هلیوم

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
(تغییرمسیر از اتم هلیوم)
پرش به: ناوبری، جستجو
هیدروژنهلیملیتیم
-

He

Ne
ظاهر
هیلم برانگیخته شده توسط اختلاف پتاسیل الکتریکی


خط‌های طیفی هلیوم
ویژگی‌های کلی
نام، نماد، عدد هلیم، He، 2
تلفظ به انگلیسی ‎/ˈhliəm/‎ HEE-lee-əm
نام گروهی برای عناصر مشابه گازهای نجیب
گروه، دوره، بلوک ۱۸۱, s
جرم اتمی استاندارد 4.002602 g·mol−۱
آرایش الکترونی 1s2
الکترون به لایه 2
ویژگی‌های فیزیکی
حالت گاز
چگالی (0 °C, 101.325 kPa)
0.1786 g/L
چگالی مایع در نقطه ذوب 0.145 g·cm−۳
نقطه ذوب (at 2.5 MPa) 0.95 K, −272.20 °C, −457.96 °F
نقطه جوش 4.22 K, −268.93 °C, −452.07 °F
نقطه بحرانی 5.19 K, 0.227 MPa
گرمای هم‌جوشی 0.0138 kJ·mol−1
گرمای تبخیر 0.0829 kJ·mol−1
ظرفیت گرمایی 5R/2 = 20.786 J·mol−۱·K−۱
فشار بخار (defined by ITS-90)
فشار (پاسکال) ۱ ۱۰ ۱۰۰ ۱k ۱۰k ۱۰۰k
دما (کلوین)     1.23 1.67 2.48 4.21
ویژگی‌های اتمی
الکترونگاتیوی no data (مقیاس پاولینگ)
انرژی‌های یونش نخستین: 2372.3 kJ·mol−1
دومین: 5250.5 kJ·mol−1
شعاع کووالانسی 28 pm
شعاع واندروالانسی 140 pm
متفرقه
ساختار کریستالی شش وجهی
مغناطیس دیامغناطیس[۱]
رسانایی گرمایی (300 K) 0.1513 W·m−1·K−1
سرعت صوت 972 m/s
عدد کاس 7440-59-7
پایدارترین ایزوتوپ‌ها
مقاله اصلی ایزوتوپ‌های هلیم
ایزوتوپ NA نیم‌عمر DM DE (MeV) DP
3He 0.000137%* 3He ایزوتوپ پایدار است که 1 نوترون دارد
4He 99.999863%* 4He ایزوتوپ پایدار است که 2 نوترون دارد
*مقدارهای تقریبی، مقدار دقیق آن بسته به جا، ممکن است فرق کند.

هِلیوم یا هلیُم(Helium) با نشان شیمیایی He یک عنصر شیمیایی با عدد اتمی ۲ و وزن اتمی ۴٫۰۰۲۶۰۲ است. این عنصر، بی‌بو، بی‌رنگ، بی‌مزه، غیرسمّی، از دیدگاه شیمیایی بی اثر و تک اتمی است که در جدول تناوبی در بالای گروه گازهای نجیب جا دارد. دمای ذوب و جوش این ماده در میان دیگر عنصرها بسیار پایین است به همین دلیل در دمای اتاق و البته در بیشتر موارد به صورت گازی است مگر شرایط بسیار ویژه‌ای بر آن گذرانده شود.

هلیوم بعد از هیدروژن دومین عنصر سبک کیهان است و از لحاظ فراوانی هم باز بعد از هیدروژن در جایگاه دوم قرار می‌گیرد گرچه باوجود کاربردهای بسیار مهم و حیاتی که دارد بر روی زمین بسیار کمیاب است. نزدیک به ۲۴٪ از جرم گیتی سهم این عنصر است که این مقدار بیش از ۱۲ برابر ترکیب تمام عنصرهای سنگین است. هلیوم به همان صورت که در خورشید و مشتری یافت می‌شود در جهان پیدا می‌شود و این به دلیل انرژی بستگی (به ازای هر هسته) بسیار بالای هلیوم-۴ نسبت به سه عنصر دیگر پس از آن در جدول تناوبی است. بیشتر هلیوم موجود در گیتی، هلیوم-۴ است و گمان آن می‌رود که در جریان مه بانگ پدید آمده باشد. امروزه با کمک واکنش‌های همجوشی هسته‌ای در ستاره‌ها، گونه‌های تازه‌ای از هلیوم ساخته شده‌است.

