«Гелий»

I(Helium, химич. знак Не) — элемент из группы аргона (см. соотв. статью), возбудивший в последнее время вместе с радием (см. соотв. статью) чрезвычайный интерес благодаря работе Рамзая, который нашел, что эманация радия превращается в Г., и таким образом поставил ребром важнейший для философии естествознания вопрос о генезисе элементов и превращаемости их одного в другой. На существование Г. впервые указал англ. астроном Локьер, который, исследуя спектр солнечных выступов (протуберанцев), обратил внимание на ярко выраженную в нем желтую линию D₃, на которую еще раньше указывал Жансен (Janssen), и более слабую зеленую линию, линии, не встречающиеся у исследованных до того времени элементов. Происхождение этих линий было приписано им особому неизвестному на земле элементу, который Локьер и назвал Г. (от ηλιος — солнце). Г. получен Рамзаем в 1895 г. Вскоре после открытия аргона внимание Рамзая было обращено Miers'ом на наблюдение, сделанное в 1885 г. Гильдебрандом, что некоторые урановые минералы при действии серной кислоты выделяют газ, который был признан азотом; при этом Miers высказал мнение, что в указанном газе мог находиться аргон. Рамзай подверг исследованию газ, полученный при разложении клевеита серной кислотой и нашел в его спектре характерную для гелия Локьера желтую линию D₃(λ = 587,6); для открытого газообразного тела Рамзай и оставил название Локьера. Г. сравнительно мало распространен в природе; в воздухе на 1000000 частей его находится 1—2 части. Он найден в газах, выделяющихся из различных минеральных источников, например в Пиренеях, в Бадене, Карлсбаде и др.; получается из урановых минералов — клевеита, фергузонита, броггерита, самарскита, монацита и др., из минералов, содержащих торий, некоторых метеоритов и проч. Для получения Г. из содержащих его минералов применяется или действие одной высокой температуры, или минерал подвергается химической обработке, нагреванию с серной кислотой или сплавлению с кислой сернокалиевой солью. Выделение гелия при одном нагревании, хотя медленное, но начинается уже при 200°, при ярко-красном калении оно идет быстро, в некоторых случаях оно сопровождается выделением света и тепла, как будто бы здесь Г. находился в соединении, образованном с поглощением тепла; напр. фергузонит при прокаливании выделяет на 1 г 8,09 больших калорий, при чем удельный вес его уменьшается (вместо 5,619 становится 5,375), так что такое выделение тепла трудно приписать полимеризации; у минерала ашинита выделение тепла сопровождается, напротив увеличением уд. веса (до прокаливания 4,685, после 4,793). Представляет также интерес и то обстоятельство, что при одном нагревании выделяется, примерно, половина того, что получается при разложении минерала серной кислотой; напр. на 1 г клевеита при нагревании выделяется 1,487 кб. см He, а при действии серной кислоты 3,201 к. см, из фергузонита — соответственно 1,041 кб. см и около 2 кб. см. Операция одного нагревания производится следующим образом. Очень тонко измельченный минерал помещается в тугоплавкую стеклянную или железную трубку, которая при помощи каучука соединяется с ртутным насосом и приемником для газа (ртутным резервуаром, содержащим иногда едкое кали для поглощения углекислоты и сернистых соединений). Выкачав воздух, начинают осторожно нагревать трубку; скорость выделения газа наблюдается по ртутному манометру, соединенному с прибором. Операция длится несколько часов, причем скорость выделения газа постепенно уменьшается. Полученный газ переводится в ртутный насос. Одним нагреванием, как сказано, нельзя выделить всего Г. из клевеита и других содержащих его минералов. Разложение этих минералов сплавлением с кислым сернокислым калием KHSO₄требует немного времени; но оно не полное. Измельченный минерал смешивается с равным по весу количеством плавленого и измельченного кислого сернокислого калия, не содержащего селитры. Смесь помещается в трубку или колбу из тугоплавкого стекла, и последние соединяются с прибором, подобным описанному выше. Разложение минералов, содержащих Г., наиболее совершенное получается при употреблении разбавленной серной кисл. (1 ч. Н₂SO₄на 4 ч. воды); но оно длится очень долго (неделя и больше). Минерал помещается в баллон с длинным горлом, в которое через пробку входит холодильник, соединяющийся со ртутным насосом, и воронка с краном для приливания прокипяченной серной кислоты. После выкачивания воздуха прибор несколько раз наполняется углекислотой для удаления следов воздуха, которая, в свою очередь, удаляется насосом. При разложении серной кислотой баллон нагревается на водяной бане. Газ, полученный из клевеита, самарскита, броггерита, по исслдованию Рамзая и Колли, кроме Г. содержит водород, углекислоту, немного азота, аргон, криптон. Для удаления их применяются обычные химические способы (обработка щелочью, сжигание с кислородом или окисью меди, пропускание через накаленный магний и проч.). Таким путем Рамзаем были приготовлены образцы Г., плотности которых (при О = 16) были найдены для образца из броггерита 2,181, самарскита 2,118, фергузонита 2,140. Так как химические способы не дают возможности отделить Г. от других членов аргоновой группы, то Рамзай применил для этой цели физические способы, именно фракционированную диффузию через пористую глиняную трубку. При такой обработке газ из клевеита дал