Helio

Helioa elementu kimiko bat da, He ikurra eta 2 zenbaki atomikoa dituena. Ez du kolore, zapore ezta usainik, ez da toxikoa eta ia guztiz inertea da. Gas nobleen zerrendan lehena da. Elementu guztien artean irakite- eta urtze-puntu txikienak dituena da eta gas egoeran dago ezohiko hotz eta presiopean ez bada. Ezohiko presio eta tenperaturak medio soilik lor liteke helioa elementu gutxi batzuekin konbinatzea.

1868. urtean Pierre Janssen astronomo frantsesa izan zen helioa lehen aldiz detektatu zuena, eguzki eklipse batean jasoriko eguzkiko argi espektroan ageri zen argi espektral hori baten erregistroaren bidez. Estatu Batuetako gas naturalaren erreserbetan dago helio erreserbarik handiena eta AEB da helio ekoizlerik handiena. Helioak erabilpen anitz ditu, besteak beste kriogenian, murgilketa sakonerako arnas ekipamenduan, iman supereroaleen errefrigerazioan, helio datatze izeneko datatze sisteman, globo aerostatiko eta zeppelinetan sostengatzaile gisa, babeserako gas bezala aplikazio industrial anitzetan (soldaduretan adibidez)... Helioa arnastuz gero, aldi batez ahotsaren tonua aldatzen du presio uhinak era ezberdinean eroaten baititu (toxikoa ez den arren arriskutsua izan liteke).

Helioa unibertsoko bigarren elementurik arruntena da, baita bigarren elementurik arinena ere. Big Bang-ean sortu ziren elementuetako bat da. Unibertsoan gaur egun sortzen den heliorik gehiena hidrogeno atomoetatik abiatuz sortzen da izarretako fusio nuklearretan. Lurrean, helioa zenbait elementu erradioaktiboren desintegrazioan sortzen da (izatez, alfa desintegrazioan sortzen diren alfa partikulak helio-nukleoak dira). Horrela sortzen diren partikuletako zenbait gas naturalean biltzen dira, eta %7ko kontzentrazioan egotera irits daitezke. Gas naturaletik helioa bereizteko, gasa tenperatura oso txikietaraino hozten da, zatikaturiko destilazio deritzon prozesuaren bidez.

4He isotopoa da arruntena, eta nukleoan bi protoi eta bi neutroi ditu. Elektrikoki neutroak diren He atomoek bi elektroi izaten dituzte inguruan. Helioak badu beste isotopo egonkor bat hain arrunta ez dena, 3He hain zuzen, neutroi bakarrekoa. 4He-ak, helio arruntak alegia, bi fase eduki ditzake likido egoeran: helio I eta helio II faseak. Bi fase hauek mekanika kuantikoaren ikuspuntutik ikertu ohi dira, bereziki superfluidotasun fenomenoak ulertzeko. Helio likidoa materiaren supereroankortasunean zero absolututik gertu izaten diren aldaketak ikertzeko erabiltzen da.fff

Historia

Aurkikuntza 

Pierre Janssen astronomo frantsesa izan zen 1868ko abuztuaren 18an helioaren aztarnak aurkitu zituen lehena egun hartan gertatu zen eklipsean zehar eguzkiaren kromosferaren espektroa aztertu eta 587,49 nanometroko uhin luzeran lerro argi hori bat jaso zuenean Indiako Guntur hirian zegoela. Hasieran espektroko marka honek sodioa adierazten zuela uste izan zen. Urte bereko Urriaren 20ean Norman Lockyer astronomo ingelesak D3 izenpetu zuen lerro horia antzeman zuen, izena lerro honetatik gertu dauden D1 eta D2 lerroetatik dator zeinak sodioa adierazten duten. Norman Lockyerrek lerro honek lurrean aurki ez zitekeen elementu bat adierazten zuela iritzi zuen. Lockyer eta Edward Fankland kimikari ingelesa izan ziren grezieraz eguzkia adierazten duen hitza, ἥλιος (helios), elementu berri honi egotzi ziotenak.

1882 urtean, Luigi Palmieri italiar fisikariak lurrean helioa detektatu zuen lehenengo aldiz D3 lerroaren bitartez. Vesubio mendiko laba analizatzean gertatu zen.

1895eko martxoaren 26an William Ramsay kimikari eskoziarrak klebeita (uraninita mota bat, gutxienez 10%-a lurreko elementu arraroekin osaturik dagoena) izeneko mineralekin nahastuz helioa lurrean bereizi zuen lehenekoz. Ramsay argoi bila zebilen baina klebeitak azido sulfurikoarekin erreakzionatzerakoan sortu zen gasetik nitrogeno eta oxigenoa bereizi ondoren lortu zuen espektroan eguzkiaren kromosferan detektatu zen D3 lerro hori berbera antzeman zuen. Norman Lockyer eta William Crookes fisikari ingelesek Ramsayk antzemandako lerro honek helioa adierazten zuela konfirmatu zuen. Urte berean eta Ramsayren lorpenak ezagutu gabe Per Teodor Cleve eta Abraham Langlet kimikari suediarrek Suedian bertan dagoen Uppsala hirian helioa lortu zuten klebeitatik ere, gainera kasu honetan zehaztasun nahikoarekin elementu berriaren masa atomikoa neurtzeko haina helio bereizi ahal izan zuten. William Francis Hillebrand geokimikari estatu batuarrak aurkikuntza bera burutu zuen Ramsay berak baino lehenago uranita mineralaren espektroa aztertzen zebilela aipaturiko D3 lerroa ikusi zuenean, hala ere Hillebrandek kasu honetan marka hori nitrogenoari egotzi zion tamalez. Hillebrandek Ramsayri gutun bat idatzi zion helioa lehenekoz aurkitzetik zein gertu egon zen konturatu zenean.