واژهٔ هلیوم از واژهٔ یونانی هلیوس به معنای «ایزد خورشید» گرفته شده‌است. زمانی که هنوز هلیوم شناخته نشده بود، ستاره‌شناس فرانسوی ژول ژانسن در جریان خورشیدگرفتگی سال ۱۸۶۸ برای نخستین بار در طیف‌سنجی نور خورشید، خط زرد طیفی هلیوم را دید؛ برای همین، هنگامی که از نخستین کسانی که هلیوم را شناسایی کردند یاد می‌شود نام ژول ژانسن در کنار نام نورمن لاکیر جای می‌گیرد. در جریان همان خورشیدگرفتگی، نورمن لاکیر پیشنهاد کرد این خط زرد می‌تواند به دلیل یک عنصر تازه باشد. دو شیمیدان سوئدی با نام‌های پر تئودر کلیو و نیلز آبراهام لانگلت در سال ۱۸۹۵ این عنصر را شناسایی و اعلام کردند. آن‌ها هلیوم را از سنگ کلویت که معدن اورانیم است بدست آوردند. در سال ۱۹۰۳ منابع بزرگ هلیوم در میدان‌های گازی ایالات متحده پیدا شد که یکی از بزرگترین منابع این گاز است.

یکی از کاربردهای مهم هلیوم در سرماشناسی است. نزدیک به یک-چهارم هلیوم تولیدی در این زمینه بکار می‌رود. ویژگی خنک سازی هلیوم به ویژه در خنک کردن آهن‌رباهای ابررسانا مهم است. این آهن‌رباها به صورت تجاری در اسکنرهای ام آر آی کاربرد دارد. کاربرد صنعتی دیگر هلیوم در فشار وارد کردن برای نمونه به عنوان گاز تخلیه کننده‌است. همچنین به عنوان هوای محافظ در جوشکاری با قوس الکتریکی، در فرایندهایی مانند کشت بلورها در ساخت قرص‌های سیلیسیم از این گاز بهره برده می‌شود. نزدیک به نیمی از هلیوم تولیدی در این زمینه کاربرد دارد.

یکی دیگر از کاربردهای شناخته شدهٔ هلیوم در ویژگی بالابری در بالون‌ها و کشتی‌های هوایی است.[۲] تنفس حجم اندکی از گاز هلیوم می‌تواند برای چندی در کیفیت و زنگ صدای انسان تأثیر بگذارد. این اثرگذاری تنها از آن هلیوم نیست بلکه هر گازی که چگالی متفاوتی با هوا داشته باشد از این ویژگی برخوردار است. در پژوهش‌های دانشگاهی رفتار دو فاز سیال هلیوم-۴ (هلیومI و هلیومII) در بحث‌های مربوط به مکانیک کوانتوم و یا پژوهش دربارهٔ پدیده‌هایی مانند ابررسانایی که با دماهای نزدیک به صفر مطلق در ماده کار می‌کند، مهم است.

هلیوم در هواکُرهٔ زمین بسیار کمیاب است (نزدیک به ۰٫۰۰۰۵۲٪ حجمی) بیشتر هلیومی که در خاک زمین پیدا می‌شود در اثر واپاشی هسته‌ای طبیعی در عنصرهای سنگین پرتوزا مانند اورانیم و توریم پدید آمده‌است؛ به این ترتیب که در اثر واپاشی، ذره‌های بتا از عنصر تابیده شده و هستهٔ هلیوم-۴ بدست آمده‌است. هلیوم بدست آمده از واپاشی به آسانی به صورت فشرده با درصدی نزدیک به ۷٪ حجمی، در دام گاز طبیعی گرفتار می‌شود. سپس می‌توان با روش‌های صنعتی و به صورت تجاری با کاهش دمای آمیختهٔ هلیوم و گاز طبیعی، هلیوم را از دیگر گازها جدا ساخت. این روش تقطیر جزء به جزء نام دارد.