образец Г. с плотностью 1,98 (О = 16) вместо 2,18, бывшей до диффузии, хотя, как показали дальнейшие попытки очистить его действием низкой температуры (пропускание через спираль, охлажденную жидким водородом при фракционировании), этот образец все-таки содержал примесь аргона и криптона. Таким образом, было найдено, что после водорода Г. есть легчайший газ. При приготовлении чистого Г. необходимо обращать внимание на то, чтобы в исходном газе не находилось неона, так как по физическим свойствам последний близко подходит к Г. и разделение их представляется чрезвычайно затруднительным. Физические свойства. Попытки получить Г. в жидком виде окончились неудачей; по-видимому, критич. темп. его лежит между 9° и 10° от абсолютного нуля, а темп. кипения около 6°. Благодаря этому Г. был предложен для наполнения термометров для измерения низких температур. Для измерения высоких температур термометры, наполненные Г., не пригодны, так как Г. при нагревании проникает через стенки сосудов (кварцевых). Диффузия же Г., по-видимому, пропорциональна давлению; она начинается уже при 220°, хотя идет очень медленно; при 1100° в течение 6 час. уходит 6/7 всего газа (A. Jaquerod, F. Louis Perrot). Коэффициент расширения Г. при постоянном объеме между 0° и 100°С для начальных давлений между 500 мм и 700 мм найден Траверсом и Жакэро равным 0,00366255. Определение отношения теплоемкостей при постоянном давлении и при постоянном объеме дало 1,667, как для аргона. Это показывает, что частица Г. состоит из одного атома; следовательно, атомный вес гелия = 3,98 (О = 16). Коэффициент преломления для Г. 0,1238 (для воздуха 1,000). В спектре Г. характерны линии следующих длин волн: 7056; 6677; 5875,9; 5048; 5015,6; 4922; 4713; 4472; общий вид спектра зависит от давления Г., присутствия посторонних газов и других условий. При давлении газа 7—8 мм наиболее ярка желтая линия 5875,9; при уменьшении давления увеличивается интенсивность зеленой линии 5015,6. Различие в спектрах Г. при разных давлениях так значительно, что Рунге и Пашен считали Г. смесью двух газов, одного, характеризующегося желтой линией D₃, а другого зеленой 5015,6; но Рамзай и Траверс показали, что здесь играет роль давление газа. В присутствии других газов лучше всего производить наблюдение при самом малом давлении — тогда зеленая линия 5015,6 является наиболее яркой. Рамзай и Колли произвели ряд опытов для выяснения того, какое минимальное количество Г. может быть открыто спектроскопом в присутствии водорода, азота и аргона, и наоборот, какое минимальное количество этих последних газов открывается в Г. При содержании 33 % Г. в водороде он невидим в спектроскоп, если давление газа до 2,41 мм; при более низком давлении от 0,43 мм до 0,00033 мм спектр Г. наблюдается ясно; при содержании же Г. в 10 % он едва видим при малых давлениях. Водород в Г. при содержании в 0,001 % видим при всех давлениях; Г. в азоте при 10 % различается трудно; азот же в Г. почти не открывается при 0,01 %. В аргоне Г. не открывается при содержании 25 % даже при малых давлениях (0,58 мм), аргон же видим при 0,06 %. Химические свойства. По своей химической натуре Г. вполне напоминает аргон; для него, как и для последнего не удалось получить определенных химических соединений. Ряд опытов, произведенных в этом направлении Рамзаем и Колли, дал отрицательные результаты. Натрий перегоняется в атмоефере Г. без изменения; кремний, смесь окиси бериллия с магнием (выделяющая металлический бериллий) при накаливании не дейотвуют на Г.; такой же результат дает смесь с магнием окиси бора, окиси иттрия, титана, тория и урана. Цинк, фосфор, сера, мышьяк, кадмий перегоняются в атмосфере Г. без изменения. Олово, свинец, сурьма и висмут при накаливании в атмосфере Г. не изменяют своего цвета; Г. не поглощается при накаливании порошковатым кобальтом, так же смесью натристой извести с серой. Хлор под влиянием тихого разряда не действует на Г.; с парами бензола при тихом разряде Г. не дает сокращения объема. Все это показывает на крайне слабо выраженную способность Г. вступать в химические реакции; с другой стороны, является непонятным, в каком виде Г. находится в клевеите и ему подобных минералах. Г. растворяется в воде, причем (Estreicher) от 0°до 25° (при обыкн. давл.) растворимость его уменьшается, а затем до 50° возрастает; так, она при 0° — 0,01500; при 10° — 0,0142; 20° — 0,01386; 25° — 0,01371; 30° — 0,01382; 40° — 0,01387; 50° — 0,01404. Платина при электрическом разряде поглощает Г., при чем она делается черной; при нагревании она выделяет поглощенный Г.; этим поглощением Г. платиной объясняется перемена спектра Г. в трубках с платиновыми электродами. По наблюдению Трооста и Уврара, в таких же условиях Г. поглощается магнием, а по Браунеру и алюминием. В 1903 г. Рамзай и Содди сделали сообщение о своих опытах над эманацией радия (см.), при чем указали, что постепенно в спектре эманации появляются характерные линии Г. Они пришли к выводу, что Г. есть продукт распада атомов радия; по приблизительному расчету 1 г бромистого радия выделяет в год 0,0022 мг Г. Если это так, то, казалось бы, что Г. всегда должен получаться из минералов, содержащих радий; но Адамс не нашел его в карнолите, который служит материалом для получения радия; впрочем, Адамс объясняет это неспособностью мелко распределенного в породе карнолита удерживать Г.

