Чому запаси гелію добігають кінця? Гелій, дирижаблі, водолази та ядерна енергетика…. Інертний, але дуже потрібний

Гелій – інертний газ 18-ї групи періодичної таблиці. Це другий найлегший елемент після водню. Гелій - газ без кольору, запаху та смаку, який стає рідким при температурі -268.9 °C. Точки кипіння та замерзання його нижчі, ніж у будь-якої іншої відомої речовини. Це єдиний елемент, який не твердне при охолодженні за нормального атмосферного тиску. Щоб гелій перейшов у твердий стан, необхідно 25 атмосфер за нормальної температури 1 До.

Історія відкриття

Гелій був знайдений у газовій атмосфері, що оточує Сонце, французьким астрономом П'єром Жансеном, який у 1868 році під час затемнення виявив яскраву жовту лінію у спектрі сонячної хромосфери. Спочатку передбачалося, що ця лінія являла собою елемент натрій. У тому ж році англійський астроном Джозеф Норман Лок'єр спостерігав жовту лінію в сонячному спектрі, яка не відповідала відомим лініям натрію D 1 і D 2 і тому він назвав її лінією D 3 . Лок'єр дійшов висновку, що її викликали речовиною на Сонці, невідомому Землі. Він і хімік Едуард Франкленд у назві елемента використовували грецьку назву Сонця «Геліос».

1895 року британський хімік сер Вільям Рамзай довів існування гелію на Землі. Він отримав зразок ураноносного мінералу клевеїта, і після дослідження газів, що утворилися при його нагріванні, він виявив, що яскраво-жовта лінія в спектрі збігається з лінією D 3 спостерігається в спектрі Сонця. Таким чином, новий елемент остаточно встановлено. У 1903 році Рамзі та Фредерік Содду визначили, що гелій є продуктом спонтанного розпаду радіоактивних речовин.

Поширення у природі

Маса гелію становить близько 23% усієї маси Всесвіту, і елемент є другим за поширеністю у космосі. Він зосереджений у зірках, де утворюється із водню внаслідок термоядерного синтезу. Хоча в земній атмосфері гелій знаходиться в концентрації 1 частина на 200 тис. (5 проміле) і в невеликих кількостях міститься в радіоактивних мінералах, метеоритному залозі, а також у мінеральних джерелах, великі обсяги елемента зустрічаються в Сполучених Штатах (особливо в Техасі, Нью- Мексико, Канзасі, Оклахомі, Аризоні та Юті) як компонент (до 7,6%) природного газу. Невеликі його запаси були виявлені в Австралії, Алжирі, Польщі, Катарі та Росії. У земній корі концентрація гелію дорівнює лише близько 8 частин на мільярд.

Ізотопи

Ядро кожного атома гелію містить два протони, але, як і в інших елементів, він має ізотопи. Вони містять від одного до шести нейтронів, тому їх масові числа перебувають у діапазоні від трьох до восьми. Стабільними є елементи, у яких маса гелію визначається атомними числами 3 (3 He) і 4 (4 He). Всі інші радіоактивні та дуже швидко розпадаються на інші речовини. Земний гелій не є початковою складовою планети, він утворився внаслідок радіоактивного розпаду. Альфа-частинки, що випускаються ядрами важких радіоактивних речовин, є ядра ізотопу 4 He. Гелій не накопичується у великих кількостях в атмосфері, тому що гравітації Землі недостатньо, щоб запобігти його поступовому витоку в космос. Сліди 3 He Землі пояснюються негативним бета-распадом рідкісного елемента водню-3 (тритію). 4 He є найбільш поширеним зі стабільних ізотопів: співвідношення числа атомів 4 He до 3 He становить близько 700 тис. до 1 в атмосфері і близько 7 млн ​​до 1 в деяких мінералах, що містять гелій.

Фізичні властивості гелію

Температура кипіння та плавлення у цього елемента найнижчі. З цієї причини гелій існує за винятком екстремальних умов. Газоподібний He у воді розчиняється менше, ніж будь-який інший газ, а швидкість дифузії через тверді тіла втричі більша, ніж у повітря. Його показник заломлення найближче наближається до 1.

Теплопровідність гелію поступається лише теплопровідності водню, яке питома теплоємність надзвичайно висока. При нормальних температурах при розширенні він нагрівається, а нижче 40 K - охолоджується. Тому при Т<40 K гелий можно превратить в жидкость путем расширения.

Елемент є діелектриком, якщо не перебуває в іонізованому стані. Як і в інших шляхетних газів, гелій має метастабільні енергетичні рівні, які дозволяють йому залишатися іонізованим в електричному розряді, коли напруга залишається нижчою за потенціал іонізації.

Гелій-4 унікальний тим, що має дві рідкі форми. Звичайна називається гелій I і існує при температурах від точки кипіння 4,21 К (-268,9 ° C) до близько 2,18 К (-271 ° C). Нижче 2,18 K теплопровідність 4 He стає у 1000 разів більшою, ніж у міді. Ця форма називається гелій II, щоб відрізнити її від звичайної. Вона має надплинність: в'язкість настільки низька, що не може бути виміряна. Гелій II розтікається в тонку плівку на поверхні будь-якої речовини, яку стосується, і ця плівка тече без тертя навіть проти сили тяжіння.

Менш рясний гелій-3 утворює три різні рідкі фази, дві з яких надплинні. Надплинність у 4 He була виявлена ​​радянським фізиком у середині 1930-х років, і таке ж явище у 3 He було вперше помічено Дугласом Д. Ошеровим, Девідом М. Лі, та Робертом С. Річардсоном із США у 1972 році.

Рідка суміш двох ізотопів гелію-3 і -4 при температурах нижче 0,8 К (-272.4 °C) поділяється на два шари - практично чистого 3 He і суміші 4 He з 6% гелію-3. Розчинення 3 He 4 He супроводжується охолоджуючим ефектом, який використовується в конструкції кріостатів, в яких температура гелію опускається нижче 0,01 К (-273,14 °C) і підтримується протягом декількох днів.

З'єднання

У нормальних умовах гелій хімічно інертний. В екстремальних можна створити сполуки елемента, які при нормальних показниках температури та тиску не є стабільними. Наприклад, гелій може утворювати з'єднання з йодом, вольфрамом, фтором, фосфором і сіркою, коли він піддається дії електричного розряду, що тліє, при бомбардуванні електронами або в стані плазми. Таким чином, були створені HeNe, HgHe 10 , WHe 2 і молекулярні іони Не 2 + , Не 2 ++ , HeH + і HeD + . Ця техніка також дозволила отримати нейтральні молекули Не2 та HgHe.

Плазма

У Всесвіті переважно поширений іонізований гелій, властивості якого суттєво відрізняються від молекулярного. Електрони і протони його не пов'язані, і він має дуже високу електропровідність навіть у частково іонізованому стані. На заряджені частинки сильний вплив мають магнітні та електричні поля. Наприклад, у сонячному вітрі іони гелію разом із іонізованим воднем взаємодіють із магнітосферою Землі, викликаючи північні сяйва.

Відкриття родовищ у США

Після буріння свердловини в 1903 в Декстері, штат Канзас, був отриманий негорючий газ. Спочатку було відомо, що він міститься гелій. Який газ було знайдено, визначив геолог штату Еразмус Хаворт, який зібрав його зразки та в університеті Канзасу за допомогою хіміків Кеді Гамільтона та Девіда Макфарланда виявив, що той містить 72% азоту, 15% метану, 1% водню та 12% не було ідентифіковано. Провівши такі аналізи, вчені виявили, що 1,84% проби становить гелій. Так дізналися про те, що даний хімічний елемент є у величезних кількостях у надрах Великих рівнин, звідки його можна витягти з природного газу.

Промислове виробництво

Це зробило Сполучені Штати лідером світового виробництва гелію. На пропозицію сера Річарда Трельфалла, ВМС США профінансували три невеликі експериментальні заводи для отримання цієї речовини під час Першої світової війни з метою забезпечити загороджувальні аеростати легким негорючим підйомним газом. За цією програмою було вироблено загалом 5700 м 3 92-відсоткового He, хоча до цього було отримано лише менше 100 л газу. Частина цього обсягу була використана у першому у світі гелієвому дирижаблі С-7, який здійснив свій перший рейс з Хемптон-Роудс до Боллінг-Філда 7 грудня 1921 року.