پیشینه[ویرایش]

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.[۳][۴] 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.[۵] 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.[۶][۷][۸]

خط‌های طیفی هلیوم

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.[۹]

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.[۵][۱۰][۱۱][۱۲] 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.[۴][۱۳][۱۴] 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.[۱۵]

در سال ۱۹۰۷ ارنست رادرفورد و توماس رویدز نشان دادند که ذره‌های آلفا همان هستهٔ هلیوم اند. 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.[۱۶] 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.[۱۷]

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.[۱۸] 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.[۱۹]

حالت‌های گازی و پلاسما[ویرایش]

لولهٔ هلیوم که به شکل نماد شیمیایی این عنصر درآورده شده‌است.

هلیوم، پس از نئون، کم واکنش‌ترین گاز نجیب و البته دومین عنصر کم واکنش پذیر در میان همهٔ عنصرها است.[۲۰] 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.[۵]

هلیوم نسبت به دیگر گازهای تک اتمی از همه کمتر در آب حل می‌شود.[۲۱] 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).[۲۲] ضریب شکست هلیوم بیش از هر گاز دیگری به یک نزدیک است.[۲۳] 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.[۵] 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 درنتیجه 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.[۲۴]

حالت‌های مایع و جامد[ویرایش]

نوشتار اصلی: هلیم مایع

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: بویژه 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.[۲۵] 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.[۲۶] ضریب کشسانی حجمی آن نزدیک به ۲۷ مگاپاسکال است[۲۷] 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.[۲۸]

ایزوتوپ[ویرایش]

نوشتار اصلی: ایزوتوپ‌های هلیم

تا کنون ۸ ایزوتوپ برای هلیوم پیدا شده‌است؛ که از میان آنها هلیوم-۳ و هلیوم-۴ تنها ایزوتوپ‌های پایدار آن اند. در هواکرهٔ زمین در برابر هر یک اتم هلیوم-۳ یک میلیون هلیوم-۴ وجود دارد.[۴] 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-۴ اند. 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.[۲۹] همچنین در اثر واپاشی بتای تریتیوم هم اندکی هلیوم-۳ تولید می‌شود.[۳۰] 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.[۲۹] 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.[۳۱] 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).[۳۲][۳۳] دسته‌ای از جملهٔ آن‌ها جرارلد کالسینسکی در سال ۱۹۸۶ پیشنهاد دادند[۳۴] 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.[۵]) 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.[۵] 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.[۵]

ذخایر عمده[ویرایش]

هلیوم دومین گاز فراوان در کیهان است اما روی زمین نایاب است به طوری که قیمت هلیوم در ۱۵ سال اخیر ۵۰۰ درصد افزایش پیدا کرده است.

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.[۳۵]

کاربرد[ویرایش]

طیف لامپ تخلیه پر شده توسط گاز نجیب هلیوم

هیلم دارای ویژگی‌های یکتایی است که در بسیاری جاها به آن نیاز است. این ویژگی‌های هلیوم عبارتند از: نقطهٔ جوش، چگالی و حل شوندگی 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 پیش بینی 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 بویژه در آهن‌ربای ابررسانا در دستگاه‌های ام‌آرآی است.[۳۶] دیگر کاربردهای مهم آن (۷۸ درصد کل در سال ۱۹۹۶) برای ایجاد فشار، هوای پیرامونی کنترل شده و جوشکاری بوده‌است.[۳۷]

از گاز هلیوم در پویشگرهای ام‌آرآی، فضاپیماها، تِلِسکوپ‌ها و دستگاه نظارت بر پرتونگاری هسته‌ای استفاده می‌شود.[۳۸]

هوای پیرامونی کنترل شده[ویرایش]

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.[۲۶] همچنین به دلیل داشتن ویژگی‌های نزدیک به طبیعت گاز ایده‌آل، سرعت بالای صدا در آن و نسبت ظرفیت گرمایی بالا، برای کاربرد در تونل‌های باد فراصوتی[۳۹] و ابزارهای آزمون افزایش ناگهانی آنتالپی (Impulse facility) مورد نیاز است.[۴۰]

جوشکاری با گاز محافظ و الکترود تنگستنی[ویرایش]

همچنین ببینید:جوشکاری تی‌آی‌جی

هلیوم، در فرایند جوشکاری با قوس الکتریکی بر روی موادی که در دمای جوشکاری در اثر تماس با هوا یا نیتروژن دچار آسیب می‌شوند به عنوان لایهٔ محافظ یا پوشش عمل می‌کند.[۴] گازهای گوناگونی در جوشکاری با قوس الکتریکی به عنوان گاز محافظ به کار می‌روند که هلیوم به جای آرگون ارزان، بویژه برای موادی که رسانش گرمایی بالاتری دارند مانند آلومینیم و مس بکار می‌رود.

کاربردهای کوچکتر[ویرایش]

تشخیص محل نشت[ویرایش]

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.[۴۱] 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 ۱۰−۱۰ 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.[۴۲]

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 بی اثر مانند گازهای نجیب و نیتروژن و البته هلیوم، از بدنهٔ بیشتر مواد نمی‌توانند بگذرند.[۴۳]

پرواز[ویرایش]

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.[۴۴] 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 آسان تر 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.[۲۶]

کاربردهای تجاری[ویرایش]

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.[۴۵][۴۶] در عمق‌های بیشتر از ۱۵۰ متر (۴۹۰ پا) اندکی هیدروژن هم به آمیختهٔ هلیوم-اکسیژن افزوده می‌شود.[۴۷] چگالی بسیار پایین هلیوم در این عمق‌ها کمک می‌کند تا سختی تنفس کاهش یابد.[۴۸]

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.[۴]

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.[۴۱]

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 بی اثر بودن هلیوم باعث شده تا برای کاهش آسیب‌های زیست‌محیطی در سردکننده‌های معمولی که اوزون تولید می‌کنند و باعث گرمایش زمین می‌شوند بکار رود.[۴۹]

امنیت[ویرایش]

هلیوم طبیعی در شرایط استاندارد، آسیب رسان نیست. اندازه‌های بسیار اندکی از این ماده در خون انسان پیدا می‌شود. اگر بجای 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.[۲۶]

اثر زیستی[ویرایش]

تاثیر هلیم بر صدای انسان

مشکلی در پخش این پرونده دارید؟ اینجا را مطالعه کنید.

سرعت صدا در هلیوم نزدیک به سه برابر بیشتر از سرعت آن در هوا است. چون بسامد پایه در گاز با سرعت صدا در گاز متناسب است. هنگامی که هلیوم را تنفس می‌کنیم در بسامد تولیدی توسط مجرای صوتی، تشدید رخ می‌دهد و کیفیت صدا را تغییر می‌دهد.[۴][۵۰] برعکس این اثر و رسیدن به بسامدهای پایین‌تر هم ممکن است به شرطی که گازهای سنگین تر مانند هگزا فلوراید گوگرد یا زنون را تنفس کنیم.

تنفس هلیوم می‌تواند خطرناک باشد چون این گاز می‌تواند خود را جایگزین اکسیژن مورد نیاز در تنفس معمولی کند.[۴][۵۱] تنفس هلیوم به تنهایی هم باعث خفگی در چند دقیقه می‌شود. از این ویژگی در طراحی کیف‌های خودکشی بهره برده می‌شود.

تنفس هلیومی که در کپسول فشرده شده بسیار خطرناک است چون شدت جریان آن بالا است و می‌تواند باعث فشارزدگی گوش میانی و پارگی ناگهانی شش‌ها شود.[۵۱][۵۲] البته شمار مرگ به خاطر پارگی شش‌ها بسیار کم بوده‌است برای نمونه از سال ۲۰۰۰ تا ۲۰۰۴ تنها دو مورد مرگ در آمریکا گزارش شده‌است.[۵۲] در سال ۲۰۱۰ هم دو مورد مرگ گزارش شده‌است که یکی در آمریکا[۵۳] و دیگری در ایرلند شمالی رخ داده بود.[۵۴]

در فشارهای بالا (بیش از ۲۰ اتمسفر یا ۲ مگاپاسکال) آمیخته‌ای از هلیوم و اکسیژن (هلیوکس) می‌تواند باعث مشکل در دستگاه عصبی شود (سندرم اعصاب در فشار بالا) که با افزودن مقدار اندکی نیتروژن به این آمیخته می‌توان مشکل را کاهش داد.[۵۵][۵۶]

جستارهای وابسته[ویرایش]

منابع[ویرایش]

