هلیوم

پیشینه

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. نخست گمان برده شد که شاید این خط زرد، سدیم است. 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 ناشناخته‌است، پدید آمده باشد. لاکیر و شیمیدان انگلیسی ادوارد فرانکلند واژهٔ یونانی ἥλιος (هلیوس) به معنی «خورشید» را برای این عنصر برگزیدند.
در ۱۸۸۲، فیزیکدان ایتالیایی، لویجی 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. کلویت آمیخته‌ای از اورانیت و دست کم ۱۰٪ عنصرهای خاکی کمیاب است. 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. آن‌ها به اندازهٔ کافی این گاز را جمع‌آوری کردند که بشود وزن اتمی آن را دقیق بدست آورد. دانشمند آمریکایی زمین‌شیمی، ویلیام فرانسیس هیله‌براند پیش از دست‌آورد رمزی، هنگام طیف‌سنجی نمونه کانی‌های اورانیت دریافته بود که خط‌های طیفی غیرمعمولی در نتیجه‌هایش پیدا می‌شود. اما هیلبرند گمان کرد که این خط‌های طیفی مربوط به نیتروژن است. نامهٔ تبریک او به رمزی چیزی نزدیک به یک کشف علمی در نظر گرفته 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. سپس لوله را تخلیه کردند تا گاز تازهٔ جمع شده در آن را طیف‌سنجی کنند. 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 1 cm۳ 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 گرانروی ندارد، امروزه به این پدیده ابرروانروی می‌گوییم. این پدیده با چگالش بوز-اینشتین مرتبط است. در ۱۹۷۲ همین پدیده در هلیوم-۳ هم دیده شد، اما این بار در دمایی بسیار نزدیک تر به صفر مطلق. دانشمندان آمریکایی داگلاس دین اشرفت، دیوید موریس لی و رابرت کلمن ریچاردسون کسانی بودند که به ابرروانروی در هلیوم-۳ پی بردند. گمان آن می‌رود که این پدیده در هلیوم-۳ به جفت فرمیونها در ساخت بوزون، در برابر جفت‌های کوپر الکترون‌ها که پدیدآورندهٔ ابررسانایی است، ارتباط داشته باشد.

حالت‌های گازی و پلاسما

هلیوم، پس از نئون، کم واکنش‌ترین گاز نجیب و البته دومین عنصر کم واکنش پذیر در میان همهٔ عنصرها است. این گاز کم واکنش، در همهٔ شرایط استاندارد به صورت تک‌اتمی باقی می‌ماند. 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 همانند و به دلیل کوچکی اندازهٔ اتم هلیوم، نرخ پخش در اجسام جامد، سه برابر بیشتر از نرخ پخش هوا و برابر با ۶۵٪ نرخ پخش هیدروژن است.
هلیوم نسبت به دیگر گازهای تک اتمی از همه کمتر در آب حل می‌شود. و نسبت به دیگر گازها، می‌توان گفت یکی از کم حل شدنی‌ترین گازها است؛ ضریب حلالیت این گاز 0.70797 x۲/۱۰-۵ است که از CF۴ و SF۶ و C۴F۸ که به ترتیب دارای میزان حلالیت‌های ۰٫۳۸۰۲ و ۰٫۴۳۹۴ و 0.2372 x۲/۱۰-۵ اند، بیشتر است (مول). ضریب شکست هلیوم بیش از هر گاز دیگری به یک نزدیک است. ضریب ژول-تامسون هلیوم در دمای معمولی پیرامونش، منفی است به این معنی که اگر اجازه دهیم این گاز آزادانه افزایش حجم پیدا کند، گرم تر می‌شود. اما اگر هلیوم در زیر دمای واژگون ژول-تامسون (در حدود ۳۲ تا ۵۰ کلوین در یک اتمسفر) باشد، اگر اجازه داشته باشد آزادانه افزایش حجم پیدا کند، دمای آن پایین می‌آید. با توجه به این ویژگی اگر دمای هلیوم از این دما پایین‌تر آماده باشد، می‌توان با افزایش حجم، آن را خنک و مایع کرد.
بیشتر هلیوم فرازمینی (بیرون از کرهٔ زمین) در حالت پلاسما یافت می‌شود. در این حالت، ویژگی‌های ماده بسیار متفاوت از ویژگی‌های حالت اتمی آن است. 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. ذره‌های باردار به شدت از میدان مغناطیسی و الکتریکی پیرامون تأثیر می‌پذیرند. برای نمونه در بادهای خورشیدی با هیدروژن یونی، ذره‌ها با مغناط‌کرهٔ زمین اندرکنش پیدا می‌کند و باعث پدید آمدن شفق قطبی و جریان بیرکلند می‌شود.

حالت‌های مایع و جامد

برخلاف دیگر عنصرها در فشار معمولی، هلیوم تا دمای صفر مطلق، همچنان مایع باقی می‌ماند. دلیل این پدیده را می‌توان با مکانیک کوانتوم توضیح داد: به ویژه انرژی نقطهٔ صفر این سامانه بسیار بالا است برای اینکه بخواهد اجازه دهد هلیوم جامد شود. هلیوم برای جامد شدن باید به دمایی میان 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. ضریب کشسانی حجمی آن نزدیک به ۲۷ مگاپاسکال است که تقریباً ۱۰۰ برابر بیشتر از آب تراکم پذیر است. چگالی هلیوم جامد در دمای ۱٫۱ کلوین و فشار ۶۶ اتمسفر، ۰٫۲۱۴ ± ۰٫۰۰۶ g/cm۳ و در دمای صفر کلوین و فشار ۲۵ بار (۲٫۵ مگاپاسکال)، ۰٫۱۸۷ ± ۰٫۰۰۹ g/cm۳ است.

ایزوتوپ

تا کنون ۸ ایزوتوپ برای هلیوم پیدا شده‌است؛ که از میان آن‌ها هلیوم-۳ و هلیوم-۴ تنها ایزوتوپ‌های پایدار آن‌اند. در هواکرهٔ زمین در برابر هر یک اتم هلیوم-۳ یک میلیون هلیوم-۴ وجود دارد. 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. پرتوهای آلفای تابیده شده همگی هسته‌های یونیزه شدهٔ هلیوم-۴اند. هلیوم-۴ به طرز غیرمعمولی هستهٔ پایداری دارد چون ذره‌های هسته‌ای آن از آرایش الکترونی پایداری برخوردارند. این ایزوتوپ‌ها در جریان هسته‌زایی مهبانگ به فراوانی تولید شدند.
هلیوم-۳ به مقدار بسیار ناچیز یافت می‌شود که بیشتر آن از هنگامهٔ ساخت زمین به جای مانده. گاهی هم هلیوم گیر افتاده در گرد و غبار کیهانی هم وارد زمین شده‌است. همچنین در اثر واپاشی بتای تریتیوم هم اندکی هلیوم-۳ تولید می‌شود. در سنگ‌های پوستهٔ زمین ایزوتوپ‌هایی از هلیوم پیدا می‌شود که نسبت یک به ده دارد 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، ۰٫۰۱ ppm است (یک بخش در میلیون) که بسیار بالاتر از مقدار آن، ۵ ppt در هواکرهٔ زمین است (یک بخش در تریلیون). دسته‌ای از جملهٔ آن‌ها جرالد کالسینسکی در سال ۱۹۸۶ پیشنهاد دادند که در سطح ماه جستجو شود و از معدن‌های هلیوم-۳ آن برای واکنش همجوشی هسته‌ای بهره‌برداری شود.
هلیوم-۴ مایع را می‌توان با کمک کولرهای آبی ویژه تا نزدیک به ۱ کلوین سرد کرد. روش سردسازی هلیوم-۳ مانند هلیوم-۴ است با این تفاوت که هلیوم-۳ نقطهٔ جوش پایین‌تری، نزدیک به ۰٫۲ کلوین دارد و این فرایند در سردساز هلیوم-۳ روی می‌دهد. 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 اتم‌هایند.) این ویژگی هلیوم در یخچال‌های رقیق‌سازی برای رسیدن به دمای چند میلی کلوین به کار می‌آید.
می‌توان به صورت آزمایشگاهی هم ایزوتوپ هلیوم درست کرد اما این ایزوتوپ‌ها خیلی زود به دیگر ماده‌ها دگرگون می‌شوند. برای نمونه می‌توان از هلیوم-۵ یاد کرد که دارای کوتاه‌ترین نیمه‌عمر،  ۷٫۶×۱۰-۲۲ ثانیه‌است. پس از آن هلیوم-۶ است که تابش بتا و نیمه عمر ۰٫۸ ثانیه دارد. هلیوم-۷ ذرات بتا و پرتوی گاما می‌تاباند. هلیوم-۷ و هلیوم-۸ هر دو در شرایط ویژهٔ واکنش‌های هسته‌ای پدید می‌آیند. هلیوم-۶ و هلیوم-۸ هر دو با نام Nuclear halo هم شناخته شده‌اند. به این معنی که شعاع بدست آمده برای آن‌ها بسیار بیشتر از مقدار پیش‌بینی شده توسط مدل‌های اندازه‌گیری (برای نمونه liquid drop model) است.

ذخایر عمده

هلیوم دومین گاز فراوان در کیهان است اما روی زمین نایاب است به‌طوری‌که قیمت هلیوم در ۱۵ سال اخیر ۵۰۰ درصد افزایش پیدا کرده‌است.
در ژوئن ۲۰۱۶ (تیر ۱۳۹۵) مقادیر بزرگی از هلیوم در صحرای موسوم به «ریفت ولی» تانزانیا در شرق آفریقا 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 «ریفت ولی» باعث انتشار گاز هلیوم در صخره‌های کهن می‌شود که در نهایت در میدان‌های کم‌عمق‌تر گاز به تله می‌افتد.

کاربرد

هلیم دارای ویژگی‌های یکتایی است که در بسیاری جاها به آن نیاز است. این ویژگی‌های هلیوم عبارتند از: نقطهٔ جوش، چگالی و حل‌شوندگی پایین، رسانش گرمایی بالا و واکنش ناپذیر بودن آن. هلیوم منبع تجدید ناپذیر است و با آزاد شدن آن به اتمسفر دیگر امکان بازیابی آن وجود ندارد. در حال حاضر عمر منابع هلیوم به ذخایر گاز طبیعی وابسته است و پیش‌بینی می‌شود بهای هلیوم در آینده همچنان سیر صعودی داشته باشد. از سال ۲۰۰۸ میزان تولید هلیوم، ۳۲ میلیون کیلوگرم یا ۱۹۳ میلیون مترمکعب در سال بوده‌است که بیشترین کاربرد آن (نزدیک به ۲۲ درصد کل در سال ۲۰۰۸) در کاربردهای سردکننده به ویژه در آهن‌ربای ابررسانا در دستگاه‌های ام‌آرآی است. دیگر کاربردهای مهم آن (۷۸ درصد کل در سال ۱۹۹۶) برای ایجاد فشار، هوای پیرامونی کنترل شده و جوشکاری بوده‌است.
از گاز هلیوم در پویشگرهای ام‌آرآی، فضاپیماها، تِلِسکوپ‌ها و دستگاه نظارت بر پرتونگاری هسته‌ای استفاده می‌شود.

هوای پیرامونی کنترل شده

هلیوم به دلیل ویژگی واکنش ناپذیری، به عنوان یک گاز محافظ در کشت بلورهای سیلیسیم و ژرمانیم، تولید در تیتانیم و زیرکونیم و در کروماتوگرافی گازی به کار می‌آید. همچنین به دلیل داشتن ویژگی‌های نزدیک به طبیعت گاز ایدئال، سرعت بالای صدا در آن و نسبت ظرفیت گرمایی بالا، برای کاربرد در تونل‌های باد فراصوتی و ابزارهای آزمون افزایش ناگهانی آنتالپی (Impulse facility) مورد نیاز است.

تشخیص محل نشت

یک کاربرد صنعتی هلیوم، تشخیص جای نشت است. چون هلیوم توان پخش شدن خوبی از میانهٔ بدنهٔ جامد دارد، سه بار تندتر از هوا، برای همین به عنوان گازی که می‌تواند محل نشت را ردیابی کند، بکار می‌رود. برای نمونه می‌توان از مخزن‌های فشارهای بالا یا ابزارهای سردکننده یاد کرد. برای تشخیص جای نشت یک ابزار، آن را درون یک محفظه که اول کاملاً تهی شده و سپس از هلیوم پر شده، می‌گذارند. هلیومی که از محل‌های نشت رد شده را با کمک ابزار طیف‌سنجی جرمی هلیوم شناسایی می‌کنند. این ابزار بسیار دقیق است و دقت آن به ۱۰-۹ mbar·L/s یا 10-۱۰ Pa·m3/s هم می‌رسد. این فرایند اندازه‌گیری معمولاً به صورت خودکار انجام می‌شود و در اصطلاح به آن helium integral test می‌گویند. یک فرایند ساده‌تر شناسایی نشت، پر کردن وسیلهٔ مورد نظر از هلیوم است برای این کار پس از پر کردن، باید با ابزارهای دستی محل نشت را جستجو کرد.
هلیومی که از ترک‌های یک وسیله می‌گذرد را نباید با نفوذ گاز از بدنهٔ ماده اشتباه گرفت. ثابت نفوذ هلیوم از بدنهٔ مواد (شیشه، سرامیک و مواد آزمایشگاهی)، مشخص است و ضریب گذر آن قابل محاسبه‌است. البته بیشتر گازهای بی‌اثر مانند گازهای نجیب و نیتروژن و البته هلیوم، از بدنهٔ بیشتر مواد نمی‌توانند بگذرند.

پرواز

چون هلیوم از هوا سبک‌تر است (نزدیک به ۷ درصد شناوری بیشتری دارد)، برای به هوا رفتن کشتی‌های هوایی و بالون‌ها به گاز هلیوم رو آورده‌اند. همچنین ویژگی‌هایی چون آتش‌گیر نبودن و به تأخیر انداختن آتش باعث سازگاری بیشتری هلیوم برای این کاربردند. با اینکه کاربرد هلیوم در بالون‌ها بسیار شناخته‌است اما این مطلب تنها بخش کوچکی از کاربردهای این گاز است. کاربرد دیگر هلیوم در موشک‌های فضاپیما است. فضای خالی بالای جایی که سوخت قرار دارد را از هلیوم پر می‌کنند؛ این کار باعث می‌شود تا هم جابجایی سوخت و اکسیدکننده‌ها آسان‌تر شود و هم بتوان با آن هیدروژن و اکسیژن را فشرده کرد تا سوخت موشک بدست آید. همچنین برای زدودن سوخت و اکسیدکننده‌ها از ابزارهای پیش از پرواز و پیش خنک کردن هیدروژن مایع در فضاپیما به آن نیاز است. برای نمونه موشک ساترن ۵ در برنامهٔ فضایی آپولو پیش از پرتاب به 370,000 m۳ هلیوم نیاز داشت.

کاربردهای تجاری

به این دلیل که هلیوم به سختی در بافت عصبی حل می‌شود، از آمیخته‌هایی مانند تریمیکس، هلیوکس و هلی ایر یا هوای هلیومی، برای غواصی در عمق‌های بالای آب بهره برده می‌شود تا اثر فشار نیتروژن بر دستگاه عصبی بدن کاهش یابد. در عمق‌های بیشتر از ۱۵۰ متر (۴۹۰ پا) اندکی هیدروژن هم به آمیختهٔ هلیوم-اکسیژن افزوده می‌شود. چگالی بسیار پایین هلیوم در این عمق‌ها کمک می‌کند تا سختی تنفس کاهش یابد.
لیزر هلیوم-نئون، گونه‌ای لیزر با توان کم است با پرتوی قرمز رنگ است که کاربردهای عملی بسیاری دارد. از جملهٔ آن‌ها می‌توان، بارکدخوان و اشاره‌گر لیزری را نام برد. البته پس از چندی این لیزر با لیزر دیودی که ارزان‌تر بود، جایگزین شد.
هلیوم به دلیل داشتن ویژگی‌هایی چون: رسانش گرمایی بالا، واکنش ناپذیر بودن، neutron transparency و نساختن ایزوتوپ‌های پرتوزا در شرایط درون یک رآکتور، در برخی راکتورهای هسته‌ای به عنوان گاز خنک‌کننده و رسانندهٔ گرما، کاربرد دارد.
آمیختهٔ هلیوم با برخی گازهای سنگین تر مانند زنون دارای ضریب ظرفیت گرمایی بالا و عدد پرنتل پایین است و در سردکننده‌های گرمایی صوتی (ترمواکوستیک) کاربرد دارد. ویژگی بی‌اثر بودن هلیوم باعث شده تا برای کاهش آسیب‌های زیست‌محیطی در سردکننده‌های معمولی که اوزون تولید می‌کنند و باعث گرمایش زمین می‌شوند بکار رود.

امنیت

هلیوم طبیعی در شرایط استاندارد، آسیب‌رسان نیست. اندازه‌های بسیار اندکی از این ماده در خون انسان پیدا می‌شود. اگر به جای اکسیژن مورد نیاز بدن، هلیوم را تنفس کنیم امکان خفگی پیش می‌آید. نکته‌های ایمنی گفته شده دربارهٔ هلیوم مایع و کار با آن همانند کار با دیگر نیتروژن مایع است. چون دمای آن بسیار پایین است و ممکن است فرد دچار سوختگی در اثر سرما شود.