ядер как космического происхождения, так и искусственно ускоренных) с атомными ядрами, наблюдалось рождение новых ядер из ядерного вещества. Физики назвали этот процесс фрагментацией. Оказалось, что при расщеплении атомных ядер частицами высоких энергий могут образовываться практически все легких ядер какие только могут быть в природе. Выяснилось что этот процесс играет не последнюю роль и в эволюции Вселенной.
Именно фрагментацией можно объяснить богатые гелием-3 солнечные вспышки. Осколки ядер рожденных из атомных ядер, в которые попали частицы космического излучения, меняют химический со-став метеоритов. И даже состав космического излучения при его длительном путешествии через межзвёздную среду в известной степени определяется фрагментацией. В ядерных реакциях, протекающей под действием протонов, пи-мезонов, дейтронов и других частиц высокой энергии, доля гелия-3 (по отношению к гелию-4) может достигать в среднем 40 %, причем в высокоэнергетической части спектра отношение гелия-3 к гелию-4 приблизительно равно 3. Таким образом, неудивительно, что в тех космических объектах, где в течение.длительного времени происходили ядерные превращения, должно накопиться гораздо больше гелия-3, чем осталось от первых, начальных, мгновений Вселенной. И поскольку содержание гелия-3 и гелия-4 постоянно меняется, возникает вопрос: сохранилось ли первозданное изотопное отношение гелия и если сохранилось, то где его искать?
Всем нам известен гелий – очень легкий газ, благодаря которому воздушные шары и дирижабли поднимаются в воздух. Гелий обладает очень важным преимуществом в отношении безопасности – он не горит и не взрывается подобно водороду. Этот газ также является неотъемлемой частью воздушных смесей для использования в дыхании глубоководными ныряльщиками - в отличие от азота он почти не растворяется в крови или липидах (жировые компоненты) даже в условиях очень высокого давления.
Гелий помогает обходиться без азотного наркоза , при котором нервная система (на 60% состоящая из липидов) пропитывается азотом, в результате чего ныряльщики чувствуют себя так, как будто они выпили одну порцию мартини на глубине 30 метров. Этот газ также помогает избежать появления декомпрессионной болезни или как еще называют кессонной болезни. Это болезненное и опасное состояние, при котором в крови, нервной системе, суставах и под кожей ныряльщика образуются азотные пузырьки, когда давление падает слишком быстро по мере того, как ныряльщик поднимается на поверхность. Смесь из гелия и кислорода (называемая гелиокс) делает голос очень писклявым - это происходит благодаря тому, что через гелий звук проходит намного быстрее, чем через воздух, и именно благодаря такому свойству гелия это забава является любимой шуткой во время праздников, когда гелием надуваются шарики.
Гелий является вторым по легкости химическим элементом, который обладает многими удивительными свойствами . Свое название этот газ получил благодаря тому, что впервые он был обнаружен в световом изображении на солнце (на греческом языке гелиос) до того, как он был обнаружен на Земле. Все газы при достаточном охлаждении конденсируются в жидкое состояние, а гелий среди всех известных веществ имеет самый низкую температуру конденсации (–269°C или –452°F). В отличие от других химических элементов, гелий никогда не замерзает, независимо от того, насколько сильно он охлажден, кроме как в условиях очень высокого давления. Кроме того, жидкая форма гелия, охлажденная до температуры ниже –271°C (–456°F) образует уникальную фазу, которая называется супержидкость – эта супержидкость течет просто идеально, без какого-либо сопротивления (вязкости).
Считается, что гелий на солнце образовался путем ядерного синтеза . Это процесс, при котором ядра водорода, самого легкого элемента, соединяются для образования гелия и при этом высвобождается огромное количество энергии.
На Земле этот газ образуется в основном в результате радиоактивного альфа (a)-распада. Известный новозеландский физик Эрнест Рутерфорд (1871–1937) впервые обнаружил, что альфа-частицы в действительности представляют собой ядра атомов гелия. Именно так образуют гелий радиоактивные элементы, содержащиеся в горной породе, как например, уран или торий, а из них он попадает в воздух.