1907 urtean Ernest Rutherford eta Thomas Royds fisikariek alfa partikulak helio atomoen nukleoak zirela aurkitu zuten, honetarako iturri batek igortzen zituen alfa partikulak hutsik zegoen kristalezko hodi baten pareta zeharka zezatela lortu zuten, hodi barnean agertu zen gasaren espektroak helioa zela adierazi zuen. Heike Kamerlingh Onnes fisikari holandarrak 1908 urtean lortu zuen lehenekoz helioa kondentsatzea, zeina horretarako kelvin gradu bat baino tenperatura baxuagora hoztu zuen. Helio likidoa lortu ondoren tenperatura gehiago jaitsiz helio solidoa lortu nahi izan zuen baina ez zuen horrelakorik lortu, gaur egun badakigu helioak ez duela puntu hirukoitzik non fase gaseoso, likido eta solidoa batera existitzen diren. Aurrekoaren ikasle izandako Willem Hendrik Keesom-ek lortu zuen lehen aldiz helio solidoa 1926an; horretako tenperatura oso baxuez gain 25 atmosferako presioa behar izan zuen.

1938. urtean Pyotr Leonidovich Kapitsa fisikari sobietarrak helio 4 bosoiak zero absolututik gertu zeuden tenperaturetan ia biskositaterik ez zuela antzeman zuen, gaur egun fenomeno honi superjariakortasun esaten zaio. Fenomeno hau Bose-Einstein kondentsatuarekin erlazionaturik dago. 1972an zero absolututik askoz ere gertuago helio 3arengan portaera bertsua antzeman zuten Douglas D. Osheroff, David M. Lee eta Robert C. Richardson fisikari estatu batuarrek. Helio-3aren kasuan uste da superjariakortasuna fermioiak bikoteka bosoiak osatzeko elkartzen direnean agertzen dela, supereroakortasunaren kasuan Cooperren elektroi bikoteekin gertatzen den antzera.

Lehen ekoizketa eta erabilerak 

1903 urtean estatu batuetan dagoen Kansas eskualdean burutzen ari ziren prospekzio batzuetan su hartzen ez zuen gas geiser bat agertu zen. Erasmus Haworth estatu hartako geologoak handik irteten zen gasaren lagin zenbait jaso zuen eta Kansaseko unibertsitatera eraman zuen non Hamilton Cady eta David McFaland kimikariekin batera laginetan agertzen ziren gasak aztertu zituzten. Bertan bolumenaren arabera %72 nitrogeno, %15 metano (erretzeko ez nahikoa), %1 hidrogeno eta gas ezezagun baten %12 zegoela aurkitu zuten. Analisi sakon baten ostean Cady eta McFarlandek laginaren %1,84a helioa zela aurkitu zuten. Aurkikuntza honek lurrean helioa uste zena baino kopuru handiagoan aurki zitekeela erakutsi zuen, bereziki estatu batuetako lautada handien azpian erretserba itzelak zeudela gas naturalarekin nahasturik.

Aurkikuntza honi esker Estatu Batuak munduko helio ekoizle handiena bihurtzea ahalbidetu zuen. Sir Richard Threlfall en iradokizunei jarraiki AEBetako armadak helioa lortzen zuten hiru lantegi eraiki zituen lehen mundu gerrak irauten zuen artean. Proiektu hauen helburua gas erregaien beharrik ez zuten globo eta zepelinak eraikitzea zen. Ordurarte soilik 100 litro inguru helio lortu izan bazen ere fabrika haiek 5.700 m3 bildu zituzten %92ko garbitasunarekin gainera. Gas guzti honen zati bat helioak sustengaturiko lehen aerostatoa betetzeko erabili zen, EABko armadaren C-7 izeneko aireontzia, zeinak lehen bidaia Virginian dagoen Hampton Roadsetik Washingtongo Bolling Fieldera burutu zuen 1921eko abenduaren 1ean.

Helioa gasen kondentsazio bitartez lortzeko metodoa ez zen lehen gerrate bukaeraldera garatu, hala ere ekoizketan bere hortan jarraitu zuen. Helioaren erabilera nagusia aerostatoen sostengu gisa izan zen. Bigarren mundu gerra urreratu ahala zepelinentzako helio beharrak gora egin zuen ikaragarri bai eta soldaketa gas lez erabiltzeko eskaera. Lehen bonba atomikoa garatu zuen Manhattan proiektuan ere helioa erabili zen.

Amerikako Estatu Batuetako gobernuak 1925 urtean Helio Erreserba Nazionala sortu zuen Texaseko Amarillon bake garaian aireontzi komertzialak eta gudetan aireontzi militarrak betetzeko. AEBk garai hartan Alemaniari ezarririko debekuek Alemaniako helio iturri nagusia bertan behera utzi zuen eta hortaz euren aireontziak hidrogenoz bete behar izan zituzten Hindenburgaren akzidente gogoangarriaren arrazoi nagusia. Bigarren mundu gerra ostean helioz beteriko aireontziak alde batera utzi baziren ere helio likido eskaerak gora egin zuen eta horrela Amarilloko erreserba handitu behar izan zen. Helio likido oro har hoztaile bezala erabiltzen zen besteak beste koheteek erabiltzen duten oxigeno eta hidrogeno likidoa lortzeko oso garrantzitua izan zena garaiko lasterketa espazial baita gerra hotzean ere. 1965ean urtean AEBk erabiltzen zuen helioa bigarren mundu gerran erabiltzen zena zortzi aldiz zen.

1960ko hamarkadan AEBk bost konpainia pribaturi helioa gas naturaletik lortzeko baimena eman zien horrela helio eskaerari aurre egin ahal izateko. 684 km luzerako gasbidea eraiki zuten Kansaseko Bushtonetik gobernuaren Cliffsideko erreserbetaraino, Texaseko Amarillo hiritik gertu. Gasbidean zehar helioa nitrogenoarekin nahasturik garraiatzen zen horrela metatu eta behar zen garaian purifikatzeko. 1995 urterako mila milioi metro kubiko helio lortu ziren; AEBen erreserbek 1400 milioi dolarreko zorra zuten. 1996 urtean AEBetako kongresuak 1996ko Helioaren Pribatizazio Dokumentua argitaratu zuen, erreserba saltzeko agindua jasotzen zuena, eta epea 2005erainokoa zen.

1945. urtearen aurretik ekoizten zen helioaren garbitasuna %98koa zen, eta %2 inguruko nitrogeno maila zuen. Urte horretan bertan lehenekoz %99,9ko garbitasuna zuen helioa ekoizten hasi zen batik bat soldaketarako. 1949 urterako A kalitatezko %99,995eko garbitasuneko helioa iada bazen erosgai.

1990eko hamarkadararte AEB munduko helio komertzial guztiaren %90aren jatorria zen, eta gainerako ekoizleak Kanada, Polonia eta Errusia ziren batik bat. 1990ko hamarkadan Algeriako Arzewen helio ekoizpen zentru berri bat eraiki zuten ekoizpen errendimendu oso altukoa, Europa osoko helio eskaerak asetzeko hainakoa. 2004-2006 urteen artean Qatargo Ras Laffenen eta Algeriako Skikdan beste bi zentru eraiki ziren eta iada Algeria munduko bigarren helio ekoizlea dugu. Garai honetan bai helioaren kontsumoa eta bai ekoizte kostua ere handitu egin ziren. 2002 eta 2007 urte tartean prezioa bikoiztu egin zen eta 2008an %50 ere igo ziren.

Ezaugarri nagusiak

Gas eta plasma egoera 

Helioa elementu kimikoen artean erreaktibotasun txikiena duena da (gas noblea izaki); monoatomikoa eta inertea da ia edozein egoeratan. Helioaren masa molar txikia dela eta, gas egoeran bere eroankortasun termikoa, bero espezifikoa eta presio uhinen eroate abiadura (soinuaren abiadura azken finean) gasetan bigarren handienak dira hidrogenoarenen atzetik. Arrazoi bertsuak direla eta, helioak solidoak zeharkatzeko duen difusio gaitasuna airearena baino hiru aldiz handiagoa da eta hidrogenoarenaren %65a da.

Gasen artean, helioak uretan disolbatzeko gaitasunik txikiena du eta errefrakzio indizea beste gas guztiena baino hurbilago dago unitatetik (1 zenbakia alegia). Tenperatura normalean helioaren Joule-Thomson koefizientea negatiboa da, hau da bere kabuz zabaltzen bada, hedatu, berotu egiten da. Joule Thomson koefizienteak zero balioa izaten du presio eta tenperatura baldintza jakin batzuetan (P = 1 atm eta T = 40 K-eko baldintzetan, adibidez, helioaren koefizienteak zero balio du). Puntu honi Joule-Thomson inbertsio tenperatura esaten zaio eta presioaren araberakoa da. Bada helioa bere inbertsio tenperaturaren azpitik dagoenean bere kabuz zabaltzen denean hoztu egiten da beste gasen antzera. Helioa likido bihurtzeko sistemetako batek propietate hau erabiltzen du: lehenik inbertsio tenperaturaz harago hozten da eta gero bere kabuz zabaltzen uzten badugu helioa gehiago hoztuko da bere kondentsazio puntua lortzen duen arte non likido bihurtuko den.

Plasma egoeran aurki genezake unibertsoko helio gehiena. Helio plasmaren eta helio atomikoaren ezaugarriak nahiko ezberdinak dira. Plasma egoeran ez da protoi eta elektroien arteko loturarik eta beraz eroankortasun elektrikoa asko hazten da, baita gasa guztiz ionizatu ez bada ere. Eremu magnetiko eta elektrikoek sekulako eragina dute plasmaren baitan dabiltzan kargadun partikulengan. Adibidez, eguzki-haizeak dakarren helio eta hidrogeno ionizatuak lurraren eremu magnetikoaren eragina jasaten du eta elkarrekintza hau dela eta, Birkelanden korronteak edota aurora boreal eta australak sortzen dira.

Egoera solido eta likidoa 

Helio solidoa kolorerik gabekoa da, ia ikustezina eta oso konprimagarria, Los Alamos-eko Laborategi Nazionalean (AEB) adibidez helio solidoa presiopean %30-tik harago murrizten dela antzeman dute. Presio uniforme batek helioarengan sortzen duen deformazioa tamaina modulua (bulk modulus) deritzan magnitudearen bidez antzeman liteke, Helioaren modulua 5×107 Pa da, urarena baino 50 aldiz handiagoa, hau da, helio solidoa izotza baino 50 aldiz konprimagarriagoa da. Helio solidoa lortzeko presio ikaragarri handiak behar dira, hori dela eta helioa presio normalean (presio atmosferikoaren inguruan) zero absoluturaino hoztea lortuko bagenu oraindik ere likido egoeran egongo litzateke. Ezaugarri hori duen elementu bakarra da, beste elementu guztiak solidoak baitira baldintza horietan. Guzti hau mekanika kuantikoari esker aurreikus dezakegu: helioaren zero puntuko energia handiegia da solido egoera ahalbidetzeko. Orain arte lortu den helio solidoa 1 eta 1,5°K (-277°C) inguruko tenperatura eta 2,5 MPa-eko (gutxi gorabehera 25 aldiz presio atmosferikoa) presioarekin lortu da. Oso zaila da helio solidoa eta likidoa elkarrengandik bereiztea, biek errefrakzio indize antzekoa baitute, hau da, argiak ia berdin jokatzen du bi faseak zeharkatzerakoan. Helioa oso erraz urtzen da eta egitura kristalinoa du.