  1. Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds, in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press.
  2. Helium: Up, Up and Away? Melinda Rose, Photonics Spectra, Oct. 2008. Accessed Feb 27, 2010. For a more authoritative but older 1996 pie chart showing U.S. helium use by sector, showing much the same result, see the chart reproduced in "Applications" section of this article.
  3. Kochhar, R. K. (1991). "French astronomers in India during the 17th – 19th centuries". Journal of the British Astronomical Association 101 (2): 95–100. Bibcode:1991JBAA..101...95K. 
  4. ۴٫۰ ۴٫۱ ۴٫۲ ۴٫۳ ۴٫۴ ۴٫۵ ۴٫۶ Emsley, John (2001). Nature's Building Blocks. Oxford: Oxford University Press. pp. 175–179. ISBN 0-19-850341-5 (help). 
  5. ۵٫۰ ۵٫۱ ۵٫۲ ۵٫۳ ۵٫۴ ۵٫۵ ۵٫۶ Clifford A. Hampel (1968). The Encyclopedia of the Chemical Elements. New York: Van Nostrand Reinhold. pp. 256–268. ISBN 0-442-15598-0 (help). 
  6. Sir Norman Lockyer – discovery of the element that he named helium" Balloon Professional Magazine, 7 August 2009.
  7. "Helium". Oxford English Dictionary. 2008. Retrieved 2008-07-20. 
  8. Thomson, William (Aug. 3, 1871). "Inaugural Address of Sir William Thompson". Nature 4: 261–278 [268]. Bibcode:1871Natur...4..261.. doi:10.1038/004261a0. Frankland and Lockyer find the yellow prominences to give a very decided bright line not far from D, but hitherto not identified with any terrestrial flame. It seems to indicate a new substance, which they propose to call Helium  Check date values in: |date= (help)
  9. Stewart, Alfred Walter (2008). Recent Advances in Physical and Inorganic Chemistry. BiblioBazaar, LLC. p. 201. ISBN 0-554-80513-8 (help). 
  10. Ramsay, William (1895). "On a Gas Showing the Spectrum of Helium, the Reputed Cause of D3 , One of the Lines in the Coronal Spectrum. Preliminary Note". Proceedings of the Royal Society of London 58 (347–352): 65–67. doi:10.1098/rspl.1895.0006. 
  11. Ramsay, William (1895). "Helium, a Gaseous Constituent of Certain Minerals. Part I". Proceedings of the Royal Society of London 58 (347–352): 80–89. doi:10.1098/rspl.1895.0010. 
  12. Ramsay, William (1895). "Helium, a Gaseous Constituent of Certain Minerals. Part II--". Proceedings of the Royal Society of London 59 (1): 325–330. doi:10.1098/rspl.1895.0097. 
  13. (آلمانی) Langlet, N. A. (1895). "Das Atomgewicht des Heliums". Zeitschrift für anorganische Chemie (in German) 10 (1): 289–292. doi:10.1002/zaac.18950100130. 
  14. Weaver, E.R. (1919). "Bibliography of Helium Literature". Industrial & Engineering Chemistry. 
  15. Munday, Pat (1999). John A. Garraty and Mark C. Carnes, ed. Biographical entry for W.F. Hillebrand (1853–1925), geochemist and U.S. Bureau of Standards administrator in American National Biography. 10–11. Oxford University Press. pp. 808–9; 227–8. 
  16. van Delft, Dirk (2008). "Little cup of Helium, big Science" (PDF). Physics today: 36–42. Archived from the original on June 25, 2008. Retrieved 2008-07-20. 
  17. "Coldest Cold". Time Inc. 1929-06-10. Retrieved 2008-07-27. 
  18. Kapitza, P. (1938). "Viscosity of Liquid Helium below the λ-Point". Nature 141 (3558): 74. Bibcode:1938Natur.141...74K. doi:10.1038/141074a0. 
  19. Osheroff, D. D. ; Richardson, R. C. ; Lee, D. M. (1972). "Evidence for a New Phase of Solid He3". Phys. Rev. Lett. 28 (14): 885–888. Bibcode:1972PhRvL..28..885O. doi:10.1103/PhysRevLett.28.885. 
  20. Lewars, Errol G. (2008). Modelling Marvels. Springer. pp. 70–71. ISBN 1-4020-6972-3 (help). 
  21. Weiss, Ray F. (1971). "Solubility of helium and neon in water and seawater". J. Chem. Eng. Data 16 (2): 235–241. doi:10.1021/je60049a019. 
  22. Scharlin, P. ; Battino, R. Silla, E. ; Tuñón, I. ; Pascual-Ahuir, J. L. (1998). "Solubility of gases in water: Correlation between solubility and the number of water molecules in the first solvation shell". Pure & Appl. Chem. 70 (10): 1895–1904. doi:10.1351/pac199870101895. 
  23. Stone, Jack A. ; Stejskal, Alois (2004). "Using helium as a standard of refractive index: correcting errors in a gas refractometer". Metrologia 41 (3): 189–197. Bibcode:2004Metro..41..189S. doi:10.1088/0026–1394/41/3/012 Check |doi= value (help). 
  24. Buhler, F. ; Axford, W. I. ; Chivers, H. J. A. ; Martin, K. (1976). "Helium isotopes in an aurora". J. Geophys. Res. 81 (1): 111–115. Bibcode:1976JGR....81..111B. doi:10.1029/JA081i001p00111. 
  25. "Solid Helium". Department of Physics دانشگاه آلبرتا. 2005-10-05. Archived from the original on May 31, 2008. Retrieved 2008-07-20. 
  26. ۲۶٫۰ ۲۶٫۱ ۲۶٫۲ ۲۶٫۳ Lide, D. R., ed. (2005). CRC Handbook of Chemistry and Physics (86th ed.). Boca Raton (FL): CRC Press. ISBN 0-8493-0486-5. 
  27. Grilly, E. R. (1973). "Pressure-volume-temperature relations in liquid and solid 4He". Journal of Low Temperature Physics 11 (1–2): 33–52. Bibcode:1973JLTP...11...33G. doi:10.1007/BF00655035. 
  28. Henshaw, D. B. (1958). "Structure of Solid Helium by Neutron Diffraction". Physical Review Letters 109 (2): 328–330. Bibcode:1958PhRv..109..328H. doi:10.1103/PhysRev.109.328. 
  29. ۲۹٫۰ ۲۹٫۱ Anderson, Don L. ; Foulger, G. R. ; Meibom, A. (2006-09-02). "Helium Fundamentals". MantlePlumes.org. Retrieved 2008-07-20. 
  30. Novick, Aaron (1947). "Half-Life of Tritium". Physical Review 72 (10): 972–972. Bibcode:1947PhRv...72..972N. doi:10.1103/PhysRev.72.972.2. 
  31. Zastenker G. N. et al. (2002). "Isotopic Composition and Abundance of Interstellar Neutral Helium Based on Direct Measurements". Astrophysics 45 (2): 131–142. Bibcode:2002Ap.....45..131Z. doi:10.1023/A:1016057812964. Archived from the original on October 1, 2007. Retrieved 2008-07-20. 
  32. "Lunar Mining of Helium-3". Fusion Technology Institute of the University of Wisconsin-Madison. 2007-10-19. Retrieved 2008-07-09. 
  33. Slyuta, E. N. ; Abdrakhimov, A. M. ; Galimov, E. M. (2007). "The estimation of helium-3 probable reserves in lunar regolith" (PDF). Lunar and Planetary Science XXXVIII. Retrieved 2008-07-20. 
  34. Hedman, Eric R. (2006-01-16). "A fascinating hour with Gerald Kulcinski". The Space Review. Retrieved 2008-07-20. 
  35. کشف بی‌سابقه میدان بزرگ گاز ارزشمند «هلیوم» خبرگزاری انتخاب
  36. Helium sell-off risks future supply, Michael Banks, Physics World, 27 January 2010. accessed February 27, 2010.
  37. Information source is given in pie chart graph at right
  38. استقبال دانشمندان از کشف یک میدان بزرگ گاز هلیوم، بی‌بی‌سی فارسی
  39. Beckwith, I.E. ; Miller, C. G. (1990). "Aerothermodynamics and Transition in High-Speed Wind Tunnels at Nasa Langley". Annual Review of Fluid Mechanics 22 (1): 419–439. Bibcode:1990AnRFM..22..419B. doi:10.1146/annurev.fl.22.010190.002223. 
  40. Morris, C.I. (2001). Shock Induced Combustion in High Speed Wedge Flows (PDF). Stanford University Thesis. 
  41. ۴۱٫۰ ۴۱٫۱ Considine, Glenn D., ed. (2005). "Helium". Van Nostrand's Encyclopedia of Chemistry. Wiley-Interscience. pp. 764–765. ISBN 0-471-61525-0 (help). 
  42. Hablanian, M. H. (1997). High-vacuum technology: a practical guide. CRC Press. p. 493. ISBN 0-8247-9834-1 (help). 
  43. Ekin, Jack W. (2006). Experimental Techniques for Low-Temperature measurements. Oxford University Press. ISBN 0-19-857054-6 (help). 
  44. Stwertka, Albert (1998). Guide to the Elements: Revised Edition. New York; Oxford University Press, p. 24. ISBN 0-19-512708-0
  45. Fowler, B; Ackles KN, Porlier G (1985). "Effects of inert gas narcosis on behavior—a critical review". Undersea Biomedical Research Journal 12 (4): 369–402. PMID 4082343 Check |pmid= value (help). Retrieved 2008-06-27. 
  46. Thomas, J. R. (1976). "Reversal of nitrogen narcosis in rats by helium pressure". Undersea Biomed Res. 3 (3): 249–59. PMID 969027 Check |pmid= value (help). Retrieved 2008-08-06. 
  47. Rostain, J. C. ; Gardette-Chauffour, M. C. ; Lemaire, C. ; Naquet, R. (1988). "Effects of a H2-He-O2 mixture on the HPNS up to 450 msw". Undersea Biomed. Res. 15 (4): 257–70. OCLC 2068005. PMID 3212843 Check |pmid= value (help). Retrieved 2008-06-24. 
  48. Butcher, Scott J. ; Jones, Richard L. ; Mayne, Jonathan R. ; Hartley, Timothy C. ; Petersen, Stewart R. (2007). "Impaired exercise ventilatory mechanics with the self-contained breathing apparatus are improved with heliox". European Journal of Applied Physiology (Netherlands: Springer) 101 (6): 659. PMID 17701048 Check |pmid= value (help). doi:10.1007/s00421-007-0541-5. 
  49. Makhijani, Arjun; Gurney, Kevin (1995). Mending the Ozone Hole: Science, Technology, and Policy. MIT Press. ISBN 0-262-13308-3 (help). 
  50. Ackerman MJ, Maitland G (1975). "Calculation of the relative speed of sound in a gas mixture". Undersea Biomed Res 2 (4): 305–10. PMID 1226588 Check |pmid= value (help). Retrieved 2008-08-09. 
  51. ۵۱٫۰ ۵۱٫۱ (آلمانی) Grassberger, Martin; Krauskopf, Astrid (2007). "Suicidal asphyxiation with helium: Report of three cases Suizid mit Helium Gas: Bericht über drei Fälle". Wiener Klinische Wochenschrift (in German & English) 119 (9–10): 323–325. PMID 17571238 Check |pmid= value (help). doi:10.1007/s00508-007-0785-4. 
  52. ۵۲٫۰ ۵۲٫۱ Engber, Daniel (2006-06-13). "Stay Out of That Balloon!". Slate.com. Retrieved 2008-07-14. 
  53. "Teen Dies After Inhaling Helium". KTLA News (RIVERSIDE: ktla.com). January 6, 2010. Retrieved 19 November 2010. 
  54. "Tributes to 'helium death' teenager from Newtownabbey". BBC Online. 19 November 2010. Retrieved 19 November 2010. 
  55. Rostain J.C. , Lemaire C. , Gardette-Chauffour M.C. , Doucet J. , Naquet R. (1983). "Estimation of human susceptibility to the high-pressure nervous syndrome". J Appl Physiol 54 (4): 1063–70. PMID 6853282 Check |pmid= value (help). Retrieved 2008-08-09. 
  56. Hunger Jr, W. L. ; Bennett. , P. B. (1974). "The causes, mechanisms and prevention of the high-pressure nervous syndrome". Undersea Biomed. Res. 1 (1): 1–28. OCLC 2068005. PMID 4619860 Check |pmid= value (help). Retrieved 2008-08-09.