Ученые могут определить, насколько быстро образуется гелий, как быстро он выходит из горной породы и какое его количество попадает в воздух, а также как много гелия может теряется из воздуха в космос. Они также могут измерить количество гелия в горной породе и в воздухе. На основании этого ученые могут подсчитать максимальный возраст пород и воздуха. Полученные результаты озадачивают тех, кто верит в миллиарды лет. Конечно, все подобные подсчеты основываются на предложениях относительно прошлого, как например предположения относительно начальных условий и постоянных коэффициентов разных процессов. Они никогда не смогут доказать возраст чего-либо. Для этого нужен очевидец, который видел все своими глазами (смотрите Иов 38:4 ).
Гелий в атмосфере
Воздух в основном состоит из азота (78.1%) и кислорода (20.1%). Количество гелия в нем очень мало (0.0005%). Но все равно это очень много гелия, а именно 3.71 миллиардов тонн. Однако, поскольку каждую секунду из коры земли в атмосферу попадает 67 грамм гелия, то для накопления существующего сегодня в атмосфере гелия потребовалось бы около двух миллионов лет , даже если в самом начале его совсем не было.
Эволюционисты верят в то, что наша земля в 2500 раза старше, то есть ей 4.5 миллиарда лет . Конечно же, земля могла быть сотворена с большей частью наблюдаемого гелия, так что два миллиона лет – это максимальный возраст . (Этот возраст мог бы быть намного меньше, как например, 6000 лет.)
Кроме того, следует отметить, что в прошлом образование гелия происходило бы быстрее, чем в настоящем, так как распадались радиоактивные источники. Это еще больше уменьшало бы возрастные рамки Земли.
Единственный способ устранить эту проблему - это предположить, что гелий просто вытекает в космос. Но чтобы это происходило, атомы гелия должны перемещаться достаточно быстро для того, чтобы избегать притяжения Земли (то есть, со скоростью выше скорости убегания ). Столкновения между атомами замедляют их движение, но над уровнем критической высоты (экзобаза ), составляющей примерно 500 километров над землей, столкновения происходят очень редко. Атомы, которые пересекают эту высоту имеют шанс на то, чтобы убежать, если они перемещаются достаточно быстро - по меньшей мере, 10.75 километров в секунду. Обратите внимание, что хотя гелий в шарике будет плыть, в открытом состоянии он просто равномерно смешается со всеми другими газами, что свойственно для всех нормальных газов.
Среднюю скорость атомов можно подсчитать, если знать температуру, поскольку она имеет прямое отношение к средней энергии атомов или молекул. Известный физик (и креационист) Джеймс Клерк Максвелл подсчитал, сколько атомов газа (или молекул) имели бы заданную скорость при любой температуре и массе. Таким образом мы можем вычислить, сколько атомов пересекло бы довольно быстро экзобазу для того, чтобы выбежать в космос.
Экзобаза очень горячая. Но даже если допустить температуру 1500 K (1227°C или 2241°F), которая выше средней температуры, наиболее распространенная скорость атомов гелия составляет всего лишь 2.5 километров в секунду (5625 м/ч), или меньше чем четвертая часть скорости вытекания. Лишь немногие атомы передвигаются быстрее, чем со средней скоростью, и все равно количество гелия, который вытекает в космическое пространство равно примерно 1/40 количества гелия , которое входит в атмосферу. Другие механизмы вытекания также не способны объяснить небольшое количество гелия в воздухе, которое равно примерно 1/2000 того количества, которое должно было бы содержаться в воздухе после предполагаемых миллиардов лет.
Это нерешенная проблема для атмосферного физика, верующего в долгие эпохи истории земли, К.Г. Уокера, который сказал следующее: «…что касается уровня гелия в атмосфере, то здесь мы сталкиваемся с проблемой» . Другой специалист, Д.У. Чемберлейн, также сказал, что эта проблема относительно накопления гелия «… не уйдет сама по себе, и так и останется нерешенной» .
Эволюционное общество отчаянно пытается найти другие объяснения этому недостаточному количеству гелия, но ни одно из них не является подходящим. Простое решение проблемы можно найти, если принять то, что земле совсем не настолько много лет, как считают эволюционисты! Креационист, ученый Лэрри Вардиман , изучавшый атмосферу, более глубоко изучал этот вопрос и написал более детальное исследование этого вопроса.
Гелий в горных породах
Как мы уже сказали, большинство гелия на земле образовывается в результате радиоактивного распада в горных пород. Маленькие атомы гелиевого газа без проблем вытекают из пород в атмосферу.
Мы также говорили выше о том, что скорость попадания гелия в атмосферу установлена. Но мы также можем измерить скорость, при которой гелий вытекает из пород. Этот процесс происходит быстрее в более горячих породах, и чем глубже опускаться в недра земли, тем горячее становятся породы.
Физик-креационист Роберт Джентри занимался исследованием глубоко залегающего гранита, как возможного пути безопасного хранения опасных радиоактивных отходов атомных электростанций. Безопасное хранение требует того, чтобы элементы не проходили через породу слишком быстро.
Гранит содержит минеральные кристаллы, называемые цирконами (силикат циркония, ZrSiO 4), которые часто содержат радиоактивные элементы. Значит, они должны образовывать гелий, который должен вытекать в атмосферу.
Но Джентри обнаружил, что даже залегающие глубоко горячие цирконы (197°C или 387°F) содержали слишком много гелия - то есть, если бы у них были миллиарды лет для вытекания.
Однако, если в действительности прошло всего лишь несколько тысяч лет, за которые этот гелий попадал в атмосферу, то нет ничего удивительного в том, что там осталось так много гелия.
[Новости за октябрь, 2002: смотрите данные об ускоренном ядерном распаде в статье Ядерный распад: свидетельство молодости мира , написанную креационистом, ядерным физиком Доктором Расселом Хамфрис .]
Заключение
Количество гелия в воздухе и в горных породах совершенно не согласуется с идеей о том, что нашей земле миллиарды лет, как утверждают эволюционисты и прогрессивные креационисты. Такое количество гелия скорее является научным доказательством небольшого возраста, о чем ясно и понятно говорится в книге Бытие .
Гелий — практически инертный химический элемент. Простое вещество гелий — нетоксично, не имеет цвета, запаха и вкуса. При нормальных условиях представляет собой одноатомный газ. Его точка кипения наименьшая среди всех простых веществ; твёрдый гелий получен лишь при давлениях выше 25 атмосфер — при атмосферном давлении он не переходит в твёрдую фазу даже при крайне близких к абсолютному нулю температурах. Экстремальные условия также необходимы для создания немногочисленных химических соединений гелия, все они нестабильны при нормальных условиях. Название этого элемента происходит от греч. ἥλιος — «Солнце». Любопытен тот факт, что в названии элемента было использовано характерное для металлов окончание «-ий» (по лат. «-um» — «Helium»), так как Локьер предполагал, что открытый им элемент является металлом. По аналогии с другими благородными газами логично было бы дать ему имя «гелион» («Helion»). В современной науке название «гелион» закрепилось за ядром лёгкого изотопа гелия — гелия-3.
По легкости этот газ уступает только водороду, воздух в 7,25 раза тяжелее гелия.
Гелий почти нерастворим в воде и других жидкостях. И точно так же в жидком гелии заметно не растворяется ни одно вещество.
Твердый гелий нельзя получить ни при каких температурах, если не повышать давление.
В истории открытия, исследования и применения этого элемента встречаются имена многих крупных физиков и химиков разных стран. Гелием интересовались, с гелием работали: Жансен (Франция), Локьер, Крукс, (Англия), Пальмиери (Италия), Кеезом, (Голландия), (США), Кикоин, (Советский Союз) и многие другие крупные ученые.
Неповторимость облика атома гелия определяется сочетанием в нем двух удивительных природных конструкций - абсолютных чемпионов по компактности и прочности. В ядре гелия, гелия-4, насыщены обе внутриядерные оболочки - и протонная, и нейтронная. Электронный дублет, обрамляющий это ядро, тоже насыщенный. В этих конструкциях - ключ к пониманию свойств гелия. Отсюда проистекают и его феноменальная химическая инертность и рекордно малые размеры его атома.
Огромна роль ядра атома гелия - альфа частицы в истории становления и развития ядерной физики. Если помните, именно изучение рассеяния альфа частиц привело Резерфорда к открытию атомного ядра. При бомбардировке азота альфа частицами было впервые осуществлено взаимопревращение элементов - то, о чем веками мечтали многие поколения алхимиков. Правда, в этой реакции не ртуть превратилась в , а азот в кислород, но это сделать почти так же трудно. Те же альфа частицы оказались причастны к открытию нейтрона и получению первого искусственного изотопа. Позже с помощью альфа частиц были синтезированы кюрий, берклий, калифорний, менделевий.
Мы перечислили эти факты лишь с одной целью - показать, что элемент №2 - элемент весьма необычный.
Земной гелий
Гелий - элемент необычный, и история его необычна. Он был открыт в атмосфере Солнца на 13 лет раньше, чем на Земле. Точнее говоря, в спектре солнечной короны была открыта ярко-желтая линия D, а что за ней скрывалось, стало достоверно известно лишь после того, как гелий извлекли из земных минералов, содержащих радиоактивные элементы.
Гелий на Солнце открыли француз Ж. Жансен, проводивший свои наблюдения в Индии 19 августа 1868 г., и англичанин Дж.H. Локьер - 20 октября того же года. Письма обоих ученых пришли в Париж в один день и были зачитаны на заседании Парижской Академии наук 26 октября с интервалом в несколько минут. Академики, пораженные столь странным совпадением, приняли постановление выбить в честь этого события золотую медаль.
В 1881 г. об открытии гелия в вулканических газах сообщил итальянский ученый Пальмиери. Однако его сообщение, впоследствии подтвержденное, мало кто из ученых принял всерьез. Вторично земной гелий был открыт в 1895 г.
В земной коре насчитывается 29 изотопов, при радиоактивном распаде которых образуются альфа частицы - высокоактивные, обладающие большой энергией ядра атомов гелия.
В основном земной гелий образуется при радиоактивном распаде урана-238, урана-235, тория и нестабильных продуктов их распада. Несравнимо меньшие количества гелия дает медленный распад самария-147 и висмута. Все эти элементы порождают только тяжелый изотоп гелия - 4 Не, чьи атомы можно рассматривать как останки альфа частиц, захороненные в оболочке из двух спаренных электронов - в электронном дублете. В ранние геологические периоды, вероятно, существовали и другие, уже исчезнувшие с лица Земли естественно радиоактивные ряды элементов, насыщавшие планету гелием. Одним из них был ныне искусственно воссозданный нептуниевый ряд.
По количеству гелия, замкнутого в горной породе или минерале, можно судить об их абсолютном возрасте. В основе этих измерений лежат законы радиоактивного распада: так, половина урана-238 за 4,52 млрд лет превращается в гелий и свинец.
Гелий в земной коре накапливается медленно. Одна тонна гранита, содержащая 2 г урана и 10 г тория, за миллион лет продуцирует всего 0,09 мг гелия - половину кубического сантиметра. В очень немногих богатых ураном и торием минералах содержание гелия довольно велико - несколько кубических сантиметров гелия на грамм. Однако доля этих минералов в естественном производстве гелия близка к нулю, так как они очень редки.
Природные соединения, в составе которых есть альфа активные изотопы, - это только первоисточник, но не сырье для промышленного получения гелия. Правда, некоторые минералы, обладающие плотной структурой - самородные металлы, магнетит, гранат, апатит, циркон и другие, - прочно удерживают заключенный в них гелий. Однако большинство минералов с течением времени подвергаются процессам выветривания, перекристаллизации и т.д., и гелий из них уходит.
Высвободившиеся из кристаллических структур гелиевые пузырьки отправляются в путешествие по земной коре. Очень незначительная часть их растворяется в подземных водах. Для образования более или менее концентрированных растворов гелия нужны особые условия, прежде всего большие давления. Другая часть кочующего гелия через поры и трещины минералов выходит в атмосферу. Остальные молекулы газа попадают в подземные ловушки, в которых скапливаются в течение десятков, сотен миллионов лет. Ловушками служат пласты рыхлых пород, пустоты которых заполняются газом. Ложем для таких газовых коллекторов обычно служат вода и нефть, а сверху их перекрывают газонепроницаемые толщи плотных пород.
Так как в земной коре странствуют и другие газы (главным образом метан, азот, углекислота), и притом в гораздо больших количествах, то чисто гелиевых скоплений не существует. Гелий в природных газах присутствует как незначительная примесь. Содержание его не превышает тысячных, сотых, редко - десятых долей процента. Большая (1,5...10%) гелиеносность метано-азотных месторождений - явление крайне редкое.
Природные газы оказались практически единственным источником сырья для промышленного получения гелия. Для отделения от прочих газов используют исключительную летучесть гелия, связанную с его низкой температурой сжижения. После того как все прочие компоненты природного газа сконденсируются при глубоком охлаждении, газообразный гелий откачивают. Затем его очищают от примесей. Чистота заводского гелия достигает 99,995%.
Запасы гелия на Земле оцениваются в 5·10 14 м 3 ; судя же по вычислениям, его образовалось в земной коре за 4 млрд лет в десятки раз больше. Такое расхождение теории с практикой вполне объяснимо. Гелий - легкий газ и, подобно водороду (хотя и медленнее), он улетучивается из атмосферы в мировое пространство. Вероятно, за время существования Земли гелий нашей планеты неоднократно обновлялся - старый улетучивался в космос, а вместо него в атмосферу поступал свежий - «выдыхаемый» Землей.
В литосфере гелия по меньшей мере в 200 тыс. раз больше, чем в атмосфере; еще больше потенциального гелия хранится в «утробе» Земли - в альфа активных элементах. Но общее содержание этого элемента в Земле и атмосфере невелико. Гелий - редкий и рассеянный газ. На 1 кг земного материала приходится всего 0,003 мг гелия, а содержание его в воздухе - 0,00052 объемного процента. Столь малая концентрация не позволяет пока экономично извлекать гелий из воздуха.
Гелий во Вселенной
Недра и атмосфера нашей планеты бедны гелием. Но это не значит, что его мало повсюду во Вселенной. По современным подсчетам 76% космической массы приходится на водород и 23% на гелий; на все прочие элементы остается только 1%! Таким образом, мировую материю можно назвать водородно-гелиевой. Эти два элемента главенствуют в звездах, планетарных туманностях и межзвездном газе.
Рис. 1.
«Космическая» кривая отражает исключительную роль водорода и гелия в мироздании и особое значение гелиевой группировки в строении атомного ядра. Наибольшую относительную распространенность имеют те элементы и те их изотопы, массовое число которых делится на четыре: 16 О, 20 Ne, 24 Mg и т.д.
Вероятно, все планеты солнечной системы содержат радиогенный (образовавшийся при альфа распаде) гелий, а крупные - и реликтовый гелий из космоса. Гелий обильно представлен в атмосфере Юпитера: по одним данным его там 33%, по другим - 17%. Это открытие легло в основу сюжета одного из рассказов известного ученого и писателя-фантаста А. Азимова. В центре повествования - план (возможно, осуществимый в будущем) доставки гелия с Юпитера, а то и заброски на ближайший спутник этой планеты - Юпитер V - армады кибернетических машин на криотронах (о них - ниже). Погрузившись в жидкий гелий атмосферы Юпитера (сверхнизкие температуры и сверхпроводимость - необходимые условия для работы криотронов), эти машины превратят Юпитер V в мозговой центр Солнечной системы...
Происхождение звездного гелия было объяснено в 1938 г. немецкими физиками и Вейцзекером. Позже их теория получила экспериментальное подтверждение и уточнение с помощью ускорителей элементарных частиц. Суть ее в следующем.
Ядра гелия синтезируются при звездных температурах из протонов в результате термоядерных процессов, высвобождающих 175 млн киловатт-часов энергии на каждый килограмм гелия.
Разные циклы реакций могут привести к синтезу гелия.
В условиях не очень горячих звезд, таких, как наше Солнце, преобладает, по-видимому, протонно-протонный цикл. Он складывается из трех последовательно сменяющихся превращений. Вначале соединяются на огромных скоростях два протона с образованием дейтрона - конструкции из протона и нейтрона; при этом отделяются позитрон и нейтрино. Далее соединяются дейтрон с протоном в легкий гелий с испусканием гамма кванта. Наконец, реагируют два ядра 3 Не, преобразуясь в альфа частицу и два протона. Альфа-частица, обзаведясь двумя электронами, станет потом атомом гелия.
Тот же конечный результат дает более быстрый углеродно-азотный цикл, значение которого в условиях Солнца не очень велико, но на более горячих, чем Солнце, звездах роль этого цикла усиливается. Он складывается из шести ступеней - реакций. Углерод играет здесь роль катализатора процесса слияния протонов. Энергия, выделяемая в ходе этих превращений, такая же, как и при протонно-протонном цикле - 26,7 МэВ на один атом гелия.
Реакция синтеза гелия - основа энергетической деятельности звезд, их свечения. Следовательно, синтез гелия можно считать праотцом всех реакций в природе, первопричиной жизни, света, тепла и метеорологических явлений на Земле.
Гелий не всегда бывает конечным продуктом звездных синтезов. По теории профессора Д.А. Франк-Каменецкого, при последовательном слиянии ядер гелия образуются 3 Be, 12 C, 16 O, 20 Ne, 24 Mg, а захват этими ядрами протонов приводит к возникновению других ядер. Для синтеза ядер тяжелых элементов вплоть до трансурановых требуются исключительные сверхвысокие температуры, которые развиваются на неустойчивых «новых» и «сверхновых» звездах.
Известный советский химик А.Ф. Капустинский называл водород и гелий протоэлементами - элементами первичной материи. Не в этой ли первичности скрыто объяснение особого положения водорода и гелия в периодической системе элементов, в частности того факта, что первый период по существу лишен периодичности, характерной для прочих периодов?
Самый, самый...
Атом гелия (он же молекула) - прочнейшая из молекулярных конструкций. Орбиты двух его электронов совершенно одинаковы и проходят предельно близко от ядра. Чтобы оголить ядро гелия, нужно затратить рекордно большую энергию - 78,61 МэВ. Отсюда - феноменальная химическая пассивность гелия.
Гелий уже давно потерял репутацию химически инертного элемента. К настоящему времени известно много как стабильных, так и метастабильных соединений, включающих гелий. Прежде всего, это молекулярные ионы He 2 (+), He 2 (2+) и HeH(+), образующиеся в высокотемпературной плазме. В возбуждённом состоянии экспериментально наблюдаются как нейтральная молекула He 2 , так и более сложные соединения, например, HHeF, HgHe, CsFHeO и другие. Причина того, что эти соединения неустойчивы и обнаруживаюся только в возбуждённом состоянии, довольно проста. Не - элемент с избытком электронов, поэтому в основном состоянии его соединения имеют заполненные разрыхляющие молекулярные орбитали, что делает химическую связь весьма непрочной. В возбуждённом состоянии часть электронов (или хотя бы один) покидают разрыхляющие орбитали, переходя на верхние связывающие; это приводит к упрочнению хим. связи. Из стабильных соединений гелия можно отметить сравнительно недавно синтезированные эндофуллерены, например, He@C 60 . В этих молекулах He находится внутри "шарообразной" конструкции С 60 .
Молекулы гелия неполярны. Силы межмолекулярного взаимодействия между ними крайне невелики - меньше, чем в любом другом веществе. Отсюда - самые низкие значения критических величин, наинизшая температура кипения, наименьшие теплоты испарения и плавления. Что касается температуры плавления гелия, то при нормальном давлении ее вообще нет. Жидкий гелий при сколь угодно близкой к абсолютному нулю температуре не затвердевает, если, помимо температуры, на него но действует давление в 25 или больше атмосфер. Второго такого вещества в природе нет.
Нет также другого газа, столь ничтожно растворимого в жидкостях, особенно полярных, и так мало склонного к адсорбции, как гелий. Это наилучший среди газов проводник электричества и второй, после , проводник тепла. Его теплоемкость очень велика, а вязкость мала.
Поразительно быстро проникает гелий сквозь тонкие перегородки из некоторых органических полимеров, фарфора, кварцевого и боросиликатного стекла. Любопытно, что сквозь мягкое стекло гелий диффундирует в 100 раз медленнее, чем сквозь боросиликатное. Гелий может проникать и через многие металлы. Полностью непроницаемы для него лишь и металлы платиновой группы, даже раскаленные.
На принципе избирательной проницаемости основан метод извлечения чистого гелия из природного газа.
Исключительный интерес проявляют ученые к жидкому гелию. Во-первых, это самая холодная жидкость, в которой к тому же не растворяется заметно ни одно вещество. Во-вторых, это самая легкая из жидкостей с минимальной величиной поверхностного натяжения.
При температуре 2,172°К происходит скачкообразное изменение свойств жидкого гелия. Образующаяся разновидность условно названа гелием II. Гелий II кипит совсем не так, как прочие жидкости, он не бурлит при кипении, поверхность его остается совершенно спокойной. Гелий II проводит тепло в 300 млн раз лучше, чем обычный жидкий гелий (гелий I). Вязкость гелия II практически равна нулю, она в тысячу раз меньше вязкости жидкого водорода. Поэтому гелий II обладает сверхтекучестью - способностью вытекать без трения через капилляры сколь угодно малого диаметра.
Другой стабильный изотоп гелия 3 Не переходит в сверхтекучее состояние при температуре, отстоящей от абсолютного пуля всего на сотые доли градусов. Сверхтекучие гелий-4 и гелий-3 называют квантовыми жидкостями: в них проявляются квантово-механические эффекты еще до их отвердевания. Этим объясняется весьма детальная изученность жидкого гелия. Да и производят его немало - сотни тысяч литров в год. А вот твердый гелий почти не изучен: велики экспериментальные трудности исследования этого самого холодного тела. Бесспорно, пробел этот будет заполнен, так как физики ждут много нового от познания свойств твердого гелия: ведь он тоже квантовое тело.
Инертный, но очень нужный
В конце прошлого века английский журнал «Панч» поместил карикатуру, на которой гелий был изображен хитро подмигивающим человечком - жителем Солнца. Текст под рисунком гласил: «Наконец-то меня изловили и на Земле! Это длилось достаточно долго! Интересно знать, сколько времени пройдет, пока они догадаются, что делать со мной?»
Действительно, прошло 34 года со дня открытия земного гелия (первое сообщение об этом было опубликовано в 1881 г.), прежде чем он нашел практическое применение. Определенную роль здесь сыграли оригинальные физико-технические, электрические и в меньшей мере химические свойства гелия, потребовавшие длительного изучения. Главными же препятствиями были рассеянность и высокая стоимость элемента №2.
Первыми гелий применили немцы. В 1915 г. они стали наполнять им свои дирижабли, бомбившие Лондон. Вскоре легкий, но негорючий гелий стал незаменимым наполнителем воздухоплавательных аппаратов. Начавшийся в середине 30-х годов упадок дирижаблестроения повлек некоторый спад в производстве гелия, но лишь на короткое время. Этот газ все больше привлекал к себе внимание химиков, металлургов и машиностроителей.
Многие технологические процессы и операции нельзя вести в воздушной среде. Чтобы избежать взаимодействия получаемого вещества (или исходного сырья) с газами воздуха, создают специальные защитные среды; и нет для этих целей более подходящего газа, чем гелий.
Инертный, легкий, подвижный, хорошо проводящий тепло гелий - идеальное средство для передавливания из одной емкости в другую легко воспламеняемых жидкостей и порошков; именно эти функции выполняет он в ракетах и управляемых снарядах. В гелиевой защитной среде проходят отдельные стадии получения ядерного горючего. В контейнерах, заполненных гелием, хранят и транспортируют тепловыделяющие элементы ядерных реакторов.
С помощью особых течеискателей, действие которых основано на исключительной диффузионной способности гелия, выявляют малейшие возможности утечки в атомных реакторах и других системах, находящихся под давлением или вакуумом.
Последние годы ознаменованы повторным подъемом дирижаблестроения, теперь на более высокой научно-технической основе. В ряде стран построены и строятся дирижабли с гелиевым наполнением грузоподъемностью от 100 до 3000 т. Они экономичны, надежны и удобны для транспортировки крупногабаритных грузов, таких, как плети газопроводов, нефтеочистительные установки, опоры линий электропередач и т.п. Наполнение из 85% гелия и 15% водорода огнебезопасно и только на 7% снижает подъемную силу в сравнении с водородным наполнением.
Начали действовать высокотемпературные ядерные реакторы нового типа, в которых теплоносителем служит гелий.
В научных исследованиях и в технике широко применяется жидкий гелий. Сверхнизкие температуры благоприятствуют углубленному познанию вещества и его строения - при более высоких температурах тонкие детали энергетических спектров маскируются тепловым движением атомов.
Уже существуют сверхпроводящие соленоиды из особых сплавов, создающие при температуре жидкого гелия сильные магнитные поля (до 300 тыс. эрстед) при ничтожных затратах энергии.
При температуре жидкого гелия многие металлы и сплавы становятся сверхпроводниками. Сверхпроводниковые реле - криотроны все шире применяются в конструкциях электронно-вычислительных машин. Они просты, надежны, очень компактны. Сверхпроводники, а с ними и жидкий гелий становятся необходимыми для электроники. Они входят в конструкции детекторов инфракрасного излучения, молекулярных усилителей (мазеров), оптических квантовых генераторов (лазеров), приборов для измерения сверхвысоких частот.
Конечно, этими примерами не исчерпывается роль гелия в современной технике. Но если бы не ограниченность природных ресурсов, не крайняя рассеянность гелия, он нашел бы еще множество применений. Известно, например, что при консервировании в среде гелия пищевые продукты сохраняют свой первоначальный вкус и аромат. Но «гелиевые» консервы пока остаются «вещью в себе», потому что гелия не хватает и применяют его лишь в самых важных отраслях промышленности и там, где без него никак не обойтись. Поэтому особенно обидно сознавать, что с горючим природным газом через аппараты химического синтеза, топки и печи проходят и уходят в атмосферу намного большие количества гелия, чем те, что добываются из гелиеносных источников.
Сейчас считается выгодным выделять гелий только в тех случаях, если его содержание в природном газе не меньше 0,05%. Запасы такого газа все время убывают, и не исключено, что они будут исчерпаны уже очень скоро. Однако, проблема «гелиевой недостаточности» к этому времени, вероятно, будет решена - частично за счет создания новых, более совершенных методов разделения газов, извлечения из них наиболее ценных, хотя и незначительных по объему фракций, и частично благодаря управляемому термоядерному синтезу. Гелий станет важным, хотя и побочным, продуктом деятельности «искусственных солнц».
Изотопы гелия
В природе существуют два стабильных изотопа гелия: гелий-3 и гелий-4. Легкий изотоп распространен на Земле в миллион раз меньше, чем тяжелый. Это самый редкий из стабильных изотопов, существующих на нашей планете. Искусственным путем получены еще три изотопа гелия. Все они радиоактивны. Период полураспада гелия-5 - 2,4·10 -21 секунды, гелия-6 - 0,807 секунды, гелия-8 - 0,119 секунды. Самый тяжелый изотоп, интересный тем, что в его ядрах на один протон приходится три нейтрона, впервые подучен в Дубне в 60-х годах. Период полураспада гелия-9 - 7(4)·10 −21 с. Период полураспада гелия-10 - 2,7(18)·10 −21 с.
Последний твердый газ
В жидкое и твердое состояние гелий был переведен самым последним из всех газов. Особые сложности сжижения и отверждения гелия объясняются строением его атома и некоторыми особенностями физических свойств. В частности, гелий, как и водород, при температуре выше - 250°C, расширяясь, не охлаждается, а нагревается. С другой стороны, критическая температура гелия крайне низка. Именно поэтому жидкий гелий впервые удалось получить лишь в 1908, а твердый - в 1926 г.
Гелиевый воздух
Воздух, в котором весь азот или большая его часть заменена гелием, сегодня уже не новость. Его широко используют на земле, под землей и под водой.
Гелиевый воздух втрое легче и намного подвижнее обычного воздуха. Он активнее ведет себя в легких - быстро подводит кислород и быстро эвакуирует углекислый газ. Вот почему гелиевый воздух дают больным при расстройствах дыхания и некоторых операциях. Он снимает удушья, лечит бронхиальную астму и заболевания гортани.
Дыхание гелиевым воздухом практически исключает азотную эмболию (кессонную болезнь), которой при переходе от повышенного давления к нормальному подвержены водолазы и специалисты других профессий, работа которых проходит в условиях повышенного давления. Причина этой болезни - довольно значительная, особенно при повышенном давлении, растворимость азота в крови. По мере уменьшения давления он выделяется в виде газовых пузырьков, которые могут закупорить кровеносные сосуды, повредить нервные узлы... В отличие от азота, гелий практически нерастворим в жидкостях организма, поэтому он не может быть причиной кессонной болезни. К тому же гелиевый воздух исключает возникновение «азотного наркоза», внешне сходного с алкогольным опьянением.
Рано или поздно человечеству придется научиться подолгу жить и работать на морском дне, чтобы всерьез воспользоваться минеральными и пищевыми ресурсами шельфа. А на больших глубинах, как показали опыты советских, французских и американских исследователей, гелиевый воздух пока незаменим. Биологи доказали, что длительное дыхание гелиевым воздухом не вызывает отрицательных сдвигов в человеческом организме и не грозит изменениями в генетическом аппарате: гелиевая атмосфера не влияет на развитие клеток и частоту мутаций. Известны работы, авторы которых считают гелиевый воздух оптимальной воздушной средой для космических кораблей, совершающих длительные полеты во Вселенную. Но пока за пределы земной атмосферы искусственный гелиевый воздух еще не поднимался.
По материалам: images-of-elements.com , n-t.ru
