موضوع مقاله: هلیوم | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # هلیوم | مقدمه: این عنصر، بی‌بو، بی‌رنگ، بی‌مزه، غیرسمّی و از دیدگاه شیمیایی بی‌اثر و تک اتمی است که در جدول تناوبی در بالای گروه گازهای نجیب جا دارد. | ## بخش 1: هلیوم | دمای ذوب و جوش این ماده در میان دیگر عنصرها بسیار پایین است، به‌همین دلیل در دمای اتاق و البته در بیشتر موارد به صورت گازی است مگر اینکه تحت شرایط بسیار ویژه‌ای قرار داشته باشد. زمانی که هنوز هلیوم شناخته نشده بود، ستاره‌شناس فرانسوی ژول ژانسن در جریان خورشیدگرفتگی سال ۱۸۶۸ برای نخستین بار در طیف‌بینی نور خورشید، خط زرد طیفی هلیوم را دید. در جریان همان خورشیدگرفتگی، نورمن لاکیر پیشنهاد کرد این خط زرد می‌تواند به دلیل یک عنصر تازه باشد. دو شیمی‌دان سوئدی با نام‌های پر تئودر کلیو و نیلز آبراهام لانگلت در سال ۱۸۹۵ این عنصر را شناسایی و اعلام کردند. هلیوم، بعد از هیدروژن، هم از نظر سبکی و هم از نظر فراوانی، دومین عنصر کیهان است، گرچه با وجود کاربردهای بسیار مهم و حیاتی که دارد، بر روی زمین بسیار کمیاب است. نزدیک به ۲۴٪ از جرم گیتی، سهم این عنصر است که این مقدار بیش از ۱۲ برابر ترکیب تمام عنصرهای سنگین است. هلیوم به همان صورت که در خورشید و مشتری یافت می‌شود، در جهان پیدا می‌شود و این به دلیل انرژی بستگی (به ازای هر هسته) بسیار بالای هلیوم-۴ نسبت به سه عنصر دیگر پس از آن، در جدول تناوبی است. بیشتر هلیوم موجود در کیهان، هلیوم-۴ است و گمان می‌رود که در جریان مه‌بانگ پدید آمده باشد. امروزه با کمک واکنش‌های همجوشی هسته‌ای در ستاره‌ها، گونه‌های تازه‌ای از هلیوم ساخته شده است. هلیوم در هواکُرهٔ زمین بسیار کمیاب است و بیشتر هلیومی که در خاک زمین پیدا می‌شود، در اثر واپاشی هسته‌ای طبیعی در عنصرهای سنگین پرتوزا مانند اورانیوم و توریوم پدید آمده است؛ به این ترتیب که در اثر واپاشی، ذره‌های بتا از عنصر تابیده شده و هستهٔ هلیوم-۴ به‌دست آمده است. هلیومِ به‌دست آمده از واپاشی، به‌آسانی به صورت فشرده با درصدی نزدیک به ۷٪ حجمی، در دام گاز طبیعی گرفتار می‌شود. سپس می‌توان با روش‌های صنعتی و به صورت تجاری با کاهش دمای آمیختهٔ هلیوم و گاز طبیعی، آن را از دیگر گازها به روش تقطیر جزء به جزء جدا ساخت. هلیوم در بسیاری از صنایع در سطح جهانی استفاده می‌شود و استفاده از آن در همه زمینه‌های تحقیقات علمی و محیط‌های تجاری، از جمله داروسازی، پزشکی، جوشکاری، علوم رایانه، اکتشافات فضایی وجود دارد. یکی از کاربردهای مهم هلیوم در سرماشناسی است و نزدیک به یک-چهارم هلیوم تولیدی در این زمینه بکار می‌رود. در مواردی که دمای زیر ۲۶۱٫۱- درجه سانتیگراد (۴۲۹- درجه فارنهایت) مورد نیاز باشد هیچ جایگزینی برای آن وجود ندارد. قدرت خنک‌کنندگی هلیوم مایع به این معنی است که این عنصر یک عنصر حیاتی و غیرقابل تعویض در بسیاری از اجزای مهم و مدرن است. عمده‌ترین مصرف‌کنندگان صنعتی جهانی هلیوم مایع، صنایع پزشکی، هوافضا و الکترونیک هستند. صنعت پزشکی بزرگ‌ترین مصرف‌کننده است و عمدتاً از هلیوم برای حفظ خواص ابررسانایی آهن‌ربا در کاربردهایی مانند تصاویر تشدید مغناطیسی (MRI) و تجهیزات طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته‌ای (NMR) استفاده می‌کند. نخستین نشانهٔ هلیوم در ۱۸ اوت سال ۱۸۶۸ به صورت یک میلهٔ زرد رنگ در طول موج ۵۸۷٫۴۹ نانومتر در طیف‌سنجی فام‌سپهر خورشید دیده شد. این خط زرد رنگ را ستاره‌شناس فرانسوی ژول ژانسن در هنگام یک خورشیدگرفتگی کامل در گونتور هند شناسایی کرد. در ۲۰ اکتبر همان سال، ستاره‌شناس انگلیسی، نورمن لاکیر یک خط زرد رنگ در طیف‌سنجی نور خورشید پیدا کرد و چون این خط نزدیک به خط‌های شناخته شدهٔ D۱ و D۲ سدیم بود، آن را D۳ خط‌های فرانهوفر نامید. او حدس زد که این خط باید توسط یک عنصر درون خورشید که در زمین ناشناخته است، پدید آمده باشد. لاکیر و شیمی‌دان انگلیسی ادوارد فرانکلند واژهٔ یونانی ایلیوسἥλιος (یا هلیوس) به معنی «خورشید» را برای این عنصر برگزیدند. در ۱۸۸۱، فیزیک‌دان ایتالیایی، لوئیجی پالمیری، هنگامی که خط‌های طیفی D۳ گدازه‌های آتشفشان وزوو را پردازش می‌کرد توانست برای نخستین بار هلیوم را در زمین شناسایی کند. در ۲۶ مارس ۱۸۹۵ شیمی‌دان اسکاتلندی ویلیام رمزی توانست، هلیوم کانی کلویت را با کمک اسیدهای معدنی به دام اندازد. رمزی در جستجوی آرگون بود، اما پس از جداسازی نیتروژن و اکسیژن از گاز آزاد شده با کمک اسید سولفوریک، در طیف‌سنجی خود به یک خط زرد روشن رسید که با خط D۳ دیده شده در طیف‌سنجی خورشید هماهنگ بود. این نمونه‌ها از سوی لاکیر و فیزیک‌دان بریتانیایی، ویلیام کروکز به عنوان هلیوم شناسایی شد. در همان سال به صورت مستقل، دو شیمی‌دان با نام‌های پر تئودر کلیو و نیلز آبراهام لانگلت، در اوپسالای سوئد توانستند هلیوم کلویت را به دام اندازند. اندازه گازی که آن‌ها جمع‌آوری کردند، برای اندازه‌گیری دقیق وزن اتمی آن کافی بود. دانشمند آمریکایی زمین‌شیمی، ویلیام فرانسیس هیله‌براند پیش از دست‌آورد رمزی، هنگام طیف‌سنجی نمونه کانی‌های اورانینیت دریافته بود که خط‌های طیفی غیرمعمولی در نتیجه‌هایش پیدا می‌شود. در سال ۱۹۰۷ ارنست رادرفورد و توماس رویدز نشان دادند که ذره‌های آلفا همان هستهٔ هلیوم‌اند. آن‌ها برای این کار، اجازه دادند تا ذره‌ها در دیوار شیشه‌ای نازک یک لولهٔ تهی نفوذ کند. در سال ۱۹۰۸ یک فیزیک‌دان هلندی به نام هایک کامرلینگ اونس توانست دمای هلیوم را به زیر یک کلوین برساند و آن را مایع کند. او در ادامه تلاش کرد تا دمای هلیوم را پایین‌تر آورد و آن را جامد کند، اما کامیاب نشد. دلیل ناکامی او این بود که هلیوم دارای نقطهٔ سه‌گانه نیست؛ یعنی دارای دمایی نیست که در آن حالت‌های جامد، مایع و گازی در تعادل باشند. پس از چند سال، در ۱۹۲۶ ویلم هندریک کیزوم که دانشجوی اونس بود توانست هلیوم را با افزودن فشار، جامد کند. در ۱۹۳۸، فیزیک‌دان روس، پیوتر کاپیتسا دریافت که در دمای نزدیک به صفر مطلق، هلیوم-۴ تقریباً هیچ میزان گران‌روی ندارد که امروزه به این پدیده ابرشارگی گفته می‌شود. در سال ۱۹۷۲ همین پدیده در هلیوم-۳ اما این بار در دمایی بسیار نزدیک‌تر به صفر مطلق، دیده شد. دانشمندان آمریکایی داگلاس اوشروف، دیوید موریس لی و رابرت کلمن ریچاردسون کسانی بودند که به ابرروانروی در هلیوم-۳ پی بردند. با در نظر گرفتن جفت‌های کوپر الکترون‌ها که پدیدآورندهٔ ابررسانایی هستند، گمان می‌رود که ابرگرانروی دیده شده در هلیوم-۳ نیز به‌صورت قابل مقایسه‌ای به جفت‌شدن فرمیون‌های هلیوم-۳ در جهت تولید بوزون‌ها مرتبط است. هلیوم کمترین نقطه ذوب را در بین عناصر دارد و نقطه جوش آن نزدیک به صفر مطلق و گرانرویش ۲۵ میکروپواز (آب = ۱۰ هزار) است. برخلاف هر عنصر دیگر، هلیوم جامد نمی‌شود اما تحت فشارهای معمولی به صورت مایع تا صفر مطلق باقی می‌ماند. در دمای حدود منفی ۲۷۱ درجه سانتیگراد (۴۵۶- درجه فارنهایت)، هلیوم دچار یک تغییر غیرمعمول می‌شود و به صورت یک مایع باقی می‌ماند که دارای ویژگی‌های منحصر به فردی است. بالاتر از ۲۷۱- درجه سانتیگراد، هلیوم مایع را هلیوم I و زیر آن دما، هلیوم II نامیده می‌شود. هلیوم (He۲) با داشتن انحلال‌پذیری ۰٫۰۷۰۷۹۷ مول از هلیوم در هر ۵-۱۰ از مجموع مول هلیوم (حل شونده) و آب (حلال)، به‌عنوان یکی از گازهایی شناخته می‌شود که دارای کم‌ترین میزان انحلال در آب است (به‌عنوان مقایسه کسر مولی حلالیت برای گازهای CF۴ و SF۶ و C۴F۸ به ترتیب برابر با ۰٫۳۸۰۲، ۰٫۴۳۹۴ و ۰٫۲۳۷۲ به ازای هر ۵-۱۰ مول گاز حل شونده و حلال آب است). هنگامی که به صورت مایع حمل می‌شود، بسیار سرد است و تمام گازهای دیگر را جامد می‌کند. هلیوم مایع دارای خصوصیات ترمودینامیکی منحصر به فردی است و مایع کوانتومی نامیده می‌شود زیرا خصوصیات اتمی را در مقیاس ماکروسکوپی از خود نشان می‌دهد. هلیوم، پس از نئون، کم واکنش‌ترین گاز نجیب و البته دومین عنصر کم واکنش پذیر در میان همه عنصرهاست. هلیوم به دلیل داشتن جرم مولی نسبتاً پایین، دارای رسانش گرمایی و ظرفیت گرمایی بالایی است و سرعت صدا هم در آن، در حالت گازی، از هر گاز دیگری به جز هیدروژن، بالاتر است. همچنین به دلیل کوچکی اندازهٔ اتم هلیوم، نرخ واپخش در اجسام جامد، سه برابر بیشتر از نرخ واپخش هوا و برابر با ۶۵٪ نرخ واپخش هیدروژن است. با توجه به این ویژگی اگر دمای هلیوم از این دما پایین‌تر آمده باشد، می‌توان با افزایش حجم، آن را خنک و مایع کرد. در حالت پلاسما، الکترون‌ها دیگر در بند هسته نیستند در نتیجه دارای رسانایی الکتریکی بسیار بالایی خواهد بود حتی اگر تنها بخشی از آن یونی شده باشد. برای نمونه در بادهای خورشیدی با هیدروژن یونی، ذره‌ها با مغناطیس‌سپهر اندرکنش پیدا می‌کند و باعث پدید آمدن شفق قطبی و جریان برکلند می‌شود. روان شدن هلیوم از زیر ظرف شیشه‌ای به تصویر کشیده شده، نشان‌دهنده فرار خودبخودی هلیوم تا زمان خالی شدن ظرف است. دلیل این پدیده را می‌توان با مکانیک کوانتوم توضیح داد: انرژی نقطهٔ صفر بسیار بالای این سامانه اجازه نمی‌دهد هلیوم جامد شود. هلیوم برای جامد شدن باید به دمایی بین ۱ تا ۱٫۵ کلوین (۴۵۷- فارنهایت یا ۲۷۲- سلسیوس) و فشاری نزدیک به ۲٫۵ مگاپاسکال برسد. معمولاً شناسایی هلیوم جامد از مایع کمی دشوار است؛ چون ضریب شکست هر دو بسیار نزدیک است. هلیوم در حالت جامد دارای نقطهٔ ذوب دقیق است، ساختار بلوری دارد و بسیار تراکم پذیر است تا حدی که با وارد کردن فشار بر آن می‌توان تا بیش از ۳۰ درصد حجم آن را کاهش داد. مدول حجمی آن نزدیک به ۲۷ مگاپاسکال است؛ یعنی تقریباً ۱۰۰ برابر بیشتر از آب تراکم‌پذیر است. چگالی هلیوم جامد در دمای ۱٫۱ کلوین و فشار ۶۶ اتمسفر، و در دمای صفر کلوین و فشار ۲۵ بار (۲٫۵ مگاپاسکال)، است. هلیوم I ایزوتوپ هلیوم-۴ به‌صورت یک مایع بی‌رنگ در زیر دمای نقطه جوش در ۴٫۲۲ درجه کلوین و بالای نقطه لاندا در دمای ۲٫۱۷۶۸ درجه کلوین وجود دارد که به آن هلیوم I گفته می‌شود. در زیر نقطه لاندا، با این‌حال، هلیوم نمی‌جوشد و هرچه دما کاهش پیدا کند، منبسط می‌شود. هلیوم I دارای ضریب شکست برابر با ۱٫۰۲۶ است که موجب می‌شود سطح آن به‌قدری سخت شود که شناوری یونولیت بر روی آن ممکن شود و اغلب از این روش، به‌عنوان روشی برای پیدا کردن سطح هلیوم I به‌کار می‌رود. هلیوم I گران‌روی بسیار کمی دارد و چگالی آن در گستره دمایی صفر تا چهار درجه کلوین بین ۰٫۱۴۵ تا ۰٫۱۲۵ گرم بر میلی‌لیتر است که این مقدار، یک چهارم مقداری است که توسط فیزیک کلاسیک پیش‌بینی می‌شود. برای توضیح این خاصیت هلیوم I، به مکانیک کوانتومی نیاز است و در نتیجه هر دو حالت هلیوم مایع شناخته شده (هلیوم I و هلیوم II)، مایعات کوانتومی نامیده می‌شوند؛ به این معنی که آنها در سطح ماکروسکوپی، خواص اتمی از خود نشان می‌دهند. این موضوع ممکن است به‌خاطر نزدیکی بیش از حد نقطه جوش هلیوم به صفر مطلق باشد که موجب می‌شود جنبش تصادفی مولکولی نتواند بر روی ویژگی اتمی سایه افکند و مانع از بروز آن‌ها شود. هلیوم مایع در دمای پایین‌تر از نقطه لاندا هلیوم II نامیده می‌شود، رفتار بسیار عجیب و غیرمعمولی از خود نشان می‌دهد. به‌علت هدایت گرمایی بالا، زمانی‌که به نقطه جوش می‌رسد، به‌جای این که شروع به جوشیدن و تولید حباب کند، مستقیماً از سطح خود تبخیر می‌شود. هلیوم II یک ابرشاره است؛ حالتی از ماده در مکانیک کوانتومی (برای اطلاعات بیش‌تر به پدیده‌های کوانتومی در مقیاس ماکروسکوپی رجوع کنید) که دارای خواص غیرمعمول و عجیبی است. به‌عنوان مثال زمانی که درون یک لوله موئین به ضخامت ۷-۱۰ تا ۸-۱۰ متر جاری می‌شود، هیچ میزان گران‌روی قابل اندازه‌گیری از خود نشان نمی‌دهد. با این‌حال، موقعی‌که اندازه‌گیری گران‌روی هلیوم قرار گرفته میان دو دیسک متحرک انجام می‌شود، مقدار گران‌روی به‌دست آمده با مقدار گران‌روی برای هلیوم گازی، قابل مقایسه است. در این مدل، در نظر گرفته می‌شود که هلیوم مایع در زیر نقطه لاندا دارای نسبتی از اتم‌های هلیوم در حالت پایه است که ابرشاره هستند و دقیقاً با گران‌روی صفر جریان پیدا می‌کنند و همچنین دارای نسبتی از اتم‌های هلیوم در حالت برانگیخته است که مانند یک سیال معمولی رفتار می‌کنند. محفظه‌ای ساخته می‌شود که به یک مخزن هلیوم II متصل است و از طریق یک دیسک تف‌جوش شدهSintered disc هلیوم ابرشاره به‌آسانی از آن چکیده می‌شود، اما هلیوم غیرشاره نمی‌تواند از آن عبور کند. اگر قسمت داخلی محفظه حرارت داده شود، هلیوم ابرشاره به هلیوم غیرابرشاره تبدیل می‌شود. به‌منظور حفظ کسر تعادل هلیوم ابرشاره، آن را از محفظه عبور داده و فشار افزایش داده می‌شود که موجب ایجاد یک چشمه به سمت بیرون محفظه نگهدارنده می‌شود. رسانش گرمایی آن بیشتر از هر نوع ماده شناخته شده دیگری است، به‌طوری که مقدار به یک میلیون برابر هدایت گرمایی هلیوم I و چندصد برابر فلزی مانند مس می‌رسد. این ویژگی به این دلیل رخ می‌دهد که هدایت گرمایی از طریق سازوکارهای کوانتومی انجام می‌شود. اغلب موادی که رسانای خوب گرما هستند، دارای یک نوارهای هدایت و ظرفیت از الکترون‌های آزادند که به انتقال گرما کمک می‌کنند. هلیوم II فاقد چنین لایه ظرفیتی است، اما با این‌حال، گرما را به‌خوبی هدایت می‌کند. جریان گرما از معادله‌ای پیروی می‌کند که مشابه معادله موجی است که برای توصیف نحوه انتشار صوت در هوا استفاده می‌شود. زمانی که گرما آغاز می‌شود، با سرعتی برابر با ۲۰ متر بر ثانیه در دمای ۱٫۸ کلوین در هلیوم II، همانند انتقال امواج در پدیده‌ای معروف به‌نام موج دومSecond soundپدیده‌ای در مکانیک کوانتومی که در آن انتقال گرما، برخلاف روش معمول و متداول واپخش، به‌صورت موج‌مانند انجام می‌شود. زمانی‌که سطح هلیوم II از تراز آن پیشی بگیرد برخلاف نیروی جاذبه وارده به نمونه، در امتداد سطح حرکت می‌کند. چنانچه ظرف نمونه روباز باشد به‌شکل عجیبی از کناره‌ها از ظرف خارج می‌شود تا اینکه خود را به نواحی با دمای بالاتر برساند و در آن‌جا شروع به تبخیر شدن می‌کند. نمونه هلیوم II فارغ از سطح ماده، در یک فیلم دارای ضخامت ۳۰ نانومتری حرکت می‌کند. در نتیجه این رفتار هلیوم می‌تواند به سرعت از طریق روزنه‌های کوچک تراوش کند و بر همین مبنا، نگهداری هلیوم مایع بسیار دشوار است. اگر محفظه‌های نگهداری هلیوم با دقت بالایی ساخته نشوند و دارای روزنه حتی در ابعاد کوچک باشند، هلیوم می‌تواند از طریق آن‌ها خارج شود تا به سطوح گرم‌تر برسد و در آن‌جا تبخیر شود. امواج منتشر شونده در طول فیلم رولینگ از همان معادله‌ای که برای توصیف موج گرانشی در آب کم عمق به‌کار می‌رود، پیروی می‌کنند، اما برخلاف جاذبه، عامل پیش‌برنده نیروی واندروالسی است. در تصویر به‌نمایش درآمده، رنگ صورتی نمایان‌گر هسته اتم است و رنگ سیاه اشاره به توزیع ابر الکترونی دارد. تصویر کوچک موجود در بالای سمت راست، تصویر بزرگ‌نمایی شده از هسته اتم هلیوم-۴ است، هسته‌ای که دارای تقارن کروی و دارای ظاهری شبیه به ابر الکترونی است. البته برای هسته‌های سنگین‌تر که دارای ذره‌های هسته‌ای بیش‌تری هستند، همواره چنین شباهتی وجود ندارد. از نقطه نظر مکانیک کوانتومی، هلیوم دومین اتم ساده پس از هیدروژن، برای ساخت مدل کوانتومی است. هلیوم متشکل از دو الکترون در حال چرخش در اوربیتال‌های اتمی است که حول یک هسته دارای دو پروتون و (معمولاً) دو نوترون قرار دارند. در مکانیک نیوتونی، برای سیستم‌های بیش از دو ذره، امکان یافتن آنالیز دقیق ریاضی وجود ندارد (برای این موضوع به مسئله سه جسم رجوع کنید) و هلیوم نیز با داشتن دو الکترون و یک هسته، یک سیستم سه‌ذره‌ای محسوب می‌شود و در نتیجه امکان انجام محاسبات ریاضی با کمک مکانیک کلاسیک برای آن وجود ندارد؛ بنابراین، روش‌های عددی ریاضی برای آنالیز آن مورد نیاز است. روش‌های محاسباتی متداول در شیمی که برای ایجاد تصویری کوانتومی از الکترون استفاده می‌شوند، در برخی از مراحل محاسبه نسبت به مقادیر واقعی، خطایی کمتر از دو درصد دارند. چنین مدل‌هایی نشان می‌دهند که هر الکترون در اتم هلیوم بخشی از هسته را پوشش می‌دهد که در نتیجه چنین پوششی، بار مؤثر هسته‌ای که هر الکترون با آن مواجه است، حدود ۱٫۶۹ واحد است و نه دو واحد؛ که به‌طور کلاسیک از یک هسته نپوشیده هلیوم انتظار می‌رود. اصلی که می‌گوید دو نوترون و دو پروتون موجود در هسته اتم هلیوم همانند دو الکترونی که به دور هسته می‌چرخند، از قواعد یکسان کوانتومی پیروی می‌کنند اگرچه نوع پتانسیل پیوندی هسته‌ای برای ذره‌های هسته‌ای متفاوت است، به‌طوری که همه این فرمیون‌ها به‌شکل کامل اوربیتال‌های 1s را اشغال می‌کنند و هیچ‌کدام دارای ممان زاویه‌ای اوربیتالی نیستند، چراکه هر یک اسپین ذاتی دیگری را خنثی می‌کنند. افزودن به هر کدام از این ذره‌ها، نیازمند ممان زاویه‌ای است و در نتیجه آن، انرژی کمتری آزاد می‌کند در حقیقت، هیچ هسته‌ای با پنج ذره هسته‌ای پایدار نیست. این آرایش از لحاظ انرژی برای همه این ذره‌ها بسیار پایدار است و این پایداری عامل حقایق بسیار مهمی در مورد ذات و طبیعت هلیوم است. | ## بخش 2: هلیوم | برای مثال پایداری و انرژی کم ابر الکترونی در هلیوم عامل بی‌میلی و واکنش پذیری بسیار کم این اتم است. همچنین، عدم برهم‌کنش اتم‌های هلیوم با یکدیگر، موجب می‌شود که هلیوم دارای پایین‌ترین نقطه ذوب و جوش در بین تمامی عناصر باشد. به‌صورت مشابهی، پایداری ویژه ذره‌های هسته‌ای هلیوم-۴ از لحاظ انرژی، موجب ایجاد اثرات مشابهی می‌شود که در نتیجه آن، تولید هلیوم-۴ بر اثر واکنش‌های اتمی در فرایندهای هم‌جوشی یا شکافت ذره‌های سنگین آسان می‌شود. برخی از اتم‌های پایدار هلیوم-۳ (۲ پروتون و ۱ نوترون)، در واکنش هم‌جوشی هیدروژن تولید می‌شوند. با این‌حال، مقدار تولید شده در مقایسه با هلیوم-۴ که محصول بسیار مطلوب‌تری به حساب می‌آید، بسیار کم است و کسر بسیار کوچکی را شامل می‌شود. پایداری غیرمعمولی هسته هلیوم-۴ از لحاظ کیهان‌شناسی دارای اهمیت است، چراکه این پایداری، این حقیقت را توضیح می‌دهد که در چند دقیقه اول پس از مه‌بانگ، مخلوط اولیه کیهانی مملو از پروتون‌ها و نوترون‌ها با نسبت شش به یک، تا دمایی سرد شد که امکان تشکیل پیوندهای هسته‌ای فراهم شد و تقریباً تمامی ترکیب‌های اتمی اولیه مصرف شدند تا هسته هلیوم-۴ تشکیل شود. قدرت اتصال اجزای هلیوم-۴ و میزان پایداری کلی آن به قدری زیاد بود که موجب شد تقریباً تمامی نوترون‌های آزاد ظرف همان چند دقیقه ابتدایی و قبل از این‌که بتوانند دچار فروپاشی بتا شوند، مصرف شوند. علاوه‌بر این، مقدار کمی از نوترون‌های باقی مانده در تولید اتم‌های سنگین‌تر مانند لیتیم، بریلیوم یا بور مصرف شدند. انرژی بستگی هسته هلیوم-۴ برای هر ذره هسته‌ای قوی‌تر از هرکدام از این عناصر سنگین‌تر تولید شده است (برای مقایسه به هسته‌زایی و انرژی بستگی رجوع کنید) که این پایداری موجب شد اتم‌های هلیوم تشکیل شده در دقایق اولیه شکل‌گیری کیهان، انرژی کافی برای هم‌جوشی اتم‌های هلیوم و ساخته شدن اتم‌های سنگین‌تر مانند لیتیم، بریلیم و بور در دسترس قرار نداشته باشد. انجام هم‌جوشی هسته‌ای و تبدیل هلیوم به عنصری سنگین‌تر مانند کربن که در مقایسه با هلیوم دارای انرژی کمتری به‌ازای هر ذره هسته‌ای است، واکنشی نامطلوب و نیازمند انرژی زیاد است. با این‌حال، به‌علت نبود فلز واسطه، این فرایند نیازمند این است که سه هسته هلیوم طی فرایند آلفا سه‌گانه تقریباً به‌طور همزمان با یکدیگر برخورد کنند. در دقایق اولیه تشکیل کیهان و قبل از اینکه دما و فشار کیهان بر اثر انبساط به‌حدی کاهش یابد که دیگر امکان تبدیل هلیوم به کربن وجود نداشته باشد، زمان زیادی برای شکل‌گیری مقدار زیادی کربن وجود نداشته است. این موضوع موجب شد که نسبت هیدروژن به هلیوم در اوایل شکل‌گیری کیهان عددی بسیار نزدیک باشد، همان عددی که امروزه نیز مشاهده می‌شود. تمام عناصر سنگین‌تر از جمله آنهایی که برای تشکیل سیاره‌های سنگی مانند زمین و تشکیل حیات کربنی لازم هستند پس از مه‌بانگ در ستارگان ساخته می‌شوند؛ مکانی که میزان هلیوم، دما و فشار کافی وجود دارد. تمامی عناصر دیگر به‌جز هیدروژن و هلیوم، امروزه مجموعاً تنها دو درصد از کل جرم اتمی مواد موجود در کیهان را تشکیل می‌دهند هلیوم-۴ تشکیل دهنده ۲۳ درصد از جرم ماده معمولی (به‌جز هیدروژن) موجود در کیهان است. تا کنون ۹ ایزوتوپ برای هلیوم پیدا شده است که از میان آن‌ها هلیوم-۳ و هلیوم-۴ تنها ایزوتوپ‌های پایدار آن‌اند. برخلاف بیشتر عنصرها، فراوانی ایزوتوپ‌های هلیوم بسته به منبع تولید و فرایند پدیداری شان بسیار متفاوت است. فراوان‌ترین ایزوتوپ آن، هلیوم-۴ در زمین از راه واپاشی آلفای عنصرهای پرتوزای سنگین تر تولید می‌شود. هلیوم-۴ به طرز غیرمعمولی هستهٔ پایداری دارد چون ذره‌های هسته‌ای آن از آرایش الکترونی پایداری برخوردارند. هلیوم-۳ به مقدار بسیار ناچیز یافت می‌شود که بیشتر آن از هنگامهٔ ساخت زمین به جای مانده است. با توجه به این نسبت‌ها می‌توان دربارهٔ منشأ سنگ‌ها و ساختار گوشتهٔ زمین پژوهش کرد. هلیوم بیش از همه به عنوان محصول واکنش‌های همجوشی در ستاره‌ها پیدا می‌شود؛ بنابراین در محیط‌های میان ستاره‌ای نسبت هلیوم-۳ به هلیوم-۴ نزدیک به صد برابر بیشتر از نسبت آن در زمین است. در ماده‌های فرازمینی مانند سنگ‌های موجود در ماه یا سیارک‌ها می‌توان ردّ پای هلیوم-۳ را از هنگامی که در اثر بادهای خورشیدی پرتاب شدند، پیدا کرد. غلظت هلیوم-۳ موجود در ماه، است که بسیار بالاتر از مقدار آن، (یک بخش در تریلیون) در هواکرهٔ زمین است. هلیوم-۴ مایع را می‌توان با کمک خنک‌کننده تبخیر ویژه تا نزدیک به ۱ درجه کلوین سرد کرد. اگر بخواهیم مخلوطی از هلیوم-۳ و هلیوم-۴ با نسبت‌های برابر در زیر ۰٫۸ کلوین داشته باشیم این دو به به دلیل ناهمانندی، به صورت دو بخش مخلوط نشدنی از هم جدا می‌شوند. اتم‌های هلیوم-۴ را بوزونها تشکیل می‌دهد در حالی که در هلیوم-۳ فرمیونها سازندهٔ اتم‌ها هستند. این ویژگی هلیوم در یخچال‌های رقیق‌سازی برای رسیدن به دمای چند میلی‌کلوین به کار می‌آید. می‌توان به صورت آزمایشگاهی هم ایزوتوپ هلیوم درست کرد، اما این ایزوتوپ‌ها خیلی زود به دیگر ماده‌ها دگرگون می‌شوند. معلوم شده است که هم هلیوم-۶ و هم هلیوم-۸ از خود پدیده‌ای به‌نام هاله هسته‌ایNuclear haloهسته دارای هاله، به هسته‌ای گفته می‌شود که توسط ابری هاله مانند از پروتون یا نوترون احاطه شده است و درنتیجه بزرگ‌تر از یک هسته معمولی و فاقد هاله دیده می‌شود. همانند سایر گازهای نجیب، هلیوم نیز دارای سطوح انرژی شبه‌پایدارMetastable است که موجب می‌شود این عنصر در صورت وجود بار الکتریکی با ولتاژی کمتر از پتانسیل یونیزاسیون خود، یونیزه باقی بماند. هلیوم می‌تواند در زمانی که تحت تخلیه تابشی، بمباران الکترونی یا تبدیل شدن به پلاسما تحت شرایط دیگر، قرار می‌گیرد، با عناصری مانند تنگستن، فلورید، گوگرد و فسفر ترکیبات ناپایداری موسوم به برانگیخته‌پار تشکیل دهد. ترکیب +HeH دارای حالت پایه پایدار است، اما فوق‌العاده واکنش‌پذیر است؛ به‌طوری که قوی‌ترین اسید برونستدی است که تاکنون شناخته شده است؛ بنابراین می‌تواند تنها به صورت جداشده وجود داشته باشد، زیرا هرنوع مولکول یا یون مخالفی که در مجاورت آن قرار بگیرد، پروتون‌دار می‌شود. این روش همچنین موجب تولید مولکول هلیوم گازی (He۲) و مولکول جیوه هلیوم (HgHe) شده است. ترکیبات وان‌دروالسی هلیوم مانند لیتیم هلیوم (LiHe) و مولکول هلیوم (He۲)، می‌توانند با سرد کردن گاز هلیوم و اتم‌های برخی دیگر از مواد، تولید شوند. وجود ترکیبات واقعی دیگری مانند هلیوم فلوئوروهیدرید (HHeF) که مشابه آرگون فلوروهیدرید است و در سال ۲۰۰۰ کشف شد نیز به صورت نظری نیز ممکن است. محاسبات نشان می‌دهد که دو ترکیب جدید حاوی پیوند هلیوم-اکسیژن می‌تواند پایدار باشد. اگر تحقیقات آن را تأیید نماید، تنها عنصری که هنوز هیچ ترکیب پایداری از آن گزارش نشده، عنصر نئون خواهد بود. اتم‌های هلیوم می‌توانند با اعمال حرارت و تحت فشار زیاد به درون ساختار توخالی قفس کربنی مولکول فولرن وارد شوند. زمانی‌که مشتق‌های این نوع فولرن‌ها تشکیل می‌شوند، هلیوم در داخل ساختار قفس مانند فولرن باقی می‌ماند. اگر هلیوم-۳ برای این منظور استفاده شود، به‌آسانی می‌توان حضور آن را با کمک طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته‌ای مشخص کرد. اگرچه، اتم‌های هلیوم به صورت کووالانسی یا یونی به ساختار فولرن متصل نشده‌اند، با این‌حال ترکیب فولرن حاصل، مانند تمامی ترکیب‌های شیمیایی استوکیومتری دارای خواص و ترکیب منحصر به‌فرد و مشخص است. کریستال‌های ترکیب کلاترات هلیوم-نیتروژن (۱۱(N۲)He) در دمای اتاق و تحت فشار ۱۰ گیگاپاسکال درون یک سلول سندان الماس رشد داده شده‌اند. سدیم هلیوم (Na۲He) که یک عایق الکتریسیته است، در فشار بالای ۱۱۳ گیگاپاسکال، به‌صورت ترمودینامیکی پایدار است. فراوانی و تولید هلیوم دومین عنصر فراوان بعد از هیدروژن در کیهان و در منظومه شمسی است و حدود ۱۱٫۳ درصد از کل اتم‌های جهان را تشکیل می‌دهد. حدود ۸۸٫۶ درصد از کل اتم‌های جهان هیدروژن هستند؛ بنابراین، حداقل ۹۹٫۹ درصد از کل اتم‌ها شامل اتم‌های هیدروژن یا هلیوم هستند. این گاز پس از نیتروژن، اکسیژن، آرگون، دی‌اکسید کربن و نئون ششمین گاز فراوان در جو است که تقریباً ۰٫۰۰۰۵۲۴ درصد هوا را تشکیل می‌دهد. اما اغلب تقریباً بلافاصله به جو فرار می‌کند به‌طوری‌که قیمت هلیوم در ۱۵ سال اخیر ۵۰۰ درصد افزایش پیدا کرده است. در ژوئن ۲۰۱۶ مقادیر بزرگی از هلیوم در صحرای موسوم به کافت شرق آفریقا در تانزانیا کشف شد. براساس برآوردها، میزان ذخیره این میدان ۵۴ میلیارد متر مکعب است که می‌تواند نیاز چندین سال بشر را تأمین کند. فعالیت آتشفشانی در کافت شرق آفریقا باعث انتشار گاز هلیوم در صخره‌های کهن می‌شود که در نهایت در میدان‌های کم‌عمق‌تر گاز به تله می‌افتد. مقدار زیادی از هلیوم طی فرایندهای هسته‌زایی در زمان مهبانگ در ۱–۳ دقیقه آغازین ایجاد شد. در ستاره‌ها، تشکیل هلیوم توسط واکنش همجوشی هسته‌ای هیدروژن در واکنش‌های زنجیره‌ای پروتون پروتون و چرخه پروتون پروتون بخشی از هسته‌زایی ستاره‌ای را تشکیل می‌دهد.; در جو زمین، غلظت هلیوم تنها ۵٫۲ قسمت در میلیون است. غلظت هلیوم موجود در جو، با وجود تولید مداوم و پیوسته، کم و تقریباً ثابت است، چون بیشتر هلیوم جو زمین، طی چندین فرایند از جو خارج شده و وارد فضا می‌شود. هلیوم در مقادیر زیادی در کانی‌های اورانیوم و توریوم مانند اورانینیت و انواع آن مانند کلویت، اورانینیت سیاه،Pitchblendeکارنوتیت و مونازیت یافت می‌شود. علت فراوانی هلیوم در این نوع کانی‌ها این است که عناصر پرتوزایی مانند اورانیوم و توریوم ذرات آلفا (هسته اتم هلیوم دارای دوبار مثبت: He+۲) از خود منتشر می‌کنند و این ذرات در زمان برخورد با سنگ‌ها، با دریافت الکترون لازم، موجب تولید هلیوم می‌شود. تخمین زده می‌شود تنها از این طریق، حدود ۳۰۰۰ تن متریک هلیوم در هر سال در سرتاسر سنگ‌کره تولید شود. ذخایر جهانی + جدول ۱: برآورد ذخایر هلیوم در سراسر جهان، ۲۰۰۸(میلیارد فوت مکعب)کشورذخایرذخایر پایه ایالات متحده آمریکا۱۵۳۳۵۰ الجزایر۶۴۳۰۰ استرالیاNA۶٫۹ کاناداNA۷۲ چین—۴۰ اندونزیNA۱۴ لهستان۰٫۹۱۰ قطر۳۶۰۳۶۰ روسیه۶۰۲۵۰ دیگر کشورهاNA۸٫۱ کل۶۳۸۱٬۴۱۰ با روی کار آمدن تأسیسات مایع‌سازی گاز طبیعی، مقدار هلیوم قابل بازیافت افزایش یافته است، زیرا یکی از پیامدهای مایع شدن گاز طبیعی افزایش غلظت نسبی هلیوم و در نتیجه، مقرون به صرفه بودن استخراج آن است. توجه به این نکته حائز اهمیت است که کلیه ذخایر ذکر شده تخمین زده می‌شوند و به استثنای تعداد کمی از ذخایر هیچ‌کدام توسط مؤسسات معتبر تأیید نشده‌اند. کل ذخایر تخمین زده شده بر اساس پالایش ۶٫۲ میلیارد فوت مکعب در سال ۶۳۸ میلیارد فوت مکعب است که با توجه به میزان مصرف برای ۱۰۰ سال پیش‌بینی می‌شود. با این حال، اگر مصرف با نرخ‌های اخیر رشد کند (۴ درصد در سال)، این ذخایر به ۴۰ سال کاهش می‌یابد، افزون بر این توجه به این نکته مهم است که این برآورد فقط در صورتی معتبر است که کل مقدار گاز طبیعی تولید شده از هر مخزن برای هلیوم پردازش شود. تا سال ۲۰۱۱، تخمین زده شده است که ذخایر هلیوم دنیا در حدود ۴۰ میلیارد متر مکعب باشد، که یک چهارم از این ذخایر در میدان گازی پارس جنوبی که میان ایران و قطر مشترک است، قرار دارد. در سال ۲۰۱۵ و ۲۰۱۶، ذخایر احتمالی جدیدی در رشته کوه‌های راکی در آمریکای شمالی و در کافت شرق آفریقا اعلام شده است. بازار هلیوم در سال‌های اخیر با کمبود جهانی بین سال‌های ۲۰۰۶ و ۲۰۰۷ و ۲۰۱۱ و ۲۰۱۳ کاملاً متعادل شده است. با این حال، ذخیره ملی هلیوم ایالات متحده در آماریلو، تگزاس، بزرگ‌ترین منبع هلیوم در جهان طی ۷۰ سال گذشته، اکنون به حداقل سطح خود ۳ میلیارد فوت مکعب رسیده است. در سال ۱۹۹۶ لایحه ای برای فروش بخش عمده ای از عرضه و پرداخت بدهی‌های کارخانه توسط دولت آمریکا تصویب شد که منجر به کاهش قیمت هلیوم شد. بسته شدن ذخیره ملی هلیوم ایالات متحده، بخش قابل توجهی از عرضه هلیوم را از بازار خارج کرد. قیمت‌ها در دهه ۲۰۰۰ با تصمیم کنگره ایالات متحده برای فروش سهام بزرگ هلیوم این کشور تا سال ۲۰۱۵ کاهش یافته بود. ارزش تخمینی هلیوم درجه A (با خلوص ۹۹٫۹۹۷٪ یا بیشتر) که در سال ۲۰۱۹ توسط صنایع خصوصی استخراج شد حدود ۷۱۷ میلیون دلار بود. به باور ریچاردسون برای از بین بردن هدر رفت بیش از حد هلیوم، قیمت‌ها باید ۲۰ برابر شود. زمین‌شناسی به‌نام اراسموس هاورثErasmus Haworth نمونه‌هایی از این گاز تهیه کرد و آنها را به دانشگاه کانزاس برد و با کمک شیمی‌دانان‌هایی به نام‌های همیلتون کدی و دیوید مک‌فارلاندDavid McFarland پی برد که گاز مورد نظر، مخلوطی از ۷۲ درصد نیتروژن، ۱۵ درصد متان (گازی که در صورت وجود اکسیژن کافی، قابلیت اشتعال دارد)، ۱ درصد هیدروژن و ۱۲ درصد گازی غیرقابل شناسایی است. با انجام تجزیه و تحلیل‌های بیشتر، کادی و مک‌فارلاند کشف کردند که ۱٫۸۴ درصد از مخلوط گازی جمع‌آوری شده، متشکل از هلیوم است. این کشف نشان داد که با وجود فراوانی بسیار اندک هلیوم بر روی زمین، هلیوم می‌تواند در مقادیر زیادی در زیر مناطق مربوط به دشت بزرگ (آمریکا) وجود داشته باشد و در زمان استخراج گاز طبیعی به‌صورت محصول جانبی به‌دست بیاید. این کشف موجب شد که ایالات متحده آمریکا به بزرگ‌ترین تأمین کننده هلیوم دنیا تبدیل شود. مقداری از این هلیوم تولید شده نیز برای پرکردن اولین کشتی هوایی پرشده با هلیوم، کشتی هوایی بادکنکی غیرصلب کلاس سی، مورد استفاده قرار گرفت. حدود دو سال بعد و در سپتامبر ۱۹۲۳، پرواز اولین کشتی هوایی بادکنکی صلب و پرشده با هلیوم که توسط شرکت هواپیماسازی نیروی دریایی ساخته شده بود و نامش یواس‌اسUSS Shenandoah بود، انجام شد. اگرچه فرایند استخراج با استفاده از مایع‌سازی گاز در دمای پایین در آن زمان حساس در جنگ جهانی اول هنوز توسعه نیافته بود، با این‌حال تولید هلیوم ادامه داشت. هلیوم در ابتدا به‌عنوان گازی بالابرندهLifting gasگازی که به‌خاطر داشتن چگالی کمتر از گازهای موجود در جو زمین، در جو زمین به بالا می‌رود. در آن زمان که آمریکا تنها تولیدکننده هلیوم بود، هلیوم خیلی گران بود و مصوبه کنگره موسوم به مصوبه همیلتون ۱۹۲۵Helium Act of 1925 نیز صادرات آن را ممنوع می‌کرد؛ بنابراین، کشتی هیندنبورگ ال‌زد ۱۲۹ و سایر کشتی‌های هوایی آلمان زپلین مجبور بودند به‌جای هلیوم از هیدروژن استفاده کنند. اما ذخایر هلیوم در دهه ۱۹۵۰ میلادی توسعه داده شد تا از تأمین هلیوم به‌عنوان یک خنک‌کننده برای تولید اکسیژن و هیدروژن مورد نیاز برای سوخت موشک (و همچنین سایر اهداف) در طول دوران رقابت فضایی و جنگ سرد اطمینان حاصل شود. میزان هلیوم مورد استفاده در آمریکا در سال ۱۹۶۵ بیش از هشت برابر بیشینه مصرف در زمان جنگ بود. مخلوط هلیوم-نیتروژن تزریق شد و میدان گازی کلیف‌ساید ذخیره شد تا زمان نیاز به هلیوم، این مخلوط تحت خالص‌سازی بیشتر قرار بگیرد. تا سال ۱۹۹۵، یک میلیارد متر مکعب از این گاز ذخیره شده بود و مجموعه ۱٫۴ میلیارد دلار بدهی داشت؛ بنابراین، کنگره ایالات متحده آمریکا در سال ۱۹۹۶ طرح ذخیره هلیوم را متوقف کرد. مصوبه خصوصی‌سازی هلیوم سال ۱۹۹۶ (قانون عمومی ۱۰۴–۲۷۳)، وزارت کشور ایالات متحده آمریکا را بر آن داشت که ذخایر هلیوم را تخلیه کند و فروش از سال ۲۰۰۵ آغاز شد. هلیوم تولیدشده بین سال‌های ۱۹۳۰ تا ۱۹۴۵ دارای خلوص حدود ۹۸٫۳ درصد بود (۲ درصد نیتروژن) که این میزان خلوص برای کشتی‌های هوایی کافی بود. تا سال ۱۹۴۹، تولید هلیوم در مقیاس تجاری با خلوص ۹۹٫۹۵ درصد از نوع درجه آGrade A ممکن بود. برای سال‌های زیادی، ایالات متحده آمریکا، بیش از ۹۰ درصد هلیوم تولیدی دارای قابلیت استفاده به‌صورت تجاری در دنیا را تولید می‌کرد، در حالی‌که ۱۰ درصد باقی‌مانده توسط کارخانه‌های موجود در کانادا، هلند، روسیه و دیگر کشورها تولید می‌شد. در اواسط دهه ۱۹۹۰ میلادی، یک کارخانه جدید در ارزیو در الجزایر، تولید بیش از ۱۷ میلیون متر مکعب (۶۰۰ میلیون فوت مکعب) را آغاز کرد که این مقدار برای تأمین تمام نیاز اروپا کافی بود. در همین‌حال، تا سال ۲۰۰۰، مصرف هلیوم درون ایالات متحده آمریکا، به ۱۵ میلیون کیلوگرم در سال افزایش یافت. بین سال‌های ۲۰۰۴–۲۰۰۶، کارخانه‌های بیش‌تری در راس لفان، قطر و سکیکده، الجزایر ساخته شد. تا سال ۲۰۱۲، ذخیره ملی هلیوم ایالات متحده آمریکا، برابر با ۳۰ درصد کل هلیوم دنیا بوده است. انتظار می‌رفت که این ذخیره هلیوم، تا سال ۲۰۱۸ به اتمام برسد، با این‌حال، یک لایحه پیشنهادی در سنای ایالات متحده آمریکا، اجازه ادامه فروش هلیوم موجود در ذخیره ملی آمریکا را صادر کرد. کارخانه‌های جدی هلیوم بر اساس برنامه قرار بود که در سال ۲۰۱۲ در قطر، روسیه و ایالت وایومینگ آمریکا شروع به کار کنند، اما انتظار نمی‌رفت که این کارخانه‌ها به موضوع کمبود هلیوم، کمک زیادی کنند. بااین‌حال بحران دیپلماتیک قطر در سال ۲۰۱۷، به‌طور شدیدی تولید هلیوم در این کشور را تحت تأثیر قرار داد. غالباً گفته می‌شود که پس از سال‌ها کمبود هلیوم، در سال ۲۰۱۴ میزان تولید هلیوم بیشتر از تقاضای آن بوده است. بازار سهام بورس نزدک در سال ۲۰۱۵ گزارش کرد که برای شرکتی مانند ایر پروداکتز اند کمیکالز که شرکتی بین‌المللی و فروشنده گاز با کاربردهای صنعتی است، میزان هلیوم به دلیل محدودیت عرضه مواد اولیه، تحت فشار اقتصادی قرار دارد. برای استفاده در مقادیر زیاد، هلیوم به‌وسیله تقطیر جزء به جزء گاز طبیعی که حاوی ۷ درصد حجمی هلیوم است، تهیه می‌شود. به‌علت این‌که هلیوم دارای نقطه جوش پایین‌تری در مقایسه با دیگر عناصر است، دمای پایین و فشار زیاد مورد استفاده موجب مایع شدن تقریباً تمامی گازهای دیگر (غالباً نیتروژن و متان) می‌شود. | ## بخش 3: هلیوم | گاز هلیوم ناخالص تولید شده به‌وسیله قرار گرفتن در دماهای پایین به‌صورت متوالی، خالص می‌شود و تقریباً تمامی نیتروژن و بقیه گازهای موجود از مخلوط گازی خارج می‌شوند. از کربن فعال برای خالص سازی هلیوم در آخرین مرحله استفاده می‌شود که معمولاً منجر به تولید هلیومی با کیفیت درجه آ و خلوص ۹۹٫۹۹۵ درصد می‌شود. در مرحله نهایی تولید، اغلب هلیوم تولید شده از طریق فرایند سرد کردن، مایع می‌شود. این کار برای استفاده از هلیوم مایع ضروری است و موجب می‌شود که هزینه تمام شده برای حمل و نقل هلیوم کاهش پیدا کند، چراکه بزرگ‌ترین مخزن هلیوم مایع دارای حجمی بیش از پنج برابر بزرگ‌ترین مخزن هلیوم گازی است. تا سال ۲۰۱۳، افزایش تولید هلیوم قطر (توسط شرکت راس‌گس، به مدیریت ایر لیکوئید) موجب شد سهم قطر از هلیوم تولیدی دنیا به ۲۵ درصد افزایش یابد و این کشور را به دومین تولیدکننده هلیوم دنیا، پس از آمریکا تبدیل کرد. در سال ۲۰۱۶، ذخیره‌ای از هلیوم در تانزانیا کشف شد که تخمین زده می‌شود حاوی ۵۴ میلیارد متر مکعب هلیوم است. نفوذ گاز طبیعی ناخالص به درون غشاهای نیمه‌تراوا و دیگر موانع یکی از روش‌های بازیابی و خالص‌سازی هلیوم است. در سال ۱۹۹۶، ایالات متحده آمریکا دارای ذخایر اثبات شده هلیوم بالغ بر ۱۴۷ میلیارد فوت مکعب استاندارد (۴٫۲ میلیارد متر مکعب استاندارد) در مجموعه چاه‌های گازی این چنینی بود. هلیوم باید از گاز طبیعی استخراج شود، چرا که مقدار آن در هوا، تنها به اندازه کسر کوچکی از نئون است. تخمین زده می‌شود که اگر تمامی تجیهزات فعلی مورد استفاده در تولید نئون برای تولید هلیوم استفاده شود، ۰٫۱ درصد از نیاز دنیا به هلیوم تأمین می‌شود. هلیوم می‌تواند از طریق بمباران کردن لیتیم یا بور با کمک فوتون‌های پرسرعت یا بمباران لیتیم با دوتریوم سنتز شود، اما این فرایندها بسیار هزینه‌بر و فاقد صرفه اقتصادی هستند. در شکل مایع، می‌تواند در مخزن‌های عایق کوچک موسوم به فلاسک یا دمابان نگهداری شوند. هلیوم مایع همچنین می‌تواند در محفظه‌های بزرگ ایزوISO که ظرفیت اسمی آنها ۴۲ متر مکعب (حدود ۱۱٬۰۰۰ گالن آمریکایی) است، نیز نگهداری شود. به‌صورت گازی، هلیوم می‌تواند در مقادیر کم در سیلندرهای تحت فشار بالا و با ظرفیت ۸ متر مکعب (حدود ۳۰۰ فوت مکعب استاندارد) نگهداری شود، درحالی‌که مقدار گاز نگهداری شده در تانکرهای تحت فشار زیاد به بیش از ۴٬۸۶۰ متر مکعب (حدود ۱۸۰٬۰۰۰ فوت مکعب استاندارد) می‌رسد. کاربردها هلیوم در بسیاری از صنایع در سطح جهانی استفاده می‌شود و استفاده از آن در همه زمینه‌های تحقیقات علمی و محیط‌های تجاری، از جمله داروسازی، پزشکی، جوشکاری، علوم رایانه، اکتشافات فضایی وجود دارد. در سال ۲۰۱۴، تولید جهانی هلیوم حدود ۳۲ میلیون کیلوگرم (۱۸۰ میلیون متر مکعب استاندارد) بود. بیشترین میزان مصرف در این سال، مربوط به کاربردهای کرایوژنیک بود که حدوداً ۳۲٪ از کل مصرف هلیوم را شامل می‌شد. کاربردهای کرایوژنیک شامل خنک کردن آهنرباهای ابررسانا در اسکنرهای ام‌آرآی پزشکی و طیف‌سنج‌های ان‌ام‌آر است. رتبه‌های بعدی مصرف هلیوم در سال ۲۰۱۴، سیستم‌های فشار و پاکسازی، نگهداری اتمسفرهای کنترل‌شده و تشخیص نشت بود. از دیگر کاربردهای مهم، ایجاد فشار، هوای پیرامونی کنترل شده و جوشکاری است که ۷۸ درصد از کل مصرف هلیوم در سال ۱۹۹۶ را تشکیل داده است. از گاز هلیوم در فضاپیماها، تلسکوپ‌ها و دستگاه نظارت بر پرتونگاری هسته‌ای استفاده می‌شود. هلیوم به دلیل اینکه نقطه ذوب و جوش بسیار کمی دارد و در فشار جو جامد نمی‌شود و در صفر درجه کلوین و از نظر شیمیایی بی اثر است به عنوان خنک‌کننده فوق‌العاده استفاده می‌شود. استفاده هلیوم در سیستم‌های سردسازی، نسبت به روش‌های قدیمی، دارای مزیت زیست‌محیطی است؛ چون اثرات مخربی مانند تخریب لایه ازون و گرمایش جهانی بر جای نمی‌گذارد. هلیوم مواد ابررسانا را تا دمای نزدیک به صفر مطلق سرد می‌کند، به طوری که مقاومت الکتریکی ابررساناها ناگهان به صفر می‌رسد. مقاومت الکتریکی بسیار کم ابررساناها باعث می‌شود که میدان‌های مغناطیسی قدرتمندتری ایجاد شود. در مورد تجهیزات MRI در بیمارستان‌ها، میدان مغناطیسی قدرتمندتر جزئیات بیشتری را در اسکن عکس رادیولوژی به دست می‌دهد. برخورددهنده هادرونی بزرگ در سرن از ۹۶ تن هلیوم مایع برای حفظ دما در ۱٫۹ کلوین استفاده می‌کند. از آنجا که این عنصر از هوا سبک‌تر و دارای چگالی کمتری است، از زمان جنگ جهانی اول از هلیوم به عنوان گاز بالابر برای بالن‌ها، بالن‌های هواشناسی، کشتی‌های هوایی و چشمک زدن استفاده می‌شود و برای پرواز کشتی‌های هوایی به گاز هلیوم رو آورده‌اند. استفاده از هلیوم به عنوان گاز بالابرنده اولین کاربرد هلیوم از زمان کشف آن بر روی زمین بود. در حالی که گاز هیدروژن بسیار شناور است و با سرعت کمتری از نفوذ به درون غشاء فرار می‌کند، هلیوم این مزیت را دارد که قابل اشتعال نیست و در واقع پیشگیرنده آتش است. کاربرد هلیوم در بالون‌ها بسیار شناخته‌شده است، اما این کاربرد، بخش کوچکی از مصرف این گاز است. در این فرایند، هلیوم به عنوان یک ماده تخلیه کننده برای جابجایی سوخت و اکسید کننده‌ها در مخازن ذخیره‌سازی و چگالش کردن هیدروژن و اکسیژن برای ساختن پیشران راکت استفاده می‌شود. فضای خالی بالای مخزن سوخت از هلیوم پر می‌شود تا هم جابجایی سوخت و اکسیدکننده‌ها آسان‌تر شود و هم بتوان با آن هیدروژن و اکسیژن را فشرده کرد تا سوخت موشک به‌دست آید. همچنین برای پاک کردن سوخت و اکسیدکننده از تجهیزات پشتیبانی زمین قبل از پرتاب و برای خنک کردن هیدروژن مایع در وسایل نقلیه فضایی توسط آژانس‌های فضایی مانند آریاناسپاس و ناسا استفاده می‌شود. به‌عنوان مثال، موشک سترن ۵ که در برنامه آپولو مورد استفاده قرار گرفت، حدود ۳۷۰٬۰۰۰ متر مکعب هلیوم نیاز داشت. همچنین در موشک‌های دلتا IV از هلیوم برای حفظ فشار در مخازن سوخت اکسیژن مایع استفاده می‌شد. جوشکاری هلیوم، به دلیل دارا بودن بالاترین پتانسیل یونیزاسیون در بین عناصر در فرایند جوشکاری با قوس الکتریکی و جوشکاری قوس پلاسما بر روی موادی که در دمای جوشکاری در اثر تماس با هوا یا نیتروژن دچار آسیب می‌شوند، به عنوان لایهٔ محافظ یا پوشش عمل می‌کند. جو محافظ هلیوم در اطراف محل جوشکاری از اکسید شدن فلز در حالت مذاب جلوگیری می‌کند. همچنین پتانسیل یونیزاسیون بالای هلیوم امکان جوشکاری قوس پلاسما را برای فلزاتی مانند تیتانیوم، زیرکونیوم، منیزیم و آلیاژهای آلومینیوم مورد استفاده در کشتی‌سازی و هوافضا فراهم می‌کند. تعدادی از گازهای محافظ بی اثر در جوش قوس الکتریکی تنگستن گازی استفاده می‌شود، اما هلیوم به جای گاز ارزان‌تر آرگون به خصوص برای جوشکاری‌هایی که رسانندگی گرمایی بیشتری دارند؛ مانند آلومینیوم یا مس استفاده می‌شود. از آنجا که هلیوم می‌تواند توسط آرگون یا هیدروژن جایگزین شود، اما برای جوشکاری قوس پلاسما برخی مواد مانند تیتانیوم نمی‌تواند جایگزین شود، زیرا هلیوم تنها گازی است که دارای فعالیت حرارتی به اندازه کافی بالا است تا ایمن باشد. انتخاب یک گاز محافظ به عوامل مختلفی از جمله نوع ماده در حال جوشکاری، طراحی اتصالات و شکل ظاهری نهایی جوش بستگی دارد. مخلوط‌های آرگون-هلیوم اغلب در جوشکاری تیگ مورد استفاده قرار می‌گیرند، زیرا می‌توانند کنترل ورودی حرارتی را افزایش دهند در حالی که مزایای استفاده از آرگون را حفظ می‌کنند. به‌طور معمول، این مخلوط‌ها در درجه اول با هلیوم (غالباً حدود ۷۵٪ یا بالاتر) و تعادل آرگون ساخته می‌شوند. این مخلوط سرعت و کیفیت جوشکاری متناوب آلومینیوم و نفوذ جوش در یک اتصال را افزایش می‌دهند و همچنین برخورد با قوس را آسان می‌کنند. از آنجا که هلیوم سه برابر سریعتر از هوا از طریق مواد جامد واپخش می‌شود، از آن به عنوان گاز ردیاب برای تشخیص نشت در تجهیزات با خلاء بالا (مانند مخازن کرایوژنیک) و ظروف با فشار بالا استفاده می‌شود. شی مورد آزمایش در محفظه‌ای قرار می‌گیرد و سپس از هوا تخلیه و با هلیوم پر می‌شود. هلیوم که از طریق نشتی فرار می‌کند، توسط یک دستگاه حساس (طیف‌سنج جرمی هلیوم) شناسایی می‌شود. دقت این ابزار بسیار زیاد است و به ۹-۱۰ میلی‌بار در لیتر برثانیه (mbar×L/s) یا ۱۰-۱۰ پاسکال. یک روش ساده‌تر، پر کردن جسم آزمایش شده با هلیوم و جستجوی دستی نشت‌ها با یک وسیله دستی است. هلیومی که از ترک‌های یک وسیله می‌گذرد را نباید با نفوذ گاز از بدنهٔ ماده اشتباه گرفت. هلیوم برای تشخیص نشت در موشک‌ها، مخازن سوخت، مبادلات حرارتی، خطوط گاز، دستگاه‌های الکترونیکی مختلف، لوله‌های تلویزیون و سایر اجزای تولید شده فراهم می‌کند. هلیوم برای تشخیص نشت برای اولین بار در طی پروژه منهتن برای یافتن نشت در غنی‌سازی اورانیوم استفاده شد. مخلوط‌های تنفسی هلیوم به دلیل حلالیت بسیار کم در آب و خون به عنوان گاز غواصی در عمق آب زیر ۳۰ متر استفاده می‌شود. به‌عنوان یک گاز استنشاقی، هلیوم فاقد اثرات خواب‌آلودگی است و برای جلوگیری تجمع نیتروژن در خون، به جای مخلوط‌های تنفسی ازت-اکسیژن از مخلوط گازهای حاوی هلیوم مانند تریمیکس،Trimix هلیوکس و هلی‌ایر،Heliair برای غواصی در آب‌های عمیقDeep diving استفاده می‌شود که به موجب آن خواب‌آلودگی غواص در اعماق بیشترِ آب، کنترل می‌شود. برای حل این مشکل و تنفس آسان‌ترِ مخلوطِ گاز تنفسی، حضور هلیوم با جرم مولکولی کم، به‌طور قابل ملاحظه‌ای مؤثر است. اضافه شدن هلیوم به مخلوط گاز تنفسی، موجب کاهش عدد رینولدز می‌شود که در نتیجه جریان آشفتگی کاهش و جریان آرام افزایش می‌یابد و تنفس آسان می‌گردد. این اثر ممکن است تا حدی با استفاده از افزودن مقداری از گازهای خواب‌آور مانند هیدروژن یا نیتروژن به مخلوط هلیوم-اکسیژن، کاهش یابد. راکتورهای هسته‌ای هلیوم به عنوان واسطه انتقال گرما در راکتورهای هسته‌ای نسل جدید استفاده می‌شود و دارای چندین مزیت به عنوان محیط انتقال گرما است. هلیوم به‌علت واکنش ناپذیری و هدایت گرمایی بالا، شفافیت نوترونی و همچنین به‌این علت که در رآکتورها موجب تشکیل ایزوتوپ‌های پرتوزا نمی‌شود، به‌عنوان یک محیط انتقال حرارت در برخی از رآکتورهای هسته‌ای سرد شده با گازGas-cooled nuclear reactors استفاده می‌شود به طوری که یکی از کارآمدترین گاز انتقال گرما است. علاوه بر این هلیوم باعث خوردگی نمی‌شود و از نظر رادیولوژی بی اثر است (بدون ایزوتوپ رادیواکتیو) و بر ضریب ضریب نوترون تأثیر نمی‌گذارد. نیروگاه‌های هسته‌ای با هلیوم به عنوان محیط انتقال گرما دارای بازده و دمای عملیاتی بالاتر هستند. هلیوم به گاز تشدیدگر در لیزرهای گازی مانند لیزر هلیوم-نئون و لیزر CO۲ و لیزرهای بخار فلز مانند لیزر بخار فلز هلیوم-کادمیوم اعمال می‌شود. لیزرهای مختلف با هلیوم برای کاربردهای مختلف مانند تحقیقات علمی، تداخل‌سنجی، هولوگرافی، طیف‌سنجی، اسکن بارکد، ترازبندی، جراحی لیزر چشم، نمایش‌های نوری، برنامه‌های چاپ و حروفچینی، جوشکاری و برش استفاده می‌شود. لامپ‌های تخلیه گاز هلیوم توسط هنرمندان برای روشنایی با اهداف خاص استفاده می‌شود. لیزرهای هلیوم-نئون، لیزرهایی با توان کم و پرتویی قرمز رنگند که کاربردهای عملی متنوعی مانند بارکدخوان و اشاره‌گر لیزری دارند. البته امروزه این لیزرها، تقریباً در سراسر دنیا با لیزر ارزان‌تری با نام لیزر دیودی جایگزین شده‌اند. دیگر کاربردها هلیوم به دلیل ویژگی واکنش‌ناپذیری و هدایت گرمایی بالا به عنوان گاز محافظ برای رشد کریستال‌های سیلیسیم و ژرمانیوم، در تولید تیتانیوم و زیرکونیوم مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین به دلیل داشتن ویژگی‌های نزدیک به طبیعت گاز ایده‌آل، سرعت بالای صدا در آن و نسبت ظرفیت گرمایی بالا، در تونل باد فراصوتی و آزمون افزایش ناگهانی آنتالپیImpulse facilityآزمون افزایش ناگهانی آنتالپی، آزمونی برای بررسی شرایط جریان آیرودینامیک، حرارت‌دهی آیرودینامیک، ورود مجدد به جو زمین، احتراق، سینتیک شیمیایی، بالستیک و دیگر اثرات است. سن سنگ‌ها و ترکیب معدنی حاوی اورانیوم و توریوم را می‌توان با اندازه‌گیری سطح هلیوم با فرایندی موسوم به تاریخ‌گذاری هلیوم تخمین زد. کروماتوگرافی اصطلاحی است که برای تکنیک‌های آزمایشگاهی در جداسازی مواد به‌طور گسترده‌ای برای تجزیه و تحلیل کمی و کیفی در فرایندها به کار می‌رود. هلیوم در ساخت صفحه‌های LCD و در حین پردازش تراشه‌های نیمه‌رسانا به عنوان گاز محافظ، و در هنگام تولید کابل فیبر نوری به عنوان خنک‌کننده کاربرد دارد. استفاده از هلیوم به دلیل ضریب شکست بسیار پایین، اثرات تحریف کننده تغییرات دما در فضای بین لنزها را در بعضی از تلسکوپ‌ها کاهش می‌دهد. این روش به ویژه در تلسکوپ‌های خورشیدی که در آن لوله تلسکوپ خلاء خیلی سنگین است استفاده می‌شود. پاشش حرارتی و پاشش سرما که به آن سمپاشی فلزی نیز گفته می‌شود، فرآیندهای پوشش سطحی است که می‌توان طیف وسیعی از فلزات و سرامیک‌ها را با سرعت زیاد بر روی سطح ماده دیگر پاشید تا پوشش‌های فلزی ایجاد شود. هلیوم در آوریل ۲۰۲۰ برای استفاده‌های پزشکی در ایالات متحده برای انسان و حیوانات مورد تأیید قرار گرفت. استنشاق گاز هلیوکس (ترکیبی از گازهای اکسیژن و هلیوم) موجب کاهش مقاومت در مقابل عبور جریان هوا در زمان تنفس می‌شود. اثرات مفید این موضوع در بیماران مبتلا به آسم، مشکلات حاد تنفسی و برونشیت ملاحظه شده است. همچنین از آن در رآکتور فلورید مایع توریم، پمپ حرارتی ترموآکوستیک، ساخت برخی از هارد دیسک‌ها استفاده می‌شود. از طرفی بسامد پایه طبیعی مجرای پر شده با گاز، با سرعت صوت در آن گاز متناسب است؛ بنابراین، هنگامی که فرد گاز هلیوم را تنفس می‌کند، به علت سرعت بیشتر حرکت صدا در گاز هلیوم در مقایسه با هوای معمولی، بسامد تولیدی توسط مجرای صوتی فرد تشدید می‌شود که این خود موجب تقویت فرکانس صدای فرد می‌شود. در صورت استنشاق گازهای سنگین‌تر از هوا مانند هگزا فلوراید گوگرد یا زنون، عکس حالت فوق رخ می‌دهد؛ به‌طوری که از فرکانس صدای فرد به‌خاطر کاهش سرعت صوت در این گازها، کاسته می‌شود. اگرچه این عنصر از نظر شیمیایی بی اثر است، اما آلودگی هلیوم باعث اختلال در عملکرد سامانه میکرو الکترومکانیکی می‌شود. تنفس بیش از حد هلیوم می‌تواند خطرناک باشد؛ زیرا هلیوم یک آسفیکسیAsphyxiant gasگاز آسیفیکس، گازی است غیرسمی یا دارای سمیت کم که موجب کاهش غلظت یا جایگزینی اکسیژن موجود در هوای مورد تنفس است. در پی غیرعادی شدن تنفس، رسیدن اکسیژن به بدن با دشواریِ بسیار جدی روبه‌رو می‌شود. گزارش‌هایی از مرگ میر بر اثر تنفس هلیوم وجود دارد مثلاً در سال ۲۰۰۳ در ونکوور یک جوان و در سال ۲۰۰۶ در فلوریدای جنوبی دو بزرگسال به همین دلیل مردند. در سال ۱۹۹۸ در ویکتوریا، استرالیا دختری به دلیل تنفس کل محتوای یک بادکنک مهمانی حاوی هلیوم بی‌هوش شد و به‌طور موقت دچار کبودی شد. تنفس هلیوم به‌طور مستقیم از سیلندرهای تحت فشار یا حتی شیرهای پر کننده بادکنک بسیار خطرناک است، زیرا سرعت و فشار زیاد جریان می‌تواند منجر به باروتروما و پارگی کشنده بافت ریه شود. اولین پرونده ثبت شده در رسانه‌ها مربوط به یک دختر ۱۵ ساله و اهل تگزاس بود که در سال ۱۹۹۸ در اثر تنفس هلیوم در مهمانی یکی از دوستانش درگذشت. در ایالات متحده بین سال‌های ۲۰۰۰ تا ۲۰۰۴ مرگ دو نفر گزارش شده است، از جمله مردی که در سال ۲۰۰۲ در کارولینای شمالی در اثر باروتروما درگذشت. در سال ۲۰۰۳ در ونکوور، جوانی دچار آسپیراسیون ریوی شد و یک مرد ۲۷ ساله نیز در استرالیا بعد از تنفس از یک کپسول هلیوم در سال ۲۰۰۰ دچار آمبولی شد. در ۲۸ ژانویه، یکی از اعضای یک گروه موزیک ژاپنی، هنگام ضبط برنامه تلویزیونی پس از تنفس هلیوم در حین ضبط دچار آمبولی هوا شد و به کما رفت. دمای بسیار پایین آن می‌تواند منجر به سوختگی سرما شود و در صورت عدم نصب وسایل فشارسنج، نسبت انبساط مایع به گاز می‌تواند باعث انفجار شود. ظروف گاز هلیوم در دمای ۵ تا ۱۰ کلوین به دلیل انبساط حرارتی سریع و قابل توجه که هنگام گرم شدن گاز هلیوم در کمتر از ۱۰ کلوین به دمای اتاق می‌رسد باید به گونه‌ای به کار گرفته شوند که گویی حاوی هلیوم مایع هستند. اوت ۲۰۲۰ یک مخزن هلیوم که درون کیسه زباله خانگی گذاشته شده بود هنگام ورود به دستگاه جمع‌کننده زباله در اثر برخورد منفجر و بقایای مخزن تا ۱۰۰ فوت دورتر از کمپکتور پراکنده شده بود. دیگر در فشارهای بالا (بیش از حدود ۲۰ اتمسفر یا دو مگاپاسکال)، مخلوطی از هلیوم و اکسیژن (هلیوکس) می‌تواند منجر به سندرم عصبی با فشار بالا، نوعی اثر بی‌حس کننده معکوس شود. در ژوئیه ۲۰۱۲، در دانشگاه نبراسکا، یک ابزار تشدید مغناطیسی هسته‌ای ۶۰۰ مگاهرتزی را که برای مطالعه ساختارهای مولکولی استفاده می‌شد به دلیل نشت هلیوم از دست داد. با کاهش مقدار هلیوم و تأمین نشدن مقدار از دست رفته، باقی‌مانده آن ناگهان جوشید و یک آهنربای پیچیده ۵۰۰٬۰۰۰ دلاری به انبوهی از آشغال تبدیل شد. | ## جمع‌بندی | برای دانشمندان شیمی تجزیه که به هلیوم به عنوان گاز حامل کروماتوگرافی گازی و طیف‌سنجی جرمی وابسته هستند، استفاده از هیدروژن و اتخاذ استراتژی‌های حفاظت از هلیوم در حال تبدیل شدن به رویکردهای عملی هستند.