66 atmosferatako presioan eta 1,15 ºK-tan helio solidoaren dentsitatea 214±6 kg/m3 koa da. Baldintza horietan konprimagarritasun isotermoa 0.0031 ±0.0008/atm-koa da. Saiakuntzetan ez da dentsitatean ia aldaketarik antzeman 1,5 eta 1,8 ºK artean; hori dela eta, uste da 0ºK eta 2,5 MPa-ko presioan helio solidoaren dentsitatea 187±9 kg/m3 izango litzatekeela.

Helio I egoera 

Helioaren irakite puntuaren (4,22ºK) eta lambda deritzan puntuaren (2,1768ºK) artean helio-4 isotopo koloregabea aurki genezake egoera likido arruntean, fase honi helio I deritzo. Beste likido kriogenikoen antzera, helio I-a berotzen denean irakiten hasten da. Helio I fasea hozten badugu berau konprimatu egiten da, bolumena murriztu egiten da, lambda puntura iritsi artean non irakiteari utzi eta hedatzeari ekiten dio, hau da bolumena areagotzen hasten da. Lambda puntuan nabari den hedatze joera txikitu egiten da tenperatura jaitsi ahala 1ºK ingurura iritsi artean, tenperatura honetan hedatzea eten eta berriro ere konprimatzen hasten da.

Helio I-aren errefrakzio indizea gasek izan ohi dituzten balioen antzekoa da 1,026-koa baita; ezaugarri honi esker helio I-aren gainazala ia ikusezina da eta polimero zatitxoak erabili ohi dira gainazala non den antzeman ahal izateko. Likido koloregabe honek biskositate txikia du oso eta bere dentsitatea urarenaren zortzirena dugu, alegia, fisika klasikoak aurreikusten zuen balioaren laurdena. Teoria klasikoaren akats hau mekanika kuantikoaren bidez saihesten da: helioaren bi fase likidoei (orain tratatzen ari garen helio-Ia eta ondoren datorren helio-II-a) jariakin edo fluido kuantiko deritze, eskala makroskopikoan fenomeno atomikoen ondorioak aurkezten dituztelako. Portaera kuantiko honen zergatia irakite-tenperatura txikian aurki genezake ziurrenik, izan ere, 0ºK edo zero absolututik oso gertu baitago, eta hain tenperatura hotzetan molekulen mugimendu kaotikoa hutsaren urrena da eta horrek beste kasu askotan ikusi ezin litezkeen fenomenoak agerrarazten ditu.

Helio II egoera 

Lambda puntua baino hotzagoak diren tenperaturetan helio likidoak zenbait ezohizko ezaugarri darakusta. Egoera honi Helio II deritzo eta superfluido bat dela esan ohi da. Helio II-aren eroankortasun termikoa hain da handia ezen irakingaitza dela, hau da, ezinezkoa da helio II-a irakinaraztea, berotuz gero bapatean gas bihurtzen baita. Helio-3 isotopoak superfluido fase bat ere badu, nahiz eta tenperatura hotzagoetan agertu. Helio-3 superfluidoa lortzeko zailtasuna dela eta, gutxi dakigu honi buruz.

Helio II-a superfluido bat dugu, hau da, mekanika kuantikoak aurreikusten duen ezohizko ezaugarriak dituen materiaren egoera bat. Besteak beste nahiz eta helio II-a 10−7 eta 10−8 metroko zabalera duten kapilarretan zehar (kapilarrak hodi izugarri estuen antzekoak dira) iraganarazi ezin izan da biskositaterik antzeman, hau da Helio II-ak ez du nolabaiteko marruskadurarik kapilarretako paretekin. Hala ere higitzen diren bi diskoen artean Helio II-a iraganarazten denean helio gaseosoarenaren pareko biskositatea neurtu ahal izan da. Aurreko kontraesana bi-fluidoen modeloa deritzanaren bidez ebazten da gaur egun. Modelo honek dioenez lamda puntu azpitik helio likidoaren baitan dabiltzan helio atomoak bi egoeratan aurki litezke: Alde batetik zenbait atomo mekanika kuantikoan ground state deritzan egoeran egongo lirateke, hau da energia maila minimoa lukete, eta atomo hauek ematen dizkiote helio II-ari superfluido baten propietateak, besteak beste biskositate gabezia. Bestalde gainontzeko atomoak kitzikaturik leudeke, hau da energia maila gorenago batean eta atomo hauek fluido arrunt baten propietateak agerrarazten dituzte, hala nola biskositatea. Bi atomo mota hauen proportzioan legoke biskositateari eta beste zenbait efektuei dagokienean kontraesanen muinean.

Helio IIan iturri efektu esan dakiokeen portaera du. Helio II gordailu bati kapilare oso finak dituen tapoi bat jartzen badiogu Helio IIaren baitan dauden superfluido atomoek (ikus gorago bi-fluidoen modeoa) kanpora alde egingo dute tapoian zehar, helio likido arruntaren atomoak berriz barnean geratzen dira (biskositateak ez ditu zirrikitu estuetatik pasatzen uzten). Gauzak horrela gordailua berotzen bada barneko superfluido partikula kopurua murriztu egingo da likido arrunt bihurtuz, murrizte honek bi fluido moten arteko oreka aldatzen du eta berau mantendu nahian irteten ari zen suprefluidoa berriro ere sartzen hasten da, eta honek presio gainkarga bat dakar helio likidoa txorrotadaka tapoitik irteten hasten den arte, iturrietan bezala.

Helio IIak ezagutzen diren substantzien arteko eroankortasun termiko handiena du, helio Iarena baino milioika aldiz handiagoa eta kobrearen eroankortasun termikoa ehunka aldiz hobetzen du. Honen zergatia helio IIak beroa garraiatzeko erabiltzen dituen maila kuantikoan ematen diren mekanismoei zor diegu. Bero eroale hoberenek hiru elektroi izaten dituzte balentzia bandan zeinak beroa eroateaz arduratzen diren, Helio IIak ez du balentzia bandaren parekorik eta hala ere beste ezerk baino hobe eroaten du. Helio IIan eroankortasun termikoa modelizatzeko erabiltzen diren ekuazioak soinua airean eroaten den era argitzeko erabiltzen diren uhin ekuazioen antzekoak dira. Soinua airean soinuaren abiadan edatzen den bezala beroa 20 m/sg-ko abiaduran edatzen da helio IIan zehar 1,8 ºKeko tenperaturan, bero hedaketa fenomeno honi bigarren soinu (second sound) deritzo soinuaren medioen zeharkako hedadurarekin duen antza dela eta.

Helio IIak narras efektua izeneko fenomenoa ere antzeman da. Helio IIan objektu baten zati bat ondoratzen badugu helio IIak objektuan gora egiten du, eta grabitatearen aurka jokatzen duela dirudi. Helio IIa itxirik ez dagoen edukiontzi batean badago paretetan gora egin eta alde egingo du zona beroago batera iritsi arte non gas bihurtuko den. Narrasean dabilen helioa 30 nanometro inguruko lodiera duen likido pelikula edo geruza fin baten forman mugitzen da material guztietan. Geruza edo pelikula honi Rollin geruza esaten zaio, Bernard V. Rollin fenomeno honen aurkitzailearen omenez. Helio IIak narrasean aritzeko duen joeraren eta zirrikitu txikietatik alde egiteko duen erraztasunagatik oso zaila da helio likidoa gordetzea. Gordailua ez bada kontu handiz eraiki eta zaintzen helio IIak gainazal eta balbuletan zehar alde egingo du gune epelagoren bat aurkitu artean non lurrundu egingo den. Rollin geruzetan barreiatzen diren uhinak grabitatearen eraginez higitzen diren uhinen antzekoak dira (ur axaletako olatuak bezala) baina kasu hontan grabitatearen beharrean Van der Waals-en indarrak dira mugimenduaren eragile. Uhin hauei hirugarren soinu (third sound) esaten zaie soinua uhinen bidez barreiatzen baita baita ere.

Isotopoak 

Helioak dakigunez zortzi isotopo ezberdin ditu horietako bi soilik, helio-3 eta helio-4a egonkorrak direlarik. Lur planetako atmosferan He-4 isotopoaren milioi bat atomoko He-3 atomo bat legoke, hau da He-3aren kontzentrazioa He-4arena baino milioi bat aldiz txikiagoa da. Helioaren sortze prozesuaren arabera isotopo bat edo beste era liteke. Helioaren isotopo arruntenak, helio-4ak, lurrean nukleo astunagoen desknposaketa erradiaktiboan igortzen diren alfa partikuletan du jatorria. Alfa partikula hauek helio-4 nukleoak izan ohi dira. Helio-4aren nukleoak ezohizko egonkortasuna du bertako nukleoiek oso egitura irmoa baitute. Big Bangean sortu zen helio-4 atomo gehien hala ere.

Helio-3 oso gutxi dago lurrean, gehiena lurraren sorreratik eta gainontzekoa orduzgeroztik espaziotik iritsitakoa . Helio-3aren kantitate murritzak deskonposaketa erradiaktiboak sortzen ditu tritioa deskonposatzen denean. Lurreko kanpoaldeko geruzetako harroketan helio isotopoen kontzentrazioen arteko erlazioek harroken jatorri eta antzinatasunaren berri ematen digute eta lurraren mantuaren konposizioa aztertzeko erabili daitezke. He-3a espazioan lurrean baino arruntagoa da izarretako fusioaren emaitzetako bat baita; espazioan dagoen He-3aren proportzioa lurrekoa baino 100 aldiz handiagoa da. Planeta, kometa, satelite eta gainantzeko materia zerutarrean He-3 arrasto txikiak aurkitu dira ziurrenik eguzki-haizearen bonbardaketaren ondorio. Ilargiaren gainazalean 0,01 parte milioiko He-3 neurtu da. Zenbait aditu eta idazleek ilargiko He-3a bildu eta fusio nuklearrean erabiltzearen inguruan espekulazioak burutu dituzte, Gerald Kulciskik izan zen lehena 1986 urtean.

Lurrunketa bidezko hozketa erabiliz helio-4 likidoa 1ºK-rarte hoztu liteke. Kondentsazio tenperatura baxuagoa duen helio-3ari antzeko prozesuak aplikatzen bazaizkio 0,2 ºKrarte hoztu liteke. 0,8ºK azpitik He-3 eta He-4 kantitate bera nahasten badugu bi fase ezberdin eta nahastezin ikusiko lirateke, hau da, 0,8ºK azpitik bi isotopoak nahastezinak dira bere ezberdintasun kuantikoak tenperatura hauetara nabarmendu egiten baitira (He-4 atomoak bosoiak dira eta He-3 atomoak ordea fermioiak). Bada diluzio hozkailu izeneko gailu kriogeniko bat zeina bi isotopoen faseen nahastezintasunaz baliatzen den milikelvin mailako tenperaturak lortzeko.

He-3 eta He-4az beste helio isotopoak ekoiztea posible den arren hauek azkar asko deskonposatzen dira bizi laburrekoak baitira ezegonkorrak izaki. Biziraupen laburrena duen helio isotopoa helio-5a dugu isotopo honen iraupena 7,6×10−22 segundoetakoa delarik. Helio-6ak 0,8 segundo irauten ditu beta partikula bat igorriz deskonposatzen delarik. Helio-7a beta partikulaz gain gamma izpi bat igortzen du deskonposatzen denean. Bai He-7a zein He-8a zenbait erreakzio nuklearren ondorioz agertzen diren hiperfragmentuak lirateke. He-6 eta He-8arengan halo edo dizdira nuklearra antzeman ahal izan da. Helio-2a (neutroirik ez duen protoi bikotea) protoi bat igorriz deskonposatu eta protioan bihurtzen den erradioisotopoa dugu bere biziraupena 3x10−27 segundoetakoa delarik.

Osagaiak 

Baldintza normaletan helioaren erreaktibitatea hutsaren urrena da bere balentzia, beste gas nobleena bezala, zero baita. Ionizaturik ez dagoenean isolatzaile elektrikoa da. Beste gas nobleen antzera helioak baditu metastable deritzen energia mailak behin ionizaturik dagoenean ionizazio potentziala baino baxuagoak diren potentzial elektrikoek ionizaturik mantentzea ahalbidetzen dutenak. Korronte elektriko batek helio plasma iragaten duenean helioak konposatu ezegonkorrak osa ditzake besteak beste tungsteno, iodo, fluor, sufre eta fosforoarekin. HeNe, HgHe10, WHe2 molekula neutroak eta He2+, He22+, HeH+(Hidrohelio ioia), HeD+ ioi molekularrak eratu ahal izan dira gaurdaino sistema hau erabiliz. Helio plasman zehar doazen korronteak aplikatuz, He2 molekula neutroa sortzea lortu da, zeinak espektroan banda sistema anitz dituen. Beste molekula bat HgHe molekula dugu zeina polarizazio indarren bidez soilik kohesioa mantentzen duela dirudien. Teoriak beste zenbait konposatu aurreikusten ditu, besteak bete helio fluorhidridioa (HHeF) 2000. urtean aurkituriko argoi fluorhidridoaren (HArF) antzekoa litzatekeena.

Badira fulereno izeneko karbono atomoz osaturiko egitura molekularrak. Molekula hauek karbono atomoekin eraikitako egitura geometrikoen antzekoak lirateke. Bada helio atomoak fulereno molekulen barneko hutsuneetan txertatzea lortu da gaurdaino ezagutzen diren heliodun molekula egonkor bakarrak osatuz. Txertatzea berotu ostean presio altuak aplikatzerakoan burutzen da. Heliodun molekula berri hauek egonkortasunari eusten diote, egonkortasuna hala ere mugatua da betiere molekula hauek tenperatura jakin batetik gora berotzean desegiten baitira. Barnean helioa duten fulerenoekin konposatu berriak osatzen direnean helioak molekulen barnean tokiari eusten dio. Molekula hauen ekoizketan helio-3 isotopoa erabili izan da NMR espektroskopiaren bidez erraz detektatzen baita. Gaurdaino helioa fulereno ugaritan txertatu ahal izan da. Molekula hauen barneko helioak ez ditu lotura ez kobalente ez ionikoak sortzen baina hala ere molekulak direla esan dezakegu.

Ekoizpena eta prospekzioa

Helioa naturan 

Helioa aztergai den unibertsoko bigarren elementu arruntena dugu, hidrogenoa litzateke lehena, unibertsoko masa elementalaren %23a osatzen duelarik. Helio gehiena izarretan dago eta hidrogeno fusio prozesuen emaitza dugu. Big Bangaren teoriaren arabera unibertsoko helioaren gehiengoa Big Bangaren nukleosintesian zehar sortu zen, Big Banga gertatu eta handik minutu bat eta hiru minutu artean gutxi gorabehera.

Lurreko atmosferak 5,2 parte milioiko helio du. Helioaren arintasuna dela eta prozesu ugariren bitartez helio atomoek espaziora alde egiten dute; eguzki haizeak eta beste zenbait fenomenok galera hau konpentsatzen dute helio atmosferikoaren kontzentrazioa ia konstantea delarik. Lurreko heterosferan, atmosfera garaiko zonalde batean, helioa eta beste zenbait gas arin elementurik arruntenak dira.

Lurrean aurki litekeen helio gehiena deskonposizio erradiaktiboaren ondorio dugu. Elementu erradiaktiboek orohar alfa partikulak igortzen dituzte eta alfa partikula hauek ez dira helio atomo nukleoak besterik (He2+). Alfa partikulak falta zaizkien bi elektroiak lortzen dituztenean helio atomo bihurtzen dira. Mineral erradiaktibo nagusiak honako hauek dira: uranioa, torioa, klebeita, karnotita eta monazita. Mineral hauek igortzen duten helioaren batezbesteko kopurua 3,4 litrokoa da urteko eta lurrazaleko kilometro kubikoko. Lurrazalean helio kontzentrazioa milia milioiko 8 partekoa dugu. Itsasoko uretan kontzentrazioa eskasagoa da oraindik bilioiko 4 partetakoa baita. Helio kopuru txikiak gainontzeko mineraletan, sumendietako gasetan eta burdin meteorikoan aurki litezke baita ere. Lurreko helio kontzentrazio altuenak gas naturalean daude helio komertzialaren iturri nagusia delarik. Kontzentrazioa asko aldatzen da, milioiko parte gutxi batzuetatik San Juan County-n dagoen gune bateko 7%-ra.

Ekoizpena gaur egun 

Helio komertziala gas naturalaren frakzio distilazio bidez lortzen da gas naturalak %7rainoko helio kontzentrazioak izan baititzake. Helioak elementuen arteko irakite tenperatura baxuena duenez gas naturala hoztu eta konprimitu egiten da helioaz beste elementuak, metano eta nitrogenoa batik bat, likidotu daitezen eta horrela geratzen den gasa jasotzeko. Horrela lorturiko helioa behin eta berriz prozesu beraren bidez garbitzen da gas egoeran gera litekeen nitrogeno eta metanoa ezabatzearren.Aktibaturiko ikatz filtroak erabiltzen dira purifikazioaren azken pausoetan bereziki A mailako %99,995eko garbitasuna duen helioa lortzeko. A mailako helioan aurki litezkeen beste gasen arrastoen artean neoia litzateke garrantzitsuena. Behin distilazioa amaitzen denean helioa prozesu kriogenikoen bidez likidotu egiten da. Helioa likidotzearen arrazoia garraioa erraztea da batik bat, baita likido egoeran helioak dituen propietateak erabiltzea ere.

2008 urtean 169 milioi metro kubiko helio merkaturatu zen, kopuru honen %78a AEBk ekoiztua zelarik, %10 Algeriak eta gainontzekoa Errusia, Polonia eta beste gutxi batzuk. Gas naturala zenbait material iragazkor berezietan zehar difunditzea helioa garbitzeko beste sistema bat dugu. Bada helioa lortzeko gas naturalik behar ez duen sistemarik, besteak beste helioa litio eta boro partikulak abiadura handiko protoiekin bonbardatu ezkero sintetiza liteke nahiz eta sistema hau ez den inondik inora ekonomikoki baliagarria; helioa beste prozesu batzuen hondakin bezala azaltzen da azken kasu honetan.

Aplikazioak 

Helioak dituen ezaugarri bereziak direla eta zeregin ezberdinetarako elementu aproposa dugu, besteak beste asko hoztu behar da kondentsatzen hasteko, dentsitate txikia du oso, ez da ia disolbagarria, oso bero eroale ona da eta erreaktibitate apalekoa da. Komertzialki helioa oro har gas eran saltzen da naiz eta likido egoeran ere aurki litekeen. Helio likidoa dewars izeneko gordailuetan banatzen da 1.000 litro ingururaino kopuru txikiak behar direnean, bestelakoetan 40.000 litro inguruko ISO edukiontziak erabiltzen dira. Gasa bonbonetan banatu ohi da kopuru txikiak behar direnean, gas asko nahi izan ezkero trailerren gordailuetan garraiatu ohi da.

 Globo, zeppelin eta bestelakoak

Airea baino arinagoa denez globo, zeppelin eta bestelako aerostatoak betetzeko erabili ohi da. Hidrogenoa helioa baino arinagoa den arren helioa erregaitza da eta segurtasun handia ematen du, gainera helioaren erreaktibitatea oso baxua da. Bigarren mundu gerra aurretik Alemaniak AEB-tik helioa lortzeko zailtasunak zituenez bere zeppelinak hidrogenoz bete behar izan zituen eta horren ondorio izan zen besteak beste Hindenburg zeppelinaren ezbeharra.

Kohetegintzan erregai likidoa darabilten gailuetan helioa erregai gordailuetatik irtenarazteko erabiltzen da, xiringa baten enboloak egiten duen bezala. Gainera hidrogeno eta oxigenoa kondentsatzeko ere erabiltzen da oxigeno eta hidrogenoa lortu nahi denean, bi likido hauek asko erabiltzen dira erregai gisa koheteetan. Honez beste jaurtiguneetan erregai eta oxidatzaile sistemak purgatzeko ere erabiltzen da. Adibidez apollo programako espaziontziak jaurtitzen zituen Saturno V koheteak 370.000 m3 behar zituen.

 Merkataritza eta aisia

Aire arrunta baino arinagoa denez (dentsitate baxuagoa du) bere soinuaren abiadura ere ezberdina da eta hori dela eta helioa arnastu ezkero pertsonen ahotsaren tonua alda dezake. Helioa toxikoa ez bada ere helioarekin ahotsa aldatzera jolastea arriskutsua izan liteke konturatu gabe helioak gure biriketako oxigenoa gehiegi ordezten badu asfixia sor dezake ia konturatu gabe (ez baita aire gabezia nabaritzen birikak beterik daudelako), gainera helio bonbona komertzialek zenbaitetan gas kaltegarrien ondarrak izan ditzakete baita bonbonen balbulak lubrikatzeko erabiltzen diren koipeen arrastoak.

Uretan ia disolbagaitza da, hala nola giza odolean (urez osatua baitago gehienbat), horregatik oso erabilgarria da aire arnasgarriarekin nahasteko trimix izeneko oxigeno, nitrogeno eta helio nahasketa lortzeko edota oxigeno eta helioz osaturiko helioxa lortzeko. Helioxa sakonera handiko urperatzeetan erabiltzen da presio handiko inguruneetan nitrogenoa kaltegarria izan baitaiteke (presioa ondoratu ahala azkar asko azten da) baldintza horietan nitrogenoa uretan disolbatu egiten baita eta beraz baita odolean ere. Odolean disolbaturiko nitrogenoak efektu narkotikoak ditu hasieran alkoholarenaren antzekoak eta sakoneko mozkor deritzana sortzen du oso arriskutsua izan liteke. Helioxak ordea ez du nitrogenorik eta bai arnasteko beharrezkoa den oxigenoa, gainera deskonpresioaren efektuak murritz ditzake eta hiperoxia edo oxigeno gehiegi arnastea ekiditen du.

Bada helio-neoi laser izeneko laser mota bat non helio eta neoi nahasketa bat erabiltzen den ganantzia optiko mediotzat.

 Industria

Helioak solidoak iragateko aireak baino hiru aldiz gaitasun gehiago duenez (solido zeharkako difusio ahalmena) hutsa eragiteko ekipamenduetan pitzadura eta zulotxoak detektatzeko erabiltzen da, berdin presio handia jasan behar duten gas gordailuetan, bero aldagailuetan (bi korronteen, bata hotza eta bestea beroa, arteko energia termiko transmisioa hobetzen duten gailuak), balbuletan eta gasak erabiltzen dituzten hainbat eta hainbat sistemetan.

Erreaktibitate baxua duenez (beste gas nobleen antzera),neutroiekiko gardena delako eta isotopo erradiaktiboak osatzea zilegi delako zenbait erreaktore nuklearretan hoztaile edo hozgarri gisa erabiltzen da.

Helioaren erreaktibitate baxua dela eta silizio eta germanio kristalak, titanioa eta zirkonioa ekoizteko erabiltzen da alanola gas kromatografian eta antzinako dokumentu eta objektuak kontserbatzeko giroetan baita haize tunel supersonikoetan ere.

Helioaren eroankortasun termikoa eta helioan zehar doan soinuaren abiadura handiak direnez, errefrigerazio termoakustikoan erabiltzen da. Helioaren erreaktibitate baxuak hozte sistema hau ekologikoki oso garbi bihurtzen du ez baitu ozono geruza ondatzen ez eta negutegi efekturik areagotzen.

Helio gasa soldatzeko zenbait tekniketan erabiltzen da arku bidezko soldaketan adibidez aireak kutsa ditzakeen materialekin. Oso erabilgarria da buruzgain soldatu behar denean airea baino arinagoa denez bertan flotatu egiten du beste zenbait gas astunago ondoratu egiten direlarik.

 Zientzia

Helioaren errefrakzio indize txikia dela eta oso aproposa da leiar eta ekipamendu optikoen arteko hutsuneak betetzeko zenbait ekipamendu optiko ultrasentsibleetan gainera bide batez tenperatura aldaketen ondorioak murrizten dira, teknika hauek teleskopioetan aplikatzen dira batik bat.

Uranioa eta torioa duten mineral eta arrokek alfa partikulak igortzen dituzte, alfa partikula hauek ez dira helio atomoen nukleoak besterik (bi neutroi eta bi protoi), mineral hauetako lagin batean dagoen helio proportzioa neurtuz mineralaren antzinatasuna jakin liteke helio bidezko datatze sistema deritzo honi. Metodo hau beste datatze sistema askoren antzekoa da non elementu baten edo elementu baten isotopo jakin baten maila neurtuz laginaren antzinatasuna jakin litekeen.

Tenperatura ikaragarri baxuetan (zero absolututik gertu) helio likidoa zenbait metalengan supereroankortasuna lortzeko erabiltzen da. Supereroakortasun elektrikoa iman supereroaleak lortzeko erabiltzen da erresonantzia magnetikoak edota karga astunak lebitatzeko balio dute gailu hauek (japoniako bala trenak lebitazio magnetikoa darabil nahiz eta kasu hartan nitrogeno likidoa erabiltzen den). Tenperatura hotzak lortzeko ere erabili ohi da (ikus kriogenia).

Izakiengan duen eragina eta segurtasuna 

Helioa arnastean giza ahotsaren tonua altutu egiten da aldi batez, honen arrazoaia soinuak helioan zehar edatzeko duen abiaduran datza airean zehar baino hiru aldiz azkarragoa baita. Ahotsaren tonua ahots korden bibrazioan datza eta bibrazio hauek sorturiko uhinek medioan zehar edatzeko duten moduan. Presio uhinek medioan zehar edatzen diren abiadurari soinuaren abiadura deritzo eta esan bezala baldintza normaletan helioaren soinu abiadura airearena baino hiru aldiz handiagoa da. Helioa arnasterakoan ahots kordek helioz beteriko ingurune batean bibratzen dute tonua altutzen delarik. Bada kontrako efektua, ahots tonuaren beheratzea, eragiten duen gasik sufre hexafluoridoa esaterako.

Helioak bere hortan gorputzarengan kalterik eragiten ez duen arren helioa denbora luzez arnastea kaltegarria izan liteke biriketako airea ordezkatu eta asfixia sor baitezake, gainera helioak birikak beterik mantentzen dituenez, birikek ez dute helio eta airearen arteko alderik nabaritzen, ez da asfixia sentsaziorik nabari oso arriskutsua izan litekeena. Helio puruak minutu gutxi batzuen buruan heriotza ekar dezake. Helio bidezko asfixian zein karbono dioxido bidezkoan ez da aire faltarik nabaritzen biktimak ohartu gabe hiltzen direlarik. Helioa bonbona batetik bere hortan arnastea arriskutsua izan liteke gasa presio handiz irten bailiteke barotrauma sortuz edota birikak leherraraziz. Bonbona batetik arnasteak gainera bonbonaren balbulak engrasatzeko erabilitako substantzien arnastea ekar dezake hauek oso kaltegarriak izan daitezkelarik.

Helio neutrala, baldintza estandarretan, ez da toxikoa eta ez du eragin biologikorik giza odolean helio arrastoak aurki daitezkeelarik. Presio altuan ordea, 20 atm edo 20 MPa baino altuagoak, helio eta oxigeno nahasketek (helioxak adibidez) sistema nerbiosoarengan eragina dute logura sor dezaketelarik, hau ebazeko nitrogeno piska bat gehitu ohi da helio eta oxigeno nahasketetan.

5 eta 10ºK artean helioa gordetzen duten gordailuak kontu handiz erabili behar dira, barnean helio likidoa balute bezala, barneko gasa kanpora irtetean harrigarriki handitzen baita eta honek leherketak sor ditzake.

Ikus, gainera 

 Isotopo
 Elementu kimiko
 Gas noble
 Molekula
 Superjariakortasun
 Kriogenia
 Materiaren egoera

Erreferentziak

Bibliografia

Kanpo estekak 
  Web Elements
  Environmental Chemistry
  It's elemental

Elementu kimikoak
Hozgarriak