Хоча процес низькотемпературного зрідження газу на той час не був достатньо розроблений, щоб виявитися суттєвим під час Першої світової війни, виробництво продовжувалося. Гелій в основному використовувався як підйомний газ у літальних апаратах. Попит на нього виріс під час Другої світової війни, коли його почали застосовувати при екранованому дуговому зварюванні. Елемент також мав важливе значення у проекті створення атомної бомби «Манхеттен».

Національний запас США

У 1925 уряд Сполучених Штатів створив Національний запас гелію в Амарілло, штат Техас, з метою забезпечення військових дирижаблів під час війни і комерційних повітряних кораблів у мирний час. Використання газу після Другої світової скоротилося, але запас був збільшений у 1950-х роках для забезпечення, серед іншого, його постачання як теплоносія, що застосовується у виробництві киснево-водневого ракетного палива в період космічних перегонів та холодної війни. Використання гелію в США у 1965 році у вісім разів перевищило пікове споживання воєнного часу.

Після ухвалення закону про гелію 1960 року Гірське бюро підрядило 5 приватних підприємств для вилучення елементу з природного газу. Для цієї програми було збудовано 425-км газопровід, що з'єднав ці заводи з урядовим частково виснаженим газовим родовищем неподалік Амарілло в Техасі. Гелій-азотна суміш закачувалась у підземне сховище і залишалася там, поки в ній не виникала потреба.

До 1995 року було зібрано запас обсягом мільярд кубометрів, а заборгованість Національного резерву становила 1,4 млрд доларів, що спонукало Конгрес США 1996 р. поетапно відмовитися від нього. Після ухвалення у 1996 р. закону про приватизацію гелію Міністерство природних ресурсів розпочало ліквідацію сховища у 2005 році.

Чистота та обсяги виробництва

Гелій, вироблений до 1945 року, мав чистоту близько 98%, решта 2% припадали на азот, що було достатнім для дирижаблів. У 1945 р. було вироблено невелику кількість 99,9-відсоткового газу для використання у дуговому зварюванні. До 1949 чистота одержуваного елемента досягла 99,995%.

Протягом багатьох років Сполучені Штати виготовляли понад 90% світового обсягу комерційного гелію. Починаючи з 2004 року, щорічно його вироблялося 140 млн м 3 , 85% з яких припадає на США, 10% вироблялося в Алжирі, а решта - у Росії та Польщі. Основними джерелами гелію у світі є газові родовища Техасу, Оклахоми та Канзасу.

Процес отримання

Гелій (чистотою 98,2%) виділяють з газу шляхом зрідження інших компонентів при низьких температурах і при високих тисках. Адсорбція інших газів охолодженим активованим вугіллям дозволяє досягти чистоти 99,995%. Невеликий обсяг гелію проводиться при зрідженні повітря у великих масштабах. Із 900 т повітря можна отримати близько 3,17 куб. м газу.

Сфера застосування

Шляхетний газ знайшов застосування у різних областях.

• Гелій, властивості якого дозволяють отримувати наднизькі температури, використовується як охолодний агент у Великому адронному колайдері, надпровідних магнітах апаратів МРТ та спектрометрів ядерного магнітного резонансу, супутникової апаратури, а також для зрідження кисню та водню в ракетах «Аполлон».
• Як інертний газ для зварювання алюмінію та ін. металів, при виробництві оптоволокна та напівпровідників.
• Для створення тиску в паливних баках ракетних двигунів, особливо тих, які працюють на рідкому водні, тому що тільки гелій газоподібний зберігає свій агрегатний стан, коли водень залишається рідким);
• He-Ne використовуються для сканування штрих-кодів на касах у супермаркетах.
• Гелій-іонний мікроскоп дозволяє отримати кращі зображення ніж електронний.
• Завдяки високій проникності благородний газ використовується для перевірки витоків, наприклад, у системах кондиціювання повітря автомобілів, а також для швидкого наповнення подушок безпеки під час зіткнення.
• Низька щільність дозволяє заповнювати декоративні кулі з гелієм. Інертний газ замінив вибухонебезпечний водень у дирижаблях та повітряних кулях. Наприклад, у метеорології кулі з гелієм використовуються для підйому вимірювальних приладів.
• У криогенної техніки служить теплоносієм, оскільки температура цього хімічного елемента в рідкому стані мінімально можлива.
• Гелій, властивості якого забезпечують йому низьку реактивність і розчинність у воді (і крові), у суміші з киснем знайшов застосування у дихальних складах для підводного плавання з аквалангом та проведення кесонних робіт.
• Метеорити і гірські породи аналізуються зміст даного елемента визначення їхнього віку.

Гелій: властивості елемента

Основні фізичні властивості He такі:

• Атомний номер: 2.
• Відносна маса атома гелію: 4,0026.
• Крапка плавлення: ні.
• Точка кипіння: -268,9 °C.
• Густина (1 атм, 0 °C): 0,1785 г/п.
• Стан окислення: 0.

Гелій - справді благородний газ. Змусити його вступити в будь-які реакції поки що не вдалося. Молекула гелію одноатомна.

За легкістю цей газ поступається тільки водню, повітря в 7,25 рази важче за гелій.

Гелій майже нерозчинний у воді та інших рідинах. І так само в рідкому гелії помітно не розчиняється жодна речовина.

Твердий гелій не можна отримати за жодних температур, якщо не підвищувати тиск.

В історії відкриття, дослідження та застосування цього елемента зустрічаються імена багатьох великих фізиків та хіміків різних країн. Гелієм цікавилися, з гелієм працювали: Жансен (Франція), Лок'єр, Рамзай, Крукс, Резерфорд (Англія), Пальмієрі (Італія), Кеезом, Камерлінг-Оннес (Голландія), Фейнман, Онсагер (США), Капіца, Кікоін, Ландау Радянський Союз) та багато інших великих учених.

Неповторність образу атома гелію визначається поєднанням у ньому двох дивовижних природних конструкцій - абсолютних чемпіонів з компактності та міцності. У ядрі гелію, гелію-4, насичені обидві внутрішньоядерні оболонки - і протонна, і нейтронна. Електронний дублет, що обрамляє це ядро, також насичений. У цих конструкціях – ключ до розуміння властивостей гелію. Звідси походить і його феноменальна хімічна інертність і рекордно малі розміри його атома.

Величезна роль ядра атома гелію - альфа частки історія становлення та розвитку ядерної фізики. Якщо пам'ятаєте, саме вивчення розсіювання альфа частинок призвело до резерфорду відкриття атомного ядра. При бомбардуванні азоту альфа частинками було вперше здійснено взаємоперетворення елементів - те, що століттями мріяли багато покоління алхіміків. Щоправда, у цій реакції не ртуть перетворилася на золото, а азот на кисень, але це зробити майже так само важко. Ті ж альфа частки виявилися причетними до відкриття нейтрону та отримання першого штучного ізотопу. Пізніше за допомогою альфа частинок було синтезовано кюрій, берклій, каліфорній, менделевий.

Ми перерахували ці факти лише з однією метою – показати, що елемент №2 – елемент дуже незвичайний.

На великій повітряній кулі... Гелій застосовується для приготування дихальних сумішей, у тому числі для атмосфери космічних апаратів, що живуть, для глибоководного занурення, а також для лікування астми, для наповнення дирижаблів і повітряних кульок. Він нетоксичний, тому вдихання гелію в невеликих кількостях разом із повітрям абсолютно нешкідливе.

Колос Родоський, гігантська статуя античного бога Сонця Геліоса. Елемент гелій був відкритий спектральним методом на Сонці і лише пізніше було виявлено Землі.

Гелій – елемент незвичайний, і історія його незвичайна. Він був відкритий в атмосфері Сонця на 13 років раніше, ніж Землі. Точніше кажучи, у спектрі сонячної корони було відкрито яскраво-жовту лінію D, а що за нею ховалося, стало достовірно відомо лише після того, як гелій витягли із земних мінералів, що містять радіоактивні елементи.

Гелій на Сонці відкрили француз Ж. Жансен, який проводив свої спостереження в Індії 19 серпня 1868, і англієць Дж.H. Лок'єр – 20 жовтня того ж року. Листи обох учених прийшли до Парижа одного дня і були зачитані на засіданні Паризької Академії наук 26 жовтня з інтервалом у кілька хвилин. Академіки, вражені таким дивним збігом, прийняли ухвалу вибити на честь цієї події золоту медаль.

У 1881 р. про відкриття гелію у вулканічних газах повідомив італійський учений Пальмієрі. Однак його повідомлення, згодом підтверджене, мало хто з учених прийняв серйозно. Вдруге земний гелій було відкрито Рамзаєм у 1895 р.

У земній корі налічується 29 ізотопів, при радіоактивному розпаді яких утворюються альфа частинки - високоактивні, що мають велику енергію ядра атомів гелію.

В основному земний гелій утворюється при радіоактивному розпаді урану-238, урану-235, торію та нестабільних продуктів їхнього розпаду. Незрівнянно менші кількості гелію дає повільний розпад самарію-147 та вісмуту. Усі ці елементи породжують лише важкий ізотоп гелію - 4Не, чиї атоми можна як останки альфа частинок, поховані в оболонці з двох спарених електронів - в електронному дублеті. У ранні геологічні періоди, ймовірно, існували й інші, що вже зникли з Землі природно радіоактивні ряди елементів, що насичували планету гелієм. Одним із них був нині штучно відтворений нептунієвий ряд.

За кількістю гелію, замкненого в гірській породі або мінералі, можна судити про їх абсолютний вік. В основі цих вимірювань лежать закони радіоактивного розпаду: так, половина урану-238 за 4,52 млрд років перетворюється на гелій та свинець.

Гелій у земній корі накопичується повільно. Одна тонна граніту, що містить 2 г урану та 10 г торію, за мільйон років продукує всього 0,09 мг гелію - половину кубічного сантиметра. У небагатьох багатих ураном і торієм мінералах вміст гелію досить великий - кілька кубічних сантиметрів гелію на грам. Однак частка цих мінералів у природному виробництві гелію близька до нуля, оскільки вони дуже рідкісні.

Природні сполуки, у яких є альфа активні ізотопи, - це лише першоджерело, але з сировину для промислового отримання гелію. Щоправда, деякі мінерали, що мають щільну структуру - самородні метали, магнетит, гранат, апатит, циркон та інші, - міцно утримують ув'язнений у них гелій. Однак більшість мінералів з часом піддаються процесам вивітрювання, перекристалізації і т.д., і гелій їх йде.

Гелієві бульбашки, що вивільнилися з кристалічних структур, відправляються в подорож земною корою. Дуже незначна частина їх розчиняється у підземних водах. Для утворення більш менш концентрованих розчинів гелію потрібні особливі умови, насамперед великі тиску. Інша частина кочівного гелію через пори та тріщини мінералів виходить в атмосферу. Інші молекули газу потрапляють у підземні пастки, у яких накопичуються протягом десятків, сотень мільйонів років. Пастками є пласти пухких порід, порожнечі яких заповнюються газом. Ложем для таких газових колекторів зазвичай є вода і нафта, а зверху їх перекривають газонепроникні товщі щільних порід.

Так як у земній корі мандрують і інші гази (головним чином метан, азот, вуглекислота), і до того ж у значно більших кількостях, то суто гелієвих скупчень не існує. Гелій у природних газах присутня як незначна домішка. Зміст його не перевищує тисячних, сотих, рідко - десятих часток відсотка. Велика (1,5...10%) гелієносність метано-азотних родовищ - явище вкрай рідкісне.

Символ елемента, виготовлений з газорозрядних трубок, наповнених гелієм. Гелій світиться світло-персиковим кольором, коли через нього проходить електричний струм.

Запаси гелію Землі оцінюються в 5·1014 м3; судячи з обчислень, його утворилося в земній корі за 2 млрд років у десятки разів більше. Така розбіжність теорії з практикою цілком зрозуміла. Гелій - легкий газ і, подібно до водню (хоча й повільніше), не випаровується з атмосфери у світовий простір. Ймовірно, за час існування Землі гелій нашої планети неодноразово оновлювався – старий випаровувався в космос, а замість нього в атмосферу надходив свіжий – «видиханий» Землею.

У літосфері гелію щонайменше 200 тис. разів більше, ніж у атмосфері; ще більше потенційного гелію зберігається в «утробі» Землі – в альфа активних елементах. Але загальний зміст цього елемента у Землі та атмосфері невеликий. Гелій - рідкісний та розсіяний газ. На 1 кг земного матеріалу припадає всього 0,003 мг гелію, а вміст його в повітрі – 0,00052 об'ємного відсотка. Така мала концентрація не дозволяє поки що економічно витягувати гелій з повітря.

Гелій утворюється з водню внаслідок термоядерної реакції. Саме термоядерні реакції є джерелом енергії для нашого Сонця та багатьох мільярдів інших зірок.

Надра та атмосфера нашої планети бідні гелієм. Але це не означає, що його мало усюди у Всесвіті. За сучасними підрахунками 76% космічної маси посідає водень і 23% на гелій; на всі інші елементи залишається лише 1%! Таким чином, світову матерію можна назвати воднево-гелієвою. Ці два елементи панують у зірках, планетарних туманностях та міжзоряному газі.

Рис. 1. Криві поширеності елементів Землі (згори) й у космосі.

Ймовірно, всі планети сонячної системи містять радіогенний гель (утворився при альфа розпаді), а великі - і реліктовий гелій з космосу. Гелій рясно представлений в атмосфері Юпітера: за даними його там 33%, за іншими - 17%. Це відкриття лягло в основу сюжету однієї з оповідань відомого вченого та письменника-фантаста А. Азімова. У центрі оповідання – план (можливо, здійсненний у майбутньому) доставки гелію з Юпітера, а то й закидання на найближчий супутник цієї планети – Юпітер V – армади кібернетичних машин на кріотронах (про них – нижче). Занурившись у рідкий гелій атмосфери Юпітера (наднизкі температури та надпровідність - необхідні умови для роботи кріотронів), ці машини перетворять Юпітер V на мозковий центр сонячної системи.

Походження зіркового гелію було пояснено 1938 р. німецькими фізиками Бете та Вейцзекером. Пізніше їхня теорія отримала експериментальне підтвердження та уточнення за допомогою прискорювачів елементарних частинок. Суть її наступного.

Ядра гелію синтезуються при зоряних температурах із протонів в результаті термоядерних процесів, що вивільняють 175 млн кіловат-годин енергії на кожен кілограм гелію.

Різні цикли реакцій можуть призвести до синтезу гелію.

В умовах не дуже гарячих зірок, таких як наше Сонце, переважає, мабуть, протонно-протонний цикл. Він складається з трьох послідовно змінних перетворень. Спочатку з'єднуються на великих швидкостях два протони з утворенням дейтрона - конструкції з протона і нейтрона; при цьому відокремлюються позитрон та нейтрино. Далі з'єднуються дейтрон із протоном у легкий гелій із випромінюванням гама кванта. Нарешті, реагують два ядра 3Не, перетворюючись на альфа частинку і два протони. Альфа-частка, обзавівшись двома електронами, стане потім атомом гелію.

Той же кінцевий результат дає швидший вуглецевий-азотний цикл, значення якого в умовах Сонця не дуже велике, але на гарячіших, ніж Сонце, зірках роль цього циклу посилюється. Він складається із шести ступенів - реакцій. Вуглець відіграє роль каталізатора процесу злиття протонів. Енергія, що виділяється в ході цих перетворень, така сама, як і при протонно-протонному циклі - 26,7 МеВ на один атом гелію.

Реакція синтезу гелію – основа енергетичної діяльності зірок, їх свічення. Отже, синтез гелію можна вважати предком всіх реакцій у природі, першопричиною життя, світла, тепла та метеорологічних явищ на Землі.

Гелій який завжди буває кінцевим продуктом зоряних синтезів. За теорією професора Д.А. Франк-Каменецького, при послідовному злитті ядер гелію утворюються 3Be, 12C, 16O, 20Ne, 24Mg, а захоплення цими ядрами протонів призводить до виникнення інших ядер. Для синтезу ядер важких елементів до трансуранових потрібні виняткові надвисокі температури, які розвиваються на нестійких «нових» і «наднових» зірках.

Відомий радянський хімік О.Ф. Капустинський називав водень і гелій протоелементами – елементами первинної матерії. Чи не в цій первинності приховано пояснення особливого становища водню та гелію в періодичній системі елементів, зокрема того факту, що перший період, по суті, позбавлений періодичності, характерної для інших періодів?

Атомна структура гелію

Атом гелію (він же молекула) - найміцніша з молекулярних конструкцій. Орбіти двох його електронів абсолютно однакові і проходять гранично близько від ядра. Щоб оголити ядро ​​гелію, потрібно витратити рекордно більшу енергію - 78,61 МеВ. Звідси – феноменальна хімічна пасивність гелію.

За останні 15 років хімікам вдалося отримати понад 150 хімічних сполук важких шляхетних газів (про сполуки важких шляхетних газів буде розказано у статтях «Кріптон» та «Ксенон»). Однак інертність гелію залишається, як і раніше, поза підозрою.

Обчислення показують, що якби і був знайдений шлях отримання, скажімо фториду або окислу гелію, то при освіті вони поглинули б так багато енергії, що молекули, що вийшли, були б «підірвані» цією енергією зсередини.

Молекули гелію неполярні. Сили міжмолекулярної взаємодії між ними вкрай невеликі – менше, ніж у будь-якій іншій речовині. Звідси – найнижчі значення критичних величин, найнижча температура кипіння, найменші теплоти випаровування та плавлення. Щодо температури плавлення гелію, то при нормальному тиску її взагалі немає. Рідкий гелій при будь-якій близької до абсолютного нуля температурі не твердне, якщо, крім температури, на нього але діє тиск в 25 або більше атмосфер. Другої такої речовини у природі немає.

Немає іншого газу, настільки мізерно розчинного в рідинах, особливо полярних, і так мало схильного до адсорбції, як гелій. Це найкращий серед газів провідник електрики та другий, після водню, провідник тепла. Його теплоємність дуже велика, а в'язкість мала.

Вражаюче швидко проникає гелій крізь тонкі перегородки з деяких органічних полімерів, порцеляни, кварцового та боросилікатного скла. Цікаво, що крізь м'яке скло гелій дифундує у 100 разів повільніше, ніж крізь боросилікатне. Гелій може проникати через багато металів. Повністю непроникні йому лише залізо і метали платинової групи, навіть розпечені.

На принципі виборчої проникності заснований новий метод отримання чистого гелію з природного газу.

Винятковий інтерес виявляють вчені рідкого гелію. По-перше, це найхолодніша рідина, в якій до того ж не розчиняється помітно жодна речовина. По-друге, це найлегша рідина з мінімальною величиною поверхневого натягу.

При температурі 2,172°К відбувається стрибкоподібна зміна властивостей рідкого гелію. Різновид, що утворюється, умовно названа гелієм II. Гелій II кипить зовсім не так, як інші рідини, він не вирує при кипінні, поверхня його залишається спокійною. Гелій II проводить тепло в 300 млн. разів краще, ніж звичайний рідкий гелій (гелій I). В'язкість гелію II практично дорівнює нулю, вона в тисячу разів менша за в'язкість рідкого водню. Тому гелій II має надплинність - здатність витікати без тертя через капіляри скільки завгодно малого діаметра.

Інший стабільний ізотоп гелію 3Не переходить у надплинний стан при температурі, що віддаляється від абсолютного куля всього на соті частки градусів. Надплинні гелій-4 і гелій-3 називають квантовими рідинами: у них проявляються квантово-механічні ефекти ще до їх затвердіння. Цим пояснюється дуже детальна вивченість рідкого гелію. Та й виробляють його нині чимало – сотні тисяч літрів на рік. А ось твердий гелій майже не вивчений: великі експериментальні труднощі дослідження цього холодного тіла. Безперечно, пробіл цей буде заповнений, оскільки фізики чекають багато нового від пізнання властивостей твердого гелію: він теж квантове тіло.

Балони з гелієм

Наприкінці минулого століття англійський журнал «Панч» помістив карикатуру, на якій гелій був зображений хитро підморгуючим чоловічком - сонцем. Текст під малюнком говорив: «Нарешті мене виловили і Землі! Це тривало досить довго! Цікаво знати, скільки часу мине, поки вони здогадаються, що робити зі мною?

Дійсно, минуло 34 роки від дня відкриття земного гелію (перше повідомлення про це було опубліковано в 1881), перш ніж він знайшов практичне застосування. Певну роль тут відіграли оригінальні фізико-технічні, електричні та меншою мірою хімічні властивості гелію, що зажадали тривалого вивчення. Головними ж перешкодами були розсіяність та висока вартість елемента №2.

Першими гелій застосували німці. У 1915 р. вони почали наповнювати їм свої дирижаблі, що бомбували Лондон. Незабаром легкий, але негорючий гелій став незамінним наповнювачем повітроплавних апаратів. Занепад дирижаблебудування, що почався в середині 30-х років, спричинив деякий спад у виробництві гелію, але лише на короткий час. Цей газ дедалі більше привертав увагу хіміків, металургів і машинобудівників.

Багато технологічні процеси та операції не можна вести у повітряному середовищі. Щоб уникнути взаємодії речовини, що отримується (або вихідної сировини) з газами повітря, створюють спеціальні захисні середовища; і немає для цього більш відповідного газу, ніж гелій.

Балони з гелієм

За допомогою особливих шукачів течії, дія яких заснована на винятковій дифузійній здатності гелію, виявляють найменші можливості витоку в атомних реакторах та інших системах, що знаходяться під тиском або вакуумом.

Останні роки ознаменовані повторним підйомом дирижаблебудування, тепер на вищій науково-технічній основі. У ряді країн побудовані та будуються дирижаблі з гелієвим наповненням вантажопідйомністю від 100 до 3000 т. Вони економічні, надійні та зручні для транспортування великогабаритних вантажів, таких як батоги газопроводів, нафтоочисні установки, опори ліній електропередач тощо. Наповнення з 85% гелію і 15% водню є вогнебезпечним і тільки на 7% знижує підйомну силу в порівнянні з водневим наповненням.

Почали діяти високотемпературні ядерні реактори нового типу, у яких теплоносія служить гелій.

У наукових дослідженнях та техніці широко застосовується рідкий гелій. Наднизькі температури сприяють поглибленому пізнанню речовини та її будови – за більш високих температур тонкі деталі енергетичних спектрів маскуються тепловим рухом атомів.

Вже існують надпровідні соленоїди з особливих сплавів, що створюють за температури рідкого гелію сильні магнітні поля (до 300 тис. ерстед) при мізерних витратах енергії.

При температурі рідкого гелію багато металів і сплавів стають надпровідниками. Надпровідникові реле - кріотрони все ширше використовуються в конструкціях електронно-обчислювальних машин. Вони прості, надійні, дуже компактні. Надпровідники, а з ними і рідкий гелій стають необхідними для електроніки. Вони входять до конструкції детекторів інфрачервоного випромінювання, молекулярних підсилювачів (мазерів), оптичних квантових генераторів (лазерів), приладів для вимірювання надвисоких частот.

Звичайно, цими прикладами не вичерпується роль гелію у сучасній техніці. Але якби не обмеженість природних ресурсів, не крайня неуважність гелію, він знайшов би ще безліч застосувань. Відомо, наприклад, що при консервуванні в середовищі гелію харчові продукти зберігають свій первісний смак та аромат. Але «гелієві» консерви поки що залишаються «річчю в собі», тому що гелію не вистачає і застосовують його лише у найважливіших галузях промисловості і там, де без нього ніяк не обійтися. Тому особливо прикро усвідомлювати, що з пальним природним газом через апарати хімічного синтезу, топки та печі проходять і йдуть в атмосферу набагато більші кількості гелію, ніж ті, що видобуваються з гелієносних джерел.

Зараз вважається вигідним виділяти гелій тільки в тих випадках, якщо його вміст у природному газі не менший за 0,05%. Запаси такого газу весь час зменшуються, і не виключено, що їх буде вичерпано ще до кінця нашого століття. Однак, проблема «гелієвої недостатності» до цього часу, ймовірно, буде вирішена - частково за рахунок створення нових, більш досконалих методів поділу газів, вилучення з них найбільш цінних, хоч і незначних за обсягом фракцій, і частково завдяки керованому термоядерному синтезу. Гелій стане важливим, хоч і побічним, продуктом діяльності «штучних сонців».

Трубка з гелієм

У природі існують два стабільні ізотопи гелію: гелій-3 і гелій-4. Легкий ізотоп поширений Землі в мільйон разів менше, ніж важкий. Це найрідкісніший із стабільних ізотопів, що існують на нашій планеті. Штучним шляхом отримано ще три ізотопи гелію. Усі вони радіоактивні. Період напіврозпаду гелію-5 – 2,4 · 10-21 секунди, гелію-6 – 0,83 секунди, гелію-8 – 0,18 секунди. Найважчий ізотоп, цікавий тим, що в його ядрах на один протон припадає три нейтрони, вперше підучили в Дубні в 60-х роках. Спроби отримати гелій-10 поки що були невдалими.

Останній твердий газ

У рідкий і твердий стан гелій був переведений останнім із усіх газів. Особливі складності зрідження та затвердіння гелію пояснюються будовою його атома та деякими особливостями фізичних властивостей. Зокрема, гелій, як і водень, за температури вище - 250°C, розширюючись, не охолоджується, а нагрівається. З іншого боку, критична температура гелію вкрай низька. Саме тому рідкий гелій вперше вдалося отримати лише у 1908, а твердий – у 1926 р.

Повітря, в якому весь азот чи більша його частина замінено гелієм, сьогодні вже не новина. Його широко використовують на землі, під землею та під водою.

Гелієве повітря втричі легше і набагато рухоміше звичайного повітря. Він активніше веде себе у легенях – швидко підводить кисень і швидко евакуює вуглекислий газ. Ось чому гелієве повітря дають хворим при розладах дихання та деяких операціях. Він знімає задухи, лікує бронхіальну астму та захворювання гортані.

Дихання гелієвим повітрям практично виключає азотну емболію (кесонну хворобу), якій при переході від підвищеного тиску до нормального піддаються водолази та фахівці інших професій, робота яких проходить в умовах підвищеного тиску. Причина цієї хвороби – досить значна, особливо при підвищеному тиску, розчинність азоту у крові. У міру зменшення тиску він виділяється у вигляді газових бульбашок, які можуть закупорити кровоносні судини, пошкодити нервові вузли... На відміну від азоту, гелій практично нерозчинний у рідинах організму, тому він не може бути причиною кесонної хвороби. До того ж, гелієве повітря виключає виникнення «азотного наркозу», зовні подібного до алкогольного сп'яніння.

Рано чи пізно людству доведеться навчитися довго жити і працювати на морському дні, щоб всерйоз скористатися мінеральними та харчовими ресурсами шельфу. А на великих глибинах, як показали досліди радянських, французьких та американських дослідників, гелієве повітря поки що незамінне. Біологи довели, що тривале дихання гелієвим повітрям не викликає негативних зрушень у людському організмі та не загрожує змінами в генетичному апараті: гелієва атмосфера не впливає на розвиток клітин та частоту мутацій. Відомі роботи, автори яких вважають гелієве повітря оптимальним повітряним середовищем для космічних кораблів, які здійснюють тривалі польоти у Всесвіт. Але поки що за межі земної атмосфери штучне гелієве повітря ще не піднімалося.

На честь гелію названо астероїд (895) Геліо, відкритий в 1918 році.

Призначення фольгованих цифр. Розміри надутих фольгованих фігур у вигляді цифр. Визначення обсягу гелію, необхідного для надування фольгованих цифр. Питання ціноутворення на фігури цифр, надутих гелієм.

Значення фольгованих цифр

Фольговані цифри використовуються для позначення дат та значущих цифр під час оформлення повітряними кулями. Раніше до появи на ринку фольгованих цифр оформлювачам доводилося виготовляти аналогічні цифри з латексних куль невеликого розміру, що встановлюються на каркасі. Щодо нестандартних цифр чи цифр великого розміру, ця практика досі зберігається. Проте, більшість приводів використовуються саме фольговані цифри, надуті гелієм чи повітрям.

У стандартних випадках фольговані цифри чудово замінюють рукодельні аналоги, що виготовляються з круглих латексних куль. Передбачувана якість, низька собівартість, висока швидкість одержання результату – ось ті моменти, які визначають широке поширення фольгованих цифр.

Промисловість постійно розширює асортименти фольгованих цифр: крім однотонних цифр (золотих, срібних, червоних, синіх, рожевих тощо), випускаються цифри, що містять орнамент, тематичний малюнок або поставляються фольговані цифри, що є елементом барвистого оформлення.

Висота звичайних фольгованих цифр

У нас у країні продаються великі фольговані цифри (під гелій та під повітря). Зустрічаються пропозиції купити цифри різної висоти: 86 см, 91 см, 95 см, 102 см (різних виробників та постачальників). Давайте внесемо ясність: усі звичайні стандартні фольговані цифри (різних виробників), у надутому стані, мають однакову висоту: близько 85 – 86 см. Висота цифр в області метра (метрові цифри) – це висота не надутих цифр.

Так, колеги: цифри Anagram та Betallic (США), Flexmetal (Іспанія), звичайна фольга Grabo (Італія) або навіть цифри Falali (Китай, тобто «Веселе свято»), у надутому стані, мають однакову стандартну висоту: близько 85 – 86 см.

Навіть цифри «Веселе свято» з розмірами, що позначаються на упаковках як 34"/86 см і 40"/102 см, насправді мають однакову висоту (реально там змінюється лише ширина цифр, та й їх обсяг відповідно).

Де-факто, висота фольгованих цифр стала стандартом, якого дотримуються більшість виробників фольгованих куль та фігур.

Об'єм гелію для фольгованих цифр

У багатьох людей, зайнятих у нашій професії, виникають питання про кількість гелію, необхідну для надування тієї чи іншої фігури цифри. Хтось хоче визначити собівартість, хтось просто хоче «все знати», комусь потрібно налагодити облік та контролювати своїх працівників.

Постараємося дати відповіді всім. За основу візьмемо звичайні цифри фольговані виробництва компанії BETALLIC (США).

Дані для фольгованих цифр інших виробників можуть відрізнятися.

Ціна гелієвих фольгованих цифр

Загальний розрахунок продажної ціни для фольгованих цифр, надутих гелієм складається з декількох складових:

• вартості гелію, закачаного у фольговану цифру (див. вище);
• вартості самої фольгованої фігури – цифри (ціни у постачальників);
• облік вартості шлюбу надування та шлюбу самих цифр (загальний відсоток шлюбу перевищує 100%, так каже практика);
• вартості роботи з надування та зав'язування фольгованих цифр;
• торгової націнки.

Реально, торгова націнка у рази перевищує собівартість. Саме це й приваблює до нашої професії юрби «новачків». Можливість робити бізнес з націнкою в 300%, за умови коли свій балон з гелієм встановлений вдома, і немає інших витрат на оренду, зарплату та податки, є багатьом квитком у казковий світ.

Однак згодом приходить розуміння, що все не так однозначно. Але це вже зовсім інша історія.

Всім добра та котиків.

Гелій (Helium, Не) хімічний елемент під номером 2 у таблиці Менделєєва.

18 серпня 1868 р. очікувалося повне сонячне затемнення. Астрономи всього світу активно готувалися до цього дня. Вони сподівалися дозволити таємницю протуберанців - виступів, що світяться, видимих ​​в момент повного сонячного затемнення по краях сонячного диска. Одні астрономи вважали, що протуберанці є високі місячні гори, які у момент повного сонячного затемнення висвітлюються променями Сонця; інші думали, що протуберанці - це гори на Сонці; треті бачили у сонячних виступах вогняні хмари сонячної атмосфери. Більшість же вважала, що протуберанці – не більше, ніж оптичний обман.

У 1851 р. під час сонячного затемнення, що спостерігалося у Європі, німецький астроном Шмідт як побачив сонячні виступи, а й встиг розглянути, що обриси їх змінюються з часом. На підставі своїх спостережень Шмідт зробив висновок, що протуберанці є розпеченими газовими хмарами, що викидаються в сонячну атмосферу гігантськими виверженнями. Однак і після спостережень Шмідта багато астрономів, як і раніше, вважали вогняні виступи обманом зору.

Тільки після повного затемнення 18 липня 1860, яке спостерігалося в. Іспанії, коли багато астрономів побачили сонячні виступи на власні очі, а астрономам-італійцеві Секкі і французу Делларю вдалося не лише замалювати, а й сфотографувати їх, ні в кого вже не було сумнівів у існуванні протуберанців.

До 1860 був вже винайдений спектроскоп - прилад, що дає можливість шляхом спостережень видимої частини оптичного спектра визначати якісний склад тіла, від якого виходить спектр, що спостерігається. Однак у день сонячного затемнення ніхто з астрономів не скористався спектроскопом, щоби розглянути спектр протуберанців. Про спектроскоп згадали, коли затемнення вже скінчилося.

Ось чому, готуючись до сонячного затемнення 1868, кожен астроном до списку інструментів для спостереження включив і спектроскоп. Не забув цей прилад і Жуль Жансен, відомий французький вчений, вирушаючи для спостереження протуберанців до Індії, де умови для спостереження сонячного затемнення за обчисленнями астрономів були найкращими.

У момент, коли блискучий диск Сонця був повністю закритий Місяцем, Жуль Жансен, досліджуючи за допомогою спектроскопа оранжево-червоні язики полум'я, що виривалися з поверхні Сонця, побачив у спектрі, крім трьох знайомих ліній водню: червоної, зелено-блакитної та синьої, нову, незнайому – яскраво-жовту. Жодна з речовин, відомих хімікам того часу, не мала такої лінії в частині спектру, де її виявив Жюль Жансен. Таке ж відкриття, але вдома, в Англії, зробив астроном Норман Локієр.

25 жовтня 1868 р. паризька Академія наук отримала два листи. Одне написане наступного дня після сонячного затемнення прийшло з Гунтура, маленького містечка на східному узбережжі Індії, від Жюля Жансена; інший лист, від 20 жовтня 1868 р. був із Англії від Нормана Локієра.

Отримані листи було зачитано на засіданні професорів паризької Академії наук. У них Жюль Жансен і Норман Локієр, незалежно один від одного, повідомили про відкриття однієї й тієї ж "сонячної речовини". Ця нова речовина, знайдена на поверхні Сонця за допомогою спектроскопа, Локієр пропонував назвати гелієм від грецького слова "сонце" - "геліос".

Такий збіг здивував вчені збори професорів Академій і водночас свідчив про об'єктивний характер відкриття нової хімічної речовини. На честь відкриття речовини сонячних смолоскипів (протуберанців) було вибито медаль. На одному боці цієї медалі вибиті портрети Жансена та Локієра, а на іншій – зображення давньогрецького бога сонця Аполлона у колісниці, запряженій четвіркою коней. Під колісницею красувався напис французькою мовою: "Аналіз сонячних виступів 18 серпня 1868".

У 1895 р. лондонський хімік Генрі Майєрс звернув увагу Вільяма Рамзая, відомого англійського фізика-хіміка, на тоді вже забуту статтю геолога Хільдебранда. У цій статті Хільдебранд стверджував, що деякі рідкісні мінерали при нагріванні їх у сірчаній кислоті виділяють газ, що не горить і не підтримує горіння. Серед таких рідкісних мінералів був наклеп, знайдений у Норвегії Норденшельдом, знаменитим шведським дослідником полярних областей.

Рамзай вирішив дослідити природу газу, що міститься в наклепі. У всіх хімічних магазинах Лондона помічникам Рамзая вдалося купити лише... один грам клевеїта, заплативши за нього всього 3,5 шилінга. Виділивши з отриманої кількості клевеїта кілька кубічних сантиметрів газу та очистивши від домішок, Рамзай досліджував його за допомогою спектроскопа. Результат був несподіваним: виділений газ із наклепу виявився... гелієм!

Не довіряючи своєму відкриття, Рамзай звернувся до Вільяма Крукса, найбільшого на той час у Лондоні фахівця спектрального аналізу, з проханням дослідити виділений із наклепу газ.

Крукс досліджував газ. Результат дослідження підтвердив відкриття Рамзаю. Так, 23 березня 1895 р. на Землі було виявлено речовину, 27 років тому знайдену на Сонці. Того ж дня Рамзай опублікував своє відкриття, відправивши одне повідомлення до Лондонського Королівського товариства, а інше - відомого французького хіміка академіка Бертла. У листі до Бертло Рамзай просив повідомити про відкриття вчених зборів професорів паризької Академії.

Через 15 днів після Рамзая, незалежно від нього, шведський хімік Лангле виділив гелій із клевеїта і так само, як Рамзай, повідомив про своє відкриття гелію хіміку Бертло.

Втретє гелій було відкрито повітря, куди, на думку Рамзая, він мав надходити з рідкісних мінералів (клевеїта та інших.) при руйнуванні і хімічних перетвореннях землі.

У невеликих кількостях гелії виявили і у воді деяких мінеральних джерел. Так, наприклад, його знайшли Рамзаєм у цілющому джерелі Котре в Піренейських горах, англійський фізик Джон Вільям Релей знайшов його у водах джерел на відомому курорті Бат, німецький фізик Кайзер відкрив гелій у ключах, що б'ють у горах Шварцвальда. Однак найбільше було виявлено гелію у деяких мінералах. Він міститься в самарскіті, фергусоніті, колумбіті, монациті, уранініт. У мінералі торіаніте з острова Цейлон міститься багато гелію. Кілограм торіаніту при нагріванні до червоного виділяє 10 л гелію.

Незабаром було встановлено, що гелій зустрічається тільки в тих мінералах, у складі яких знаходяться радіоактивні уран та торій. Альфа промені, що випускаються деякими радіоактивними елементами, є не що інше, як ядра атомів гелію, які, приєднуючи електрони, перетворюються на атоми гелію.

Гелій - прозорий газ, без смаку та запаху, що наступає за величиною атомної ваги після водню елемент. Він абсолютно інертний, тобто не вступає в жодні реакції. Зі всіх речовин гелій має найнижчу температуру кипіння -269°С. Рідкий гелій – найголодніша рідина. "Замерзає" гелій при - 272 ° С. Ця температура всього на один градус вище температури абсолютного нуля.

Гелій - найкращий газ для повітроплавних апаратів. Для їхнього наповнення зазвичай використовується суміш гелію (85%) з воднем (15%). Величезні кількості гелію (до 200000 куб. м), у минулому необхідні наповнення дирижаблів, видобувалися переважно з природних газів.

Для бомбардування великих міст, головним чином столиць Англії л Франції, німецьке командування в першу світову війну використовувало цепеліни. Для заповнення їх вживали водень. Тому боротьба з цепелінами була порівняно проста: запальний снаряд, що потрапляв в оболонку цепеліну, підпалював водень, цепелін миттєво спалахував і згоряв. З 123 цепелінів побудованих у Німеччині за час першої світової війни, 40 згоріло від запальних снарядів, Але одного разу генеральний штаб англійської армії був здивований повідомленням особливої ​​ваги. Прямі попадання запальних снарядів у німецький цепелін не дали результатів. Цепелін не спалахнув, а повільно, мабуть спливаючи якимсь невідомим газом, полетів назад.

Військові фахівці дивувалися і, незважаючи на екстрене та докладне обговорення питання про незаймистість цепеліну від запальних снарядів, не могли знайти потрібного пояснення. Загадку цепеліну розгадав англійський хімік Річард Трелфолл. У листі на адресу Британського адміралтейства він писав: "...вважаю, що німці винайшли якийсь спосіб видобувати у великій кількості гелій, і цього разу наповнили оболонку свого цепеліну не воднем, як завжди, а гелієм...".

Переконливість доказів Трелфолла, однак, знижувалася фактом відсутності в Німеччині значних джерел гелію. Щоправда, гелій міститься в повітрі, але його там мало: в одному кубічному метрі повітря міститься лише 5 кубічних сантиметрів гелію. До того ж холодильна машина системи Лінде, що перетворює на рідину кілька сотень кубічних метрів повітря в одну годину, могла дати за цей час не більше 3 л гелію.

3 літри гелію на годину! А для наповнення цепеліну потрібно 5-6 тис. куб. м. Для отримання такої кількості гелію одна машина Лінде мала б працювати без зупинки близько двохсот років, двісті таких машин дали потрібну кількість гелію в один рік. Будівництво 200 заводів із перетворення повітря на рідину для отримання гелію економічно дуже невигідна, а практично безглузда.

Звідки ж німецькі хіміки одержували гелій?

Це питання, як з'ясувалося пізніше, було вирішено порівняно просто. Задовго до війни німецьким пароплавним компаніям, що возили товари в Індію і Бразилію, дано було вказувати вантажити пароплави, що повертаються, не звичайним баластом, а монацитовим піском, який містить гелій. Так було створено запас "гелієвої сировини" - близько 5 тис. т монацитового піску, з якого і виходив гелій для цепелінів. Крім того, гелій видобувався з води мінерального джерела Наугейм, яке давало до 70 куб. м гелію щодня.

Випадок з незгоряним цепеліном став поштовхом для нових пошуків гелію. Гелій стали посилено шукати хіміки, фізики, геологи. Він несподівано набув величезної цінності. У 1916 р. 1 кубометр гелію коштував 200 000 рублів золотом, тобто 200 рублів літр. Якщо зважити, що літр гелію важить 0,18 г, то 1 г його коштував понад 1000 рублів.

Гелій став об'єктом полювання комерсантів, спекулянтів, біржових ділків. Гелій у значних кількостях був виявлений у природних газах, що виходять з надр землі в Америці, в штаті Канзас, де після вступу Америки до воїна, поблизу міста Форт-Уорс було збудовано гелієвий завод. Але війна закінчилася, запаси гелію залишилися невикористаними, вартість гелію різко впала і становила наприкінці 1918 близько чотирьох рублів за кубічний метр.

Добутий з такою працею гелій був використаний американцями лише 1923 р. для наповнення тепер мирного дирижабля " Шенандоа " . Він був першим і єдиним у світі повітряним вантажопасажирським кораблем, наповненим гелієм. Однак "життя" його виявилося нетривалим. Через два роки після свого народження "Шенандоа" було знищено бурею 55 тис. куб. м, майже весь світовий запас гелію, що збирався протягом шести років, безвісти розсіявся в атмосфері під час бурі, що тривала всього 30 хвилин.

У водолазній справі гелій використовується для отримання штучного повітря. Штучне повітря, у складі якого азот частково замінений гелієм, застосовується полегшення дихання водолазів, які працюють під особливо великим тиском.

Як відомо, розчинність газів у рідинах, за інших рівних умов, прямо пропорційна тиску. У водолазів, що працюють під великим тиском, в крові розчинено азоту набагато більше, ніж нормальні умови, що існують на поверхні води. При підйомі з глибини, коли тиск наближається до нормального, розчинність азоту знижується і його надлишок починає виділятися. Якщо підйом відбувається швидко, виділення надлишку розчинених газів відбувається настільки бурхливо, що кров і багаті водою тканини організму, насичені газом, спінюються від маси бульбашок азоту подібно до шампанського при відкриванні пляшки. Утворення бульбашок азоту в кровоносних судинах порушує роботу серця, поява їх у мозку порушує його функції, веде до тяжких розладів життєдіяльності організму та смерті. Для того щоб запобігти розвитку описаних явищ, відомих під ім'ям "кесонної хвороби", підйом водолазів, тобто перехід від підвищеного тиску до нормального, проводиться дуже повільно. При цьому надлишок розчинених газів виділяється поступово і жодних болючих розладів не відбувається.

Із застосуванням штучного повітря, в якому азот замінюється менш розчинним гелієм, можливість шкідливих розладів усувається майже повністю. Це дозволяє збільшувати глибину опускання водолазів (до 100 і більше метрів) та подовжувати час перебування під водою.

"Гелієве" повітря має щільність втричі менше щільності звичайного повітря. Тому дихати "гелієвим" повітрям легше, ніж звичайним (зменшується робота дихальних м'язів). Ця обставина має важливе значення при захворюванні дихальних м'язів та деяких інших хворобах, пов'язаних із актом дихання. Тому "гелієве" повітря застосовується також у медицині при лікуванні астми, задушок та інших хвороб.

Гелій застосовується також у техніці отримання низьких температур.

Як найправильніше вивчити мову? Можна витратити купу часу, сил та грошей на найм вчителів та репетиторів, на відвідування шкіл та курсів іноземних мов. Але це не гарантує результат. Найправильніше вивчати іноземну мову спілкуючись з її носієм, це так званий метод польової лінгвістики. Де ж найкраще практикуватися з носієм мови? Звичайно, на його батьківщині - в Англії. Освіта в Англії по праву вважається найкращим у світі. Тому навчання англійської в англії це запорука успіху у вивченні іноземної мови. Пам'ятайте, на сьогоднішній день вивчення мови з її носієм вважається найефективнішим.

I.
Незвичайність гелію виявилася вже у самій історик його відкриття. Як відомо, цей елемент вперше виявили 1868 року не на Землі, а на Сонці, точніше, у спектрі сонячної корони. Звичайно, ніхто на власні очі не спостерігав гелій – і підозрювали, що ніколи і нікому не вдасться його спостерігати: гелію на Землі не було. Припускали, що наука знайшла протовещество, з якого збудовано зірки. Згодом виявилося, що це не зовсім так, хоч у будівельному матеріалі зірок був присутній і гелій.
Але ось в 1895 в англійському журналі «Нейчур» один за одним з'явилися дві статті з однаковою назвою: «Земний гелій». Автором однієї з них був відомий експериментатор В. Рамзай, який на той час відкрив хімічний елемент аргон, інший - В. Крукс, знаменитий своїми дослідженнями катодних променів. Гелій, який досі спостерігався тільки в спектрі Сонця, виявили при аналізі цілком земного мінералу клевеїта. Незабаром його знайшли і в ряді інших мінералів, що містили, як і наклеп, уран і торій.
А ось в атмосфері гелій не було знайдено, вірніше це сталося набагато пізніше. Така обставина, щоправда, нікого особливо не здивувала: вважали, що завдяки своїй летючості гелій, як і вільний водень, давно пішов у світовий простір.
Відкриття земного гелію загострило інтерес до проблеми походження хімічних елементів. Про те, що в їх основі лежить якась праматерія і що кожен елемент перетворюється на природу іншого елемента, здогадувався ще Роджер Бекон. Найпростішим серед них, безумовно, слід вважати водень. Але в ланцюжку радіоактивних перетворень наполегливо з'являвся не водень, а гелій. Чому? Можливо, як «праматерія» виступають не водень і не гелій, а якийсь інший, поки не знайдений на нашій планеті елемент?
Гелій виявили не тільки в сонячній короні та на Землі, а й у спектрах інших зірок. Більше того, з'ясувалося, що за поширеністю в зірковій речовині, так само як і взагалі у Всесвіті, гелій займає друге після водню помсти.
Але на нашій залізокремнієвій планеті відносний вміст гелію виявилося в десятки мільярдів разів меншим, ніж у Всесвіті. На Землі взагалі немає областей, про які можна було б сказати, що вони багаті на гелієм. Проте цей елемент присутній всюди: в атмосфері, океані та земній корі, у підземних газах, водах та нафті. Він розсіяний планетою.
У тридцяті роки було відкрито ізотопи гелію. Згодом виявилася цікава закономірність: у внутрішніх областях метеоритів, у складі космічного пилу та місячного ґрунту спостерігалося дивовижне постійне співвідношення гелію-3 та гелію-4: 3*10-4, тобто на десять тисяч атомів гелію-4 припадало в середньому три його. легких ізотопу. Земна природа дуже не злюбила легкий ізотоп гелію. Якщо гелію взагалі в земних зразках мало, то гелію-3, м'яко кажучи, мізерно мало: частку легкого ізотопу припадає в середньому десятимільйонна частка природного гелію.
І найдивнішим здалося навіть не вкрай низький вміст гелію-3 у речовині Землі, а незвичайні варіації ізотопного складу. Виникало питання: чи має якесь відношення поширеність гелію-3 до проблеми походження гелію на Землі? Тепер увагу вчених привернула поширеність стабільних ізотопів гелію у природі. Починалося друге гелієве століття.
Насамперед: звідки взявся на Землі гелій? Припускали, що існують три можливі його джерела.
Перший з них - це первинний, або первозданний гелій, який входив до складу речовини планети 4,5 мільярда років тому і який, мабуть, на цей час планетою втрат.
Другим джерелом гелію Землі вважався радіогенний гелій, що виникає як продукт природних ядерних реакцій. Ізотопне співвідношення, властиве радіогенного гелію, зазвичай, коливається не більше 10-5 - 10-10 - залежно від складу оточуючої речовини.
І нарешті гелій космогенного походження, що виникає в результаті взаємодії жорсткого космічного випромінювання з речовиною Землі. Крім того, він потрапляє у верхні шари атмосфери разом із метеоритами та космічним пилом.
Про спостереженні первозданного гелію Землі навіть говорили: вважали, що у Землі його не залишилося. І справді, вимірювання ізотопного співвідношення гелію земної кори завзято свідчили на користь його радіогенного, отже, вторинного походження. Однак у атмосфері нашої планети відбувалися незрозумілі речі. Ізотопне відношення гелію було приклад-" але в сто разів вище, ніж для гелію, що спостерігався в земній корі. Відомо, що гелій, що потрапляє в атмосферу, може рухатися тільки в одному напрямку - йти вгору, в космічний простір. Яким чином потрапляв в атмосферу цей Всі зібрані воєдино мислимі джерела легкого ізотопу не могли пояснити цього факту.
Свого часу академік В. І. Вернадський запитував: «Чому так мало гелію на Землі? Куди він подівся? Ми стоїмо тут щодо земної кори перед загадками більш загального масштабу». Тепер доводилося дивуватися не тому, що гелію взагалі мало на Землі, а тому, що легкого ізотопу занадто багато в атмосфері.

2.
Читач, напевно, здогадався, що коли проблеми ставляться, намічені й деякі шляхи їх вирішення. Але перш ніж переходити до "відгадок", хотілося б зробити маленький відступ.
Як правило, застосування принципово нових методів дослідження, розширюючи наші горизонти у пізнанні природи, неминуче веде до відкриття.
Серед методів дослідження властивостей речовини особливе місце займає мас-спектрометрія поділу заряджених частинок мас за допомогою електричного і магнітного полів. Ідея мас-спектрометрії з часом отримала широкий розвиток. У багатьох лабораторіях світу з'явилися мас-спектрометри «власної конструкції». З'ясувалося, що дуже багато хімічних елементів складаються з суміші ізотопів, але, на жаль і здивування дослідників, до них довгі роки не ставився гелій.
У багатьох зразках, як уже говорилося, гелій-3 містився у набагато меншій кількості, ніж гелій-4. Значить, були потрібні прилади з високою чутливістю. Інша проблема - у всіх пробах гелію неминуче були присутні іони і молекули, близькі за поведінкою в електромагнітному полі до іонів гелію-3. Як позбутися цього фону?
Щоб розірвати ланцюжок труднощів, потрібно було шукати нові способи поділу ізотопів. Одне з успішних рішень було запропоновано вченими Ленінградського фізико-технічного інституту імені А. Ф. Іоффе Академії наук СРСР.
Робота зі створення нової мас-спектрометричної методики розпочалася у лабораторії професора М. І. Іонова близько чверті століття тому. І перші апарати, створені у стінах інституту, досі працюють у промисловості. Але прилад, про який йтиметься і якому судилося здійснити переворот в ізотопії природного гелію, ще донедавна існував в одному лише лабораторному екземплярі.
Вчені спробували розділити ізотопи не тільки за рахунок їхнього різного відхилення в магнітному полі, як це робилося в мас-спектрометрах статичних, але й за рахунок їх різного часу прольоту. Для цього було достатньо накласти високочастотне електричне поле. І перші ж виміри, виконані на МРМС – магнітному резонансному мас-спектрометрі, привернули увагу фахівців. Виявилося, що якості приладу настільки високі, що дозволяли йому відчувати присутність у гелієвих пробах мільярдної частки ізотопу.
Але гелій виявився дуже примхливим і важким виміру об'єктом. І не тому, що гелію-3 було дуже мало в призначених для дослідження пробах, а тому, що в навколишньому атмосферному повітрі гелію часом було в сотні і тисячі разів більше. І якщо в пробу попадав хоча б один відсоток атмосферного повітря, результати вимірів спотворювалися на сотні відсотків!
Необхідно було рішуче виключити попадання атмосферного повітря в пробу і її відборі, і, що дуже важко, у процесі герметизації судини. Зразки мінералів, з яких видобували гелій, попередньо дробилися та нагрівалися до температури 1300 градусів за Цельсієм без контакту з атмосферою. А працювати доводилося Із зникаючими малими кількостями цього газу: адже гелій становив соті і тисячні частки відсотка від загальної ваги досліджуваної речовини.
При створенні МРМС ленінградські вчені зіткнулися з ще однією непередбаченою властивістю гелію, названого «ефект пам'яті». Наскільки ідеальною була герметизація приладу і як хороший вакуум не вдавалося створити, після відкачування в камері мас-спектрометра з'являлася помітна кількість гелію. Звідки він брався? Виявилося, що гелій, який раптово з'являвся в приладі, свого часу проник шляхом дифузії в елементи конструкції і тепер при зниженні тиску виділявся назад. З цим ефектом теж доводилося боротися: залишковий гелій міг вільно конкурувати з гелієм, призначеним на дослідження. А це могло утруднити будь-який аналіз, але особливо ефект пам'яті заважав дослідженню унікальних проб, наприклад, місячного ґрунту або космічного пилу.

3.
Коли вдалося подолати всі ці труднощі, нова мас-спектрометрична техніка відкрила нові можливості. І насамперед це торкнулося ізотопії гелію.
Протягом останніх півтора десятиліття ленінградські вчені провели кілька тисяч аналізів ізотопного співвідношення гелію в різних природних зразках. Об'єктами дослідження служили гірські породи, мінерали, вулканічні та природні гази, води та нафту, взяті буквально з усього світу. Поступово вимальовувалася картина розподілу ізотопів гелію у речовині Землі.
Насамперед вдалося виявити таку залежність: ізотопний склад гелію Землі непостійний, він визначається геологічної історією регіону, звідки взяли проби. Наприклад, найвищі ізотопні співвідношення - 10 - спостерігалися в районах, безпосередньо пов'язаних з мантією Землі, там, де інтенсивна вулканічна діяльність, де є розломи і тріщини в земній корі і можливий вихід глибинних потоків речовини на поверхню.
У стабільних районах земної кори, де тектонічна діяльність давно закінчилася, ізотопне співвідношення виявлялося майже в тисячу разів нижчим: 2 . 10-8. Райони ж, що займають проміжне положення з геологічної активності, характеризуються і проміжним ізотопним співвідношенням: 10-6 – 10-7.
А ось у атмосфері ізотопне співвідношення гелію знову починає підніматися, досягаючи величини близько 10-6. І нарешті, поза її межами, в навколосонячному просторі, ізотопне співвідношення гелію виявляється досить високим і постійним, досягаючи своєрідної константи природи: 3 . 10-4.
Чергову гелієву проблему можна було б сформулювати так: чому у вулканічних газах, що з'являються на поверхні в будь-якому районі Землі, гелію-3 у сотні та тисячі разів більше, ніж у зразках земної кори? Оскільки вулканічні гази – природні посланці мантії Землі, виходило, що надлишковий гелій знаходиться у мантії. Але з одним застереженням - цей мантійний гелій (зокрема і гелій-3) було мати суто радіогенне походження. Розрахунки показали, що ні ядерні перетворення елементів, ні потрапляння в земну кору космічних променів не могли пояснити кількість гелію-3, що спостерігається в мантійних газах.
Залишалося лише одне припущення: той гелій, який виділяється на поверхню Землі разом з вулканічними газами, є сумішшю радіогенного і первинного гелію. Це означало, що у надрах Землі зберігся гелій, захоплений Землею за її утворенні. Очевидно, близько 4,5 мільярда років тому ізотопне співвідношення гелію молодої Землі було близько до космічної константи. Але важкі елементи, що знаходилися в мантії, через радіоактивний розпад збільшували частку гелію-4, а дегазація надр зменшувала в першу чергу кількість легкого ізотопу внаслідок його більшої летючості. До речі, в мантії Землі зберігся як первинний гелій, а й інші гази.
В кінці 1981 виявлення первинного сонячного гелію в мантії Землі було зареєстровано в Державному реєстрі СРСР як відкриття. «Суть нашого відкриття, – сказав один з його авторів, професор Б. А. Мамирин, – полягає в тому, що ми з'ясували нову особливість улаштування нашої планети. Всім відомо, що земна куля має шарувату структуру – зверху тонка (10 – 70 кілометрів) земна кора, далі мантія завтовшки близько 3 тисячі кілометрів, усередині важке ядро. Ми встановили, що гелії, якими «просочені» породи земної кори та породи мантії, різко відмінні за ізотопним складом. У гелії мантії ставлення Не3Д1е4 у тисячу разів більше, ніж у гелії земної кори. Це рідкісний феномен природи, оскільки зрушення в ізотопному відношенні для різних елементів на Землі зазвичай не перевищують кількох відсотків».
А тепер обіцяні розгадки.
Отже, уявлення про повну втрату Землею первинного гелію не підтвердилося. Але яким чином було забезпечено збереження найлегшого на планеті газу? Виявилося, що первинний гелій міг зберегтися донині лише одному випадку: максимальна температура Землі за її утворення не перевищувала 500-700 градусів за Цельсієм. Іншими словами, наша планета ніколи не перебувала в розплавленому стані, інакше первинний гелій справді міг би випаруватися. Таким чином, проблема гелію, і гелію-3, зокрема, повинна враховуватися при обговоренні історії утворення планет Сонячної системи.
Подальший шлях гелію лежить крізь атмосферу. І виявилося, що саме мантія з її високою концентрацією легкого ізотопу гелію постачає той самий гелій-3, зміст якого в повітрі не пояснювався.
Сам факт збереження первинного гелію в мантії дуже багато дав вивчення планети. Через глибинні розломи в земній корі, через підводні та материкові вулкани відбувається постійний вихід гелію на поверхню - він ніби просвічує, подібно до рентгену, земну кору зсередини. І речовина, що мігрує з мантії до поверхні, завжди виявляється поміченим гелієм-3. Але в земній корі переважає радