הליום

מידע כללי

ההליום הוא גז חסר צבע וריח ובעל קיבול חום סגולי גבוה מאוד. הוא אינו מסוכן לאדם, והכי פחות פעיל מכל היסודות. בתנאי החדר, הוא מתנהג בדומה לגז אידיאלי. הליום מסוגל ליצור תרכובות בלתי־יציבות עם טונגסטן, יוד, פלואור, גופרית וזרחן כשמופגז באלקטרונים. בצורה זו יוצרו התרכובות HeNe, HeF₂, WHe₂ והיונים He₂⁺, HeH⁺ וHeD⁺ (כאשר D הוא דאוטריום). בתנאי לחץ וטמפרטורה רגילים הליום קיים רק כמולקולה חד־אטומית במצב צבירה גזי. 
להליום נקודת הקיפאון הנמוכה ביותר, והוא החומר היחיד שאינו מתמצק כלל בלחץ אטמוספירי, גם לא בטמפרטורת האפס המוחלט. הליום מוצק, המתקבל רק בלחצים גבוהים מאוד, הוא חסר צבע, כמעט בלתי נראה ודחוס מאוד.
הליום הוא מהגזים המעטים בעלי מקדם ג'ול-תומסון שלילי בתנאי לחץ וטמפרטורה סטנדרטיים. פירוש הדבר שכאשר מניחים לו להתפשט מלחץ גבוה ללחץ נמוך, הגז מתחמם. רק מתחת לטמפרטורת האינוורסיה שלו - כ-32 עד 50 קלווין בלחץ אטמוספירי - הוא מתקרר בשעת ההתפשטות. כאשר מקררים את ההליום לטמפרטורה שמתחת ל-K 2.175 הופך ההליום לנוזל-על (superfluid) ומשנה את תכונותיו, הוא נע ללא חיכוך, צמיגותו נעלמת לחלוטין, ומוליכות החום שלו גבוהה, היכולת לזרום במדרון עולה וחדירות דרך פתחים זעירים (מצב זה נקרא גם Helium II).
כיום נוצר הליום בהיתוך גרעיני, בתוך כוכבים כמו השמש, וחומר הגלם להיתוך הוא המימן. דרך אחרת לייצורו היא בביקוע גרעיני מיסודות כבדים. לגרעין ההליום הנוצר בביקוע קוראים "חלקיק אלפא".

היסטוריה

הראיות הראשונות לקיומו של ההליום הוא קו צהוב באורך גל של 587.49 ננומטר, אשר זוהה בספקטרום הכרומוספירה של השמש בזמן ליקוי החמה המלא שהתרחש ב-18 באוגוסט 1868 מעל הודו. האסטרונום הצרפתי, פייר ז'נסן, אשר גילה את הקו הזה, שייך אותו, בטעות, לספקטרום הנתרן. ב-20 באוקטובר של אותה שנה גילה האסטרונום האנגלי, נורמן לוקייר (Norman Lockyer), את אותו קו צהוב בספקטרום השמש, וקרא לו קו D₃, בשל קרבתו לקווים D₁ וקו D₂ של היסוד נתרן. לוקייר חשב שקו זה נובע מקיומו של יסוד הקיים בשמש, אך לא בכדור-הארץ, אותו כינו הוא והכימאי האנגלי אדוארד פרנקלנד בשמה היווני של השמש, ἥλιος ('הליוס').
ב-26 במרץ 1895, בודד הכימאי האנגלי ויליאם רמזי הליום על כדור הארץ על ידי ריאקציה בין המינרל הרדיואקטיבי קלוויט עם חומצות. רמזי חיפש אחר היסוד ארגון, אך לאחר שהפריד את החנקן והחמצן מהגז על ידי חומצה גופרתית הוא שם לב לקו צהוב שהתאים לקו ה־D₃ שבספקטרום של השמש. בזכות גילוי זה, החלו הכימאים פר תאודור קלאב ואברהם לנגלאט באופסלה, שוודיה לבודד הליום מקלוויט. הם הצליחו לבודד כמות מספיקה כדי לקבוע את מסתו האטומית של ההליום.
ב־1907, גילו ארנסט רתרפורד ותומאס רויידס שחלקיקי אלפא הם גרעיני הליום. ב־1908, הצליח הפיזיקאי הגרמני הייק קאמרלניג אונס להפוך הליום גזי להליום נוזלי על ידי קירורו למעלת קלווין אחת בערך. הוא ניסה גם להעביר אותו למצב צבירה מוצק, אך כשל בנסיונותיו היות שלהליום אין נקודה משולשת - נקודה בה החומר נמצא במצבים מוצק, נוזל וגז בו זמנית. הניסיון הראשון בו הצליחו להפוך הליום למוצק היה בשנת 1926 על ידי הסטודנט ויליאם הנדריק קיסום על ידי הגברת לחץ על הליום ל-25 אטמוספירות.
בשנת 1938, גילה הפיזיקאי הרוסי פיוטר קפיצה של-⁴‏He אין כמעט צמיגות בנקודה הקרובה לאפס המוחלט, תופעה הקרויה כיום "נוזל-על". בשנת 1972 אותה התופעה התגלתה גם ב-³‏He.

צורה בטבע

הליום הוא היסוד השני הנפוץ ביותר ביקום, אחרי מימן, והוא מהווה 23% ממסת כל החומר ביקום (לא כולל חומר אפל ואנרגיה אפלה). הליום מרוכז בעיקר בכוכבים (במיוחד בכוכבים חמים), בהם הוא נוצר בתהליך היתוך גרעיני של אטומי מימן, כחלק ממחזור הפרוטון־פרוטון בתהליכים תרמו־גרעיניים.
על פי תיאורית המפץ הגדול, רוב ההליום ביקום נוצר בשלוש הדקות הראשונות של המפץ הגדול.
באטמוספירת כדור הארץ נמצא הליום בריכוז זעום (5.2 חלקיקים למיליון), בעיקר משום שהוא "נמלט" מהאטמוספירה. הליום הוא היסוד ה־71 מבחינת שכיחותו בקרום כדור הארץ.
מקור ההליום בכדור הארץ הוא בדעיכה רדיואקטיבית של יסודות כמו אורניום ורדון, בה נפלטים מהגרעין חלקיקי אלפא, המורכבים משני פרוטונים ושני נייטרונים (שהם למעשה He²⁺). חישובים העלו שכל 1.6 קילומטר מרובע יוצר 15 סנטימטר מעוקב הליום כל שנה.

אמצעי זהירות

הליום טבעי בתנאי החדר הוא לא רעיל ואין לו תפקיד ביולוגי בגוף האדם. הוא נמצא בכמויות זעירות בדם. 
כאשר אדם שואף לריאותיו הליום מתוך מיכל, צליל קולו נעשה גבוה, זמנית. זאת מכיוון שמהירות הקול בהליום גבוהה יותר ממהירותו באוויר אטמוספירי, ולכן אורך הגל הנקלט, קצר יותר. 
רפלקס הנשימה של האדם אינו מגורה מירידת כמות החמצן בדם אלא מנוכחות כמות מסוימת של פחמן דו-חמצני, לכן בשאיפת הליום, שאינו פעיל כימית (בתנאים השוררים בבעלי חיים) משמע אינו רעיל, במקום חמצן, הגוף אינו מבחין בהיעדר החמצן, בגלל הפינוי המתמיד של פחמן דו-חמצני, לאחר מספר דקות התאים ירעבו ובמהרה ימותו בהיעדר החמצן הדרוש בתהליך הנשימה התאית או היפוקסיה, וכל זאת מבלי שהגוף יבחין במצוקה, כלומר בהיעדר תחושת מחנק.