(лат. Helium)

символ Не, химический элемент VIII группы периодической системы, относится к инертным газам (См. Инертные газы); порядковый номер 2, атомная масса 4,0026; газ без цвета и запаха. Природный Г. состоит из 2 стабильных изотопов: ³He и ⁴He (содержание ⁴He резко преобладает).

Впервые Г. был открыт не на Земле, где его мало, а в атмосфере Солнца. В 1868 француз Ж. Жансен и англичанин Дж. Н. Локьер исследовали спектроскопически состав солнечных протуберанцев. Полученные ими снимки содержали яркую жёлтую линию (т. н. D₃-линию), которую нельзя было приписать ни одному из известных в то время элементов. В 1871 Локьер объяснил её происхождение присутствием на Солнце нового элемента, который и назвали гелием (от греч. helios — Солнце). На Земле Г. впервые был выделен в 1895 англичанином У. Рамзаем из радиоактивного минерала клевеита. В спектре газа, выделенного при нагревании клевеита, оказалась та же линия.

Гелий в природе. На Земле Г. мало: 1 м³ воздуха содержит всего 5,24 см³ Г., а каждый килограмм земного материала — 0,003 мг Г. По распространённости же во Вселенной Г. занимает 2-е место после водорода: на долю Г. приходится около 23% космической массы.

На Земле Г. (точнее, изотоп ⁴He) постоянно образуется при распаде урана, тория и других радиоактивных элементов (всего в земной коре содержится около 29 радиоактивных изотопов, продуцирующих ⁴He).

Примерно половина всего Г. сосредоточена в земной коре, главным образом в её гранитной оболочке, аккумулировавшей основные запасы радиоактивных элементов. Содержание Г. в земной коре невелико — 3 · 10^-7% по массе. Г. накапливается в свободных газовых скоплениях недр и в нефтях; такие месторождения достигают промышленных масштабов. Максимальные концентрации Г. (10—13%) выявлены в свободных газовых скоплениях и газах урановых рудников и (20—25%) в газах, спонтанно выделяющихся из подземных вод. Чем древнее возраст газоносных осадочных пород и чем выше в них содержание радиоактивных элементов, тем больше Г. в составе природных газов. Вулканическим газам свойственно обычно низкое содержание Г.

Добыча Г. в промышленных масштабах производится из природных и нефтяных газов как углеводородного, так и азотного состава. По качеству сырья гелиевые месторождения подразделяются: на богатые (содержание Не > 0,5% по объёму); рядовые (0,10—0,50) и бедные

В природном Г. любого происхождения (атмосферном, из природных газов, из радиоактивных минералов, метеоритном и т.д.) преобладает изотоп ⁴He. Содержание ³He обычно мало (в зависимости от источника Г. оно колеблется от 1,3 · 10^-4 до 2 · 10^-8%) и только в Г., выделенном из метеоритов, достигает 17—31,5%. Скорость образования ⁴He при радиоактивном распаде невелика: в 1 т гранита, содержащего, например, 3 г урана и 15 г тория, образуется 1 мг Г. за 7,9 млн. лет; однако, поскольку этот процесс протекает постоянно, за время существования Земли он должен был бы обеспечить содержание Г. в атмосфере, литосфере и гидросфере, значительно превышающее наличное (оно составляет около 5 · 10¹⁴ м³). Такой дефицит Г. объясняется постоянным улетучиванием его из атмосферы. Лёгкие атомы Г., попадая в верхние слои атмосферы, постепенно приобретают там скорость выше 2-й космической и тем самым получают возможность преодолеть силы земного притяжения. Одновременное образование и улетучивание Г. приводят к тому, что концентрация его в атмосфере практически постоянна.

Изотоп ³He, в частности, образуется в атмосфере при бета-распаде тяжёлого изотопа Водорода — трития (Т), возникающего, в свою очередь, при взаимодействии нейтронов космического излучения с азотом воздуха:

Ядра атома ⁴He (состоящие из 2 протонов и 2 нейтронов), называют альфа-частицами (См. Альфа-частицы) или гелионами, — самые устойчивые среди составных ядер. Энергия связи нуклонов (протонов и нейтронов) в ⁴He имеет максимальное по сравнению с ядрами других элементов значение (28,2937 Мэв); поэтому образование ядер ⁴He из ядер водорода (протонов) ¹Н сопровождается выделением огромного количества энергии. Считают, что эта ядерная реакция: 4¹H = ⁴He +2β⁺ + 2ν [одновременно с ⁴He образуются 2 позитрона (β ⁺) и 2 нейтрино (ν)] служит основным источником энергии Солнца и других схожих с ним звёзд. Благодаря этому процессу и накапливаются весьма значительные запасы Г. во Вселенной.

Физические и химические свойства. При нормальных условиях Г. — одноатомный газ без цвета и запаха. Плотность 0,17846 г/л, t_kип — 268,93°С. Г. — единственный элемент, который в жидком состоянии не отвердевает при нормальном давлении, как бы глубоко его ни охлаждали. Наименьшее давление перехода жидкого Г. в твёрдый 2,5 Мн/м2 (25 am), t_пл при этом равна — 272,1°С. Теплопроводность (при 0°С) 143,8 · 10^-3 вт/см(K[343,4 · 10^-6 кал/(см(град(сек)]. Радиус атома Г., определённый различными методами, составляет от 0,85 до 1,33 Å. В 1 л воды при 20°С растворяется около 8,8 мл Г. Энергия первичной ионизации Г. больше, чем у любого другого элемента, — 39,38 · 10^-13дж (24,58 эв); сродством к электрону Г. не обладает. Жидкий Г., состоящий только из ⁴He, проявляет ряд уникальных свойств (см. ниже).

До настоящего времени попытки получить устойчивые химические соединения Г. оканчивались неудачами (см. Инертные газы). Спектроскопически доказано существование в разряде иона He₂+. В 1967 советские исследователи В. П. Бочин, Н. В. Закурин, В. К. Капышев сообщили о синтезе в зоне дугового разряда за счёт реакции Г. с фтором, с BF₃ или с RuF₅ ионов HeF⁺, HeF₂²⁺ и HeF₂⁺. Согласно расчёту, величина энергии диссоциации иона HeF⁺ равна 2,2 эв.

Получение и применение. В промышленности Г. получают из гелийсодержащих природных газов (в настоящее время эксплуатируются главным образом месторождения, содержащие > 0,1% Г.). От других газов Г. отделяют методом глубокого охлаждения, используя то, что он сжижается труднее всех остальных газов.

Благодаря инертности Г. широко применяют для создания защитной атмосферы при плавке, резке и сварке активных металлов. Г. менее электропроводен, чем другой инертный газ — аргон, и поэтому электрическая дуга в атмосфере Г. даёт более высокие температуры, что значительно повышает скорость дуговой сварки. Благодаря небольшой плотности в сочетании с негорючестью Г. применяют для наполнения стратостатов. Высокая теплопроводность Г., его химическая инертность и крайне малая способность вступать в ядерную реакцию с нейтронами позволяют использовать Г. для охлаждения атомных реакторов. Жидкий Г. — самая холодная жидкость на Земле, служит хладагентом при проведении различных научных исследований. На определении содержания Г. в радиоактивных минералах основан один из методов определения их абсолютного возраста (см. Геохронология). Благодаря тому что Г. очень плохо растворим в крови, его используют как составную часть искусственного воздуха, подаваемого для дыхания водолазам (замена азота на Г. предотвращает появление кессонной болезни (См. Кессонная болезнь)). Изучаются возможности применения Г. и в атмосфере кабины космического корабля.

С. С. Бердоносов, В. П. Якуцени.

Гелий жидкий. Относительно слабое взаимодействие атомов Г. приводит к тому, что он остаётся газообразным до более низких температур, чем любой другой газ. Максимальная температура, ниже которой он может быть сжижен (его критическая температура T_K), равна 5,20 К. Жидкий Г. — единственная незамерзающая жидкость: при нормальном давлении (рис. 1) Г. остаётся жидким при сколь угодно низких температурах и затвердевает лишь при давлениях, превышающих 2,5 Мн/м² (25 am).

При температуре T_λ =2,19 К и нормальном давлении жидкий Г. испытывает Фазовый переход второго рода. Г. выше этой температуры называется Не I, ниже — Не II. При температуре фазового перехода наблюдаются аномальное возрастание теплоёмкости (т. н. λ-точка, рис. 2), излом кривой температурной зависимости плотности Г. (рис. 3) и др. характерные явления.

В 1938 П. Л. Капица открыл у Не II Сверхтекучесть — способность течь практически без вязкости. Объяснение этого явления было дано Л. Д. Ландау (1941) на основе квантовомеханических представлений о характере теплового движения в жидком Г.

При низких температурах это движение описывается как существование в жидком Г. элементарных возбуждений — Фононов (квантов звука), обладающих энергией ε·= hv (v —частота звука, h —постоянная Планка) и импульсом р = ε/c (с = 240 м/сек — скорость звука). Число и энергия фононов растут с повышением температуры Т. При T > 0,6 К появляются возбуждения с большими энергиями (ротоны), для которых зависимость ε(p) имеет нелинейный характер. Фононы и ротоны (см. Квазичастицы) обладают импульсом и, следовательно, массой. Отнесённая к 1 см, эта масса определяет плотность ρ_n т. н. нормальной компоненты жидкого Г. При низких температурах ρ_n стремится к нулю при Т → 0. Движение нормальной компоненты, как и обычного газа, имеет вязкостный характер. Остальная часть жидкого Г., т. н. сверхтекучая компонента, движется без трения; её плотность ρ_s = ρ — ρ_n. При Т → T_λ ρ_n → ρ, так что в λ-точке ρ_s обращается в нуль и сверхтекучесть исчезает (Не I — обычная вязкая жидкость).

Т. о., в жидком Г. одновременно могут происходить два движения с различными скоростями.

На основе этих представлений удаётся объяснить ряд наблюдаемых эффектов: при вытекании He II из сосуда через узкий капилляр температура в сосуде повышается, т.к. вытекает главным образом сверхтекучая компонента, не несущая с собой теплоты (т. н. механокалорический эффект); при создании разности температур между концами закрытого капилляра с Не II в нём возникает движение (термомеханический эффект) — сверхтекучая компонента движется от холодного конца к горячему и там превращается в нормальную, которая движется навстречу, при этом суммарный поток отсутствует. В жидком Г. может распространяться звук двух видов — обычный и т. н. Второй звук. При распространении второго звука в местах сгущения нормальной компоненты происходит разрежение сверхтекучей.

Всё сказанное относится к обычному Г., состоящему в основном из изотопа ⁴He. Более редкий изотоп ³He имеет иные, чем у ⁴He, квантовые свойства (см. Квантовая жидкость). Жидкий ³He — также незамерзающая жидкость (T_K= 3,33 К), но не обладающая сверхтекучестью: вязкость ³He неограниченно возрастает с понижением температуры.

Л. П. Питаевский.

Лит.: Кеезом В., Гелий, пер. с англ., М., 1949; Фастовский В. Г., Ровинский А. Е., Петровский Ю. В., Инертные газы, М., 1964; Халатников И. М., Введение в теорию сверхтекучести, М., 1965; Смирнов Ю. Н., Гелий вблизи абсолютного нуля, «Природа», 1967, № 10, с. 70; Якуцени В. П., Геология гелия, Л., 1968. См. также лит. к ст. Инертные газы.

Рис. 1. Диаграмма состояния ⁴He.

Рис. 2. Теплоёмкость жидкого ⁴He вблизи λ-точки. Кривая имеет характерную форму, напоминающую греческую букву λ.

Рис. 3. Плотность ρ жидкого ⁴He вблизи λ-точки.

1. ге́лий;
2. ге́лии;
3. ге́лия;
4. ге́лиев;
5. ге́лию;
6. ге́лиям;
7. ге́лий;
8. ге́лии;
9. ге́лием;
10. ге́лиями;
11. ге́лии;
12. ге́лиях.

ГЕ́ЛИЙ, -я, муж. Химический элемент, инертный газ без цвета и запаха, самый лёгкий газ после водорода.

| прил. гелиевый, -ая, -ое.

-я, м.

Химический элемент, бесцветный, не имеющий запаха химически инертный газ, самый легкий после водорода.

[От греч. ‛ήλιος — солнце]

м.

Химический элемент, лёгкий, бесцветный, не имеющий запаха, химически инертный газ.

ГЕЛИЙ (лат. Helium) - Не, химический элемент VIII группы периодической системы, атомный номер 2, атомная масса 4,002602, относится к благородным газам; без цвета и запаха, плотность 0,178 г/л. Сжижается труднее всех известных газов (при -268,93 .С); единственное вещество, которое не отвердевает при нормальном давлении, как бы глубоко его ни охлаждали. Жидкий гелий - квантовая жидкость, обладающая сверхтекучестью ниже 2,17 К (-270,98 .С). В небольшом количестве гелий содержится в воздухе и земной коре, где он постоянно образуется при распаде урана и других ?-радиоактивных элементов (?-частицы - это ядра атомов гелия). Значительно более распространен гелий во Вселенной, напр., на Солнце, где он впервые был открыт (отсюда название: от греч. helios - Солнце). Получают гелий из природных газов. Применяют в криогенной технике, для создания инертных сред, в аэронавтике (для заполнения стратостатов, воздушных шаров и др.).

ГЕЛИЙ (Helium), He, химический элемент VIII группы периодической системы, атомный номер 2, атомная масса 4,002602; относится к благородным газам; самое низкокипящее вещество (tкип -268,93шC), единственное не отвердевающее при нормальном давлении; квантовая жидкость, обладающая сверхтекучестью ниже - 270,98шC. Г. - самый распространенный после водорода элемент космоса. Используют гелий как защитную среду в металлургии, ракетной технике, при производстве полупроводниковых и других материалов, как компонент среды газовых лазеров, газ-носитель в хроматографии, теплоноситель в ядерных реакторах и др. Открыт гелий в атмосфере Солнца английским астрофизиком Н. Локьером и французским астрономом Ж. Жансеном в 1868, впервые выделен английскими физиками У. Рамзаем и В. Круксом в 1895.

муж.;
хим. heliumм. хим. helium.

helium

m.helium

гелий м хим. Helium n 1

м хим.

Helium n

м. хим.

hélium m

м. хим.

helio m

м.

elio

ГЕЛИЙ (символ Не), газообразный неметаллический элемент, БЛАГОРОДНЫЙ ГАЗ, открытый в 1868 г. Впервые получили из минерала клевита (разновидности уранита) в 1895 г. В настоящее время основным источником его является природный газ. Содержится также в некоторых радиоактивных минералах и в АТМОСФЕРЕ Земли. Гелий является вторым по распространенности и по легкости элементом во Вселенной (после ВОДОРОДА). У него самые низкие температуры плавления и кипения из всех элементов. Гелий - бесцветный, не имеющий запаха и негорючий газ, его используют в метеорологических воздушных шарах-зондах, в смесях «искусственного воздуха» для глубоководных водолазов, при сварке, изготовлении полупроводников, в ЛАЗЕРАХ, в металлургии и других отраслях. Жидкий гелий используют в ФИЗИКЕ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР. Этот элемент не образует никаких соединений с другими элементами. Свойства: атомный номер 2, атомная масса 4,0026; плотность 0,178; температура плавления -272,2 °С, температура кипения -268,9 °С; единственный изотоп ⁴Не.

Ядро атома гелия состоит из двух протонов (1) и (обычно) двух нейтронов (2), вокруг него вращаются два электрона (3). Атом гелия меньше по размеру,чем более легкий атом водорода с одним протоном и электроном,так как большая сила притяжения ядра гелия притягивает элек троны ближе. Хотя проще предположигь, что электроны, вращаются вокруг ядра по круговой орбите, образуя «облако», место наиболее вероятного расположения электронов. Изотопы гелия, содержащие 2 протона и 2 электрона, могут содержать от 1 до 4 нейтронов.

He (helium), химический элемент из семейства благородных (инертных) газов He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn, составляющих VIIIA подгруппу в периодической системе элементов, или, как ее еще называют, нулевую группу.

История открытия. Гелий впервые был идентифицирован как химический элемент в 1868 П.Жансеном при изучении солнечного затмения в Индии. При спектральном анализе солнечной хромосферы была обнаружена ярко-желтая линия, первоначально отнесенная к спектру натрия, однако в 1871 Дж.Локьер и П.Жансен доказали, что эта линия не относится ни к одному из известных на земле элементов. Локьер и Э.Франкленд назвали новый элемент гелием от греч. "гелиос", что означает солнце. В то время не знали, что гелий - инертный газ, и предполагали, что это металл. И только спустя почти четверть века гелий был обнаружен на земле. В 1895, через несколько месяцев после открытия аргона, У.Рамзай и почти одновременно шведские химики П.Клеве и Н.Ленгле установили, что гелий выделяется при нагревании минерала клевеита. Год спустя Г.Кейзер обнаружил примесь гелия в атмосфере, а в 1906 гелий был обнаружен в составе природного газа нефтяных скважин Канзаса. В том же году Э.Резерфорд и Т.Ройдс установили, что a-частицы, испускаемые радиоактивными элементами, представляют собой ядра гелия.

Распространенность в природе. Содержание гелия в мировом пространстве составляет 28% (второе место после водорода). Гелий - основной компонент звездной материи. В результате углеродного цикла (сложная цепь ядерных реакций), впервые изученного Х.Бете в 1939, водород в звездном веществе превращается в гелий, при этом происходит значительное выделение энергии (см. также ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ). В земной атмосфере гелий составляет всего 0,0005% об., так как он чрезвычайно легок и слабо удерживается гравитационным полем земли. Гелий образуется при распаде тяжелых радиоактивных элементов, находящихся в расплавленном земном ядре, и медленно диффундирует через земную мантию. Тепловая энергия, выделяющаяся при ядерных процессах, поддерживает ядро земли в расплавленном состоянии. Природный метан, добываемый из скважин, содержит ок. 1,75% гелия и 0,5% CO2. После удаления CO2, глубокого охлаждения природного газа до -185° C и сжатия образуется жидкий метан, а в газовой фазе остаются гелий и азот. Метод глубокого охлаждения позволяет получать гелий чистотой 98% и выше.

Свойства. Гелий имеет одну-единственную электронную оболочку, занятую двумя электронами, т.е. его оболочка полностью заполнена электронами, которые испытывают сильное притяжение ядра, а значит, очень устойчивы; поэтому гелий не вступает в химические реакции, не образует химические соединений и не имеет степеней окисления. Гелий - бесцветный одноатомный газ без запаха; он не вступает в реакции ни с одним химическим элементом, и его атомы не соединяются даже между собой. Наиболее распространенный изотоп 4He содержит в ядре два протона и два нейтрона, поэтому его массовое число равно 4. Более редкий изотоп 3He с одним нейтроном был открыт в 1939 Л.Альваресом и Р.Кернегом. Содержание 3He составляет 10-5% гелия, находящегося в природном газе, добываемом из скважин. 3He получается в ядерных реакциях при распаде трития (3H-изотоп водорода). Гелий - необычное вещество, по свойствам он близок к состоянию идеального газа.СВОЙСТВА

Атомный номер 2 Атомная масса 4,0026 Плотность, г/см3 0,178 Температура плавления, ° С -272,2 (при 26 атм) Температура кипения, ° С -268,93 Критическая температура, К 5,25 Критическое давление, МПа 0,23 Содержание в земной коре, % 0,0000003

Жидкий и твердый гелий. Жидкий гелий обладает рядом уникальных свойств; он имеет самую низкую температуру кипения: 4He кипит при 4,22 K, а 3He - 3,19 K. Это свойство гелия используют для создания низких температур. Гелий - единственное вещество на земле, которое при нормальном давлении не кристаллизуется вблизи абсолютного нуля, что объясняется слабым межатомным взаимодействием и квантовыми свойствами. Жидкий гелий бесцветен, очень текуч и имеет очень низкое поверхностное натяжение. Изотопы гелия в жидком состоянии сильно различаются. Так, 4He имеет две формы: при температурах выше 2,18 K существует 4He, а ниже 2,18 K происходит необычный переход (фазовый переход второго рода) в 4He-II. Если пустой стеклянный сосуд погрузить в 4He-II, то жидкость будет медленно подниматься вверх по стенкам и перетекать внутрь до выравнивания уровней жидкости снаружи и внутри. Если сосуд приподнять, то процесс пойдет обратно до нового выравнивания уровней жидкостей. Это - пленочное движение; оно характерно только для 4He-II. Другое аномальное свойство 4He-II - способность жидкости перетекать из области более низких температур в область более высоких. 4He-II обладает сверхтекучестью (явление сверхтекучести открыл П.Л.Капица в 1938) - свойством, известным только для жидкого гелия. Явление сверхтекучести объясняется на основе двухжидкостной модели. Согласно ей, 4He-II состоит из двух полностью взаимопроникающих жидкостей - нормальной и сверхтекучей; последняя является идеальной жидкостью и не испытывает сопротивления при протекании через узкие капилляры. Согласно теории, в 4He-II существуют необычные температурные волны (второй звук). Объяснение аномалий 4He-II дается на основе представлений квантовой механики. Жидкие 3He и 4He называются квантовыми жидкостями. 4He не имеет ядерного спина, а у 3He он равен 1/2 в единицах постоянной Планка. Удивительное различие состоит также в том, что 4He-II - сверхтекучая жидкость, а сопротивление текучести 3He резко возрастает с уменьшением температуры. Гелий-3 становится, однако, сверхтекучим при температуре примерно 0,001 К, как было открыто в 1972. Это явление аналогично явлению сверхпроводимости, которая рассматривается как сверхтекучесть "электронной жидкости" (см. также СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ). В 3He обнаружен новый тип звука при очень низких температурах, нулевой звук, предсказанный Л.Д.Ландау и относящийся к волнам, характерным для ионизованных газов (плазмы).

См. также СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ. Растворы изотопов гелия также необычны. Ниже 0,9 K раствор спонтанно делится на две части, образуя раствор, обогащенный 3He и текущий над раствором, обогащенным 4He. 6% 3He растворимы в 4He, но 4He не растворяется в 3He при абсолютном нуле. Твердый гелий можно получить сжатием 4He до 25 атм или 3He до 34 атм при низких температурах. Твердый гелий - кристаллическое прозрачное вещество, причем границу между твердым и жидким гелием трудно обнаружить, так как их рефракции близки.

Применение. Гелий является важным источником низких температур. При температуре жидкого гелия тепловое движение атомов и свободных электронов в твердых телах практически отсутствует, что позволяет изучать многие новые явления, например сверхпроводимость в твердом состоянии. Газообразный гелий используют как легкий газ для наполнения воздушных шаров. Поскольку он негорюч, его добавляют к водороду для заполнения оболочки дирижабля. Так как гелий хуже растворим в крови, чем азот, большие количества гелия применяют в дыхательных смесях для работ под давлением, например при морских погружениях, при создании подводных тоннелей и сооружений. При использовании гелия декомпрессия (выделение растворенного газа из крови) у водолаза протекает менее болезненно, менее вероятна кессонная болезнь, исключается такое явление, как азотный наркоз, - постоянный и опасный спутник работы водолаза. Смеси He-O2 применяют, благодаря их низкой вязкости, для снятия приступов астмы и при различных заболеваниях дыхательных путей. Гелий используют как инертную среду для дуговой сварки, особенно магния и его сплавов, при получении Si, Ge, Ti и Zr, для охлаждения ядерных реакторов. Другие применения гелия - для газовой смазки подшипников, в счетчиках нейтронов (гелий-3), газовых термометрах, рентгеновской спектроскопии, для хранения пищи, в переключателях высокого напряжения. В смеси с другими благородными газами гелий используется в наружной неоновой рекламе (в газоразрядных трубках). Жидкий гелий выгоден для охлаждения магнитных сверхпроводников, ускорителей частиц и других устройств. Необычным применением гелия в качестве хладагента является процесс непрерывного смешения 3He и 4He для создания и поддержания температур ниже 0,005 K.

См. также

ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИЕ;

ФИЗИКА НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР.

ЛИТЕРАТУРА

Фастовский В.Г. и др. Инертные газы. М., 1972

(от греч. helios-солнце; лат. Helium) He, хим. элемент VIII гр. периодич. системы, ат. н. 2, ат. м. 4,002602; относится к благородным газам. Атмосферный Г. состоит из изотопов ³ Не (0,00013% по объему) и ⁴ Не. Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов для ⁴ Не 68*10^-32 м ², для ³ Не-54*10^-26 м ². Конфигурация электронной оболочки 1s²; энергия ионизации Не ⁰ -> Не ⁺ -> Не ^{2 +} соотв. 2372 и 5250 кДж/моль; ван-дер-ваальсов радиус 0,122 нм, ковалентный радиус 0,04-0,06 нм.

Г.-один из наиб. распространенных элементов космоса-занимает второе место после водорода. Содержание Г. в атмосфере (образуется в результате распада Ac, Th, U) 5,27*10^-4% по объему. Запасы Г. в атмосфере, литосфере и гидросфере оцениваются в 5*10¹⁴ м ³. Гелионосные прир. газы содержат, как правило, до 2% по объему Г.; главные пром. месторождения этих газов находятся в США (2,1*10¹⁰ м ³ Т.), СССР, Канаде (10⁸ м ³), ЮАР. Гелий содержится также в минералах: клевеите, монаците, торианите (до 10,5 л/кг).

Свойства. Г.-одноатомный газ без цвета и запаха. Св-ва изотопов Г. приведены в таблице. Ур-ния температурной зависимости давления пара ⁴ Не: