ヘリウム

名称

ノーマン・ロッキャーとエドワード・フランクランドが名づけた。「ヘリウム」とは、ギリシア語で太陽（ἥλιος）を意味する。当時、太陽を構成する元素だと考えられたためである。

特徴

無色、無臭、無味、無毒（酸欠を除く）でもっとも軽い貴ガス元素である。すべての元素の中でもっとも沸点が低く、加圧下でしか固体にならない。ヘリウムは不活性の単原子ガスとして存在する。また、存在量は水素に次いで宇宙で2番目に多い。ヘリウムは地球の大気の0.0005パーセントを占め、鉱物やミネラルウォーターの中にも溶け込んでいる。天然ガスとともにごく微量に産出し、気球や小型飛行船の浮揚ガスとして用いられたり、液体ヘリウムを超伝導用の低温素材としたり、大深度へ潜る際の呼吸ガスとして用いられている。
標準状態において、ヘリウムは単原子ガスとして存在する。ヘリウムを固化するには非常に特殊な条件下に置かなければならない。元素の中で沸点がもっとも低く、標準圧力下では温度を下げて絶対零度になっても不確定性原理のため液体のままであり、固化するにはさらに高い圧力をかける必要がある。臨界温度は5.19Kと非常に低い。固体ヘリウムはヘリウム3とヘリウム4で必要な圧力が異なり、圧力を調節して体積の30パーセントをコントロールすることができる。ヘリウムは比熱容量が非常に高く、密度の高い蒸気となり、部屋の温度が上昇すると素早く膨張する。
固体ヘリウムは1.5K、2.5 - 3.5MPa という非常に低い温度と高い圧力の下でしか存在できない。この程度の温度以上になると、相転移を起こしてしまう。これ以下の温度ではそれぞれ立方体型の分子を作っている。
ヘリウム4の2つの液体状態、ヘリウムIとヘリウムIIは、量子力学の研究（超流動現象）において重要で、物質が超伝導を帯びるような絶対零度に近い超低温で発現する。

発見

ヘリウム原子の存在を示す最初の証拠は、1868年8月18日に太陽の彩層部分を分光スペクトル観測した際の波長587.49ナノメートルの黄色い輝線だった。これを発見したのは、インドのグントゥールで皆既日食を観察していたフランス人天文学者のピエール・ジャンサンだった。彼は当初、この線はナトリウムを示すと考えたが、同年10月20日にイギリス人天文学者ノーマン・ロッキャーがやはり太陽光を分析して黄線を観測し、ナトリウムのフラウンホーファー線記号D₁やD₂に近かったことから、D₃と名づけた。
1882年、イタリアの物理学者ルイージ・パルミエーリは、ヴェスヴィオ山の溶岩を分析していた際に、スペクトルD₃線を見つけた。これが地球上で初めてヘリウムの存在を示唆する証拠となった。
1895年3月26日、イギリスの化学者ウィリアム・ラムゼー卿がクレーベ石（10パーセント以上の希土類元素を含む閃ウラン鉱）と無機酸を反応させる実験を通じてヘリウムの分離に成功し、地球上で初めて生成した。ラムゼーはアルゴンを探していたが、硫酸で発生させたガスから窒素や酸素を取り除いた残りをスペクトル分光して調べたところ、太陽光と同じD₃線を発見した。そしてこれが、ロッキャーやウィリアム・クルックスが名づけた「ヘリウム」であると同定した。実はアメリカの地球科学者ウィリアム・フランシス・ヒレブランドがラムゼーに先立ち閃ウラン鉱標本の試験を行っている際に変わったスペクトルを見つけていたが、彼はこれを窒素のスペクトルと思い込んでいた。ヒレブランドはラムゼーに祝辞の手紙を送っている。
原子量を計測できる程度の量は、スウェーデンウプサラ市でペール・テオドール・クレーベとアブラハム・ラングレが抽出に成功した。
1907年（1903年との説もある）にアーネスト・ラザフォードとトーマス・ロイズは、新しく見つかったガスをガラス管に詰めてスペクトルを調べようとした際に、粒子が薄いガラス壁を通り抜けることを見つけ、アルファ粒子がヘリウムの原子核であることを突き止めた。1908年にはオランダのヘイケ・カメルリング・オネスがガスを1K以下まで冷却し、液化に初めて成功した。彼はさらに温度を下げて固体を得ようとしたが、常圧のヘリウムは三重点を持たないため、これには失敗した。しかし、1926年に、オネスの教えを受けたウィレム・ヘンドリック・ケーソンが1平方センチメートルのヘリウム固体化に初めて成功した。
1938年、ロシアのピョートル・カピッツァは絶対零度近くまで冷却したヘリウム4がほとんど粘性を持っていないことを発見し、これは超流動と呼ばれた。1972年には、アメリカのダグラス・D・オシェロフ、デビッド・リー、ロバート・リチャードソンによって、絶対零度に近い温度域でヘリウム3でも同じ現象が発見された。

産出と利用

1903年、アメリカ・カンザス州デクスターで石油掘削のボーリングが行われたところ、不燃性のガスが湧き出た。カンザス在住の地質学者エラスムス・ハワースがこれを収集し、ローレンス市のカンザス大学で化学者ハミルトン・キャディとデイヴィッド・マクファーランドの協力を得て成分解析を行った。その結果、ガスは質量比で窒素72パーセント、メタン15パーセント（酸素がなかったため燃焼しなかった）、水素1パーセントと、残り12パーセントの成分は解明できなかった。さらに解析を進めた結果、キャディとマクファーランドは、1.84パーセントはヘリウムであることを突き止めた。これによって、地球全体では希少であるヘリウムがアメリカのグレートプレーンズ地下に大量に存在しており、天然ガスの副産物として入手可能だということが判明した。
ただし化石燃料とは生成の経緯が異なり、長い年月をかけてウランとトリウムが放射性崩壊することによりヘリウムができる。アメリカのおもなヘリウム含有ガス田は、ほとんどがカンザス州、オクラホマ州、テキサス州西部の地域にある。
この発見によって、アメリカ合衆国は一大ヘリウム供給国となった。第一次世界大戦時、リチャード・スレルホール卿の助言を受けて、アメリカ海軍は3基の実験的な小規模ヘリウム製造設備に投資した。これは、空気よりも軽く不燃性のガスを阻塞気球に使う目的があった。これ以前、ヘリウムガスは通算で1平方メートルも得られていなかったが、この計画で生産されたガスは純度92パーセントで5,700平方メートルにのぼり、1921年12月1日に処女航行を行った世界初のヘリウム飛行船C-7（アメリカ海軍）にも使われた。
第一次世界大戦中、抽出方法は低温によるガスの液化法からそれほど改良されなかったが、生産は続けられた。当初は飛行船などの浮揚ガス需要が中心だったが、第二次世界大戦中にはそれに加えアーク溶接用の需要が拡大した。ヘリウム質量分析計も原子爆弾を製造するマンハッタン計画で用いられた。
1925年、テキサス州アマリロでアメリカ合衆国連邦政府は「ヘリウム国家備蓄」を開始した。これは、民間の商用や戦時の軍用目的の飛行船へ供給体制を備えることを目的とした「連邦によるヘリウムの国家戦略的備蓄」である。アメリカ軍はドイツへのヘリウム輸出を制限したが、これが水素を用いざるをえなくなったヒンデンブルク号の爆発事故の遠因となった。大戦後にヘリウム需要は縮小したが、1950年代に入ると、宇宙開発競争や冷戦を背景としたロケットエンジンの推進剤用などへ酸素や水素の冷却用として、ヘリウムの用途は広がった。1965年、アメリカのヘリウム消費量は戦時中の最大量の8倍にもなった。「ヘリウム条例1960修正条項（Public Law 86–777）」発布後、アメリカ合衆国鉱山局（USBM）は、カンザス州ブシュトン市にある複数の民間所有ガス精製工場から天然ガス中のヘリウム回収を始め、これを延長684キロのパイプラインでテキサス州アマリロ近郊のクリフサイドにある国家備蓄基地へ集約した。これらのヘリウム-窒素混合ガスはクリフサイド周辺のガス田に再注入され、純度向上と貯蔵を両立させた。
1995年段階で、アメリカのヘリウム備蓄量は10億平方メートル（14億ドル相当）に達し、翌年に議会は貯蔵増の停止と、「ヘリウム民営化条例1996（Public Law 104–273）」を採決して、2005年までに備蓄ヘリウムをすべて販売することを内務省に命じた。ただし、備蓄分の売り切りは2015年と予想される。
1930年から1945年にかけて生産され、飛行船に使われたヘリウムの純度は98.3パーセントであった。1945年には純度99.9パーセントのヘリウムが溶接用に少々製造された。1949年までにヘリウムはグレードA（99.95パーセント）まで商用生産が実現した。
長い間、アメリカは全世界の商用ヘリウム生産量90パーセント以上を担ってきた。そのほかにはカナダ、ポーランド、ロシアなどでも生産された。1990年代中ごろ、アルジェリアのアルゼウにて、全ヨーロッパの需要量をまかなう1,700万平方メートルの新工場が稼動を開始した。2000年までにアメリカのヘリウム総需要は年間1,500万キロまで増加したが、2004年から2006年にかけてカタールのラス・ラファンとアルジェリアのスキクダでそれぞれ新工場の建設が行われた。2007年段階で、ラス・ラファンは稼動率50パーセント、スキクダは未稼働の状態にある。しかし、アルジェリアはスキクダでの生産が始まれば、世界2位の供給国となる。その一方で、世界的なヘリウム需要は価格とともに上昇し、2007年の消費量は2002年比倍増となった。需給バランスの変動により、将来は深刻なヘリウム不足と価格高騰が予測される。
2012年には、世界的なヘリウム供給不足が発生した。原因は、アメリカでの設備トラブル、新興国での需要増などが考えられている。このため、東京ディズニーリゾートでは2012年11月21日からパーク内でのヘリウム風船の販売を休止した。
2013年12月、カタールのラスガスが世界最大級の年産3,680万立方メートルの生産設備を稼動させた。
日本は全量を輸入に頼っているが、財務省の貿易統計では近年の日本の輸入量は年間2,000トン前後。2012年、2013年にはアメリカの生産減で品不足となったが、これを補うためにカタールほかからの輸入が増えている。2013年は全輸入量1,902トン中、米国からが1,747トン（シェア91.8パーセント）、カタールからが121トン（6.4パーセント）、その他からが34トン（2.8パーセント）であったが、2014年に入りカタールのシェアが急増している。
2016年 タンザニアで大規模なヘリウムガス田が発見されたと報道された。

同位体

天然に存在するヘリウムの同位体には、陽子2つと中性子1つからなる「ヘリウム3」と、陽子2つと中性子2つからなる「ヘリウム4」の2種類がある。ヘリウム3は、地球の大気中においてはヘリウム4に対して100万分の1の量しか存在しないため、原子炉で生成されたものが利用される。原子炉内でリチウム6に中性子を照射すると三重水素とヘリウム4ができ、この三重水素がベータ崩壊（半減期12.5年）してヘリウム3となる。
それだけではなく、人工的に作られた同位体としては、ヘリウム6、ヘリウム8、ヘリウム10などがある。
ヘリウムの同位体を用いた地球化学的な応用は大きく分けて2つある。まず、ヘリウム3をトレーサーとして用い、地球物質の循環を探ることである。もうひとつは岩石中に天然に存在する放射性同位体であるウランやトリウムのアルファ崩壊にともなって放出されるヘリウム4の蓄積量から、その岩石の生成年代を求めること（U, Th/He 放射年代測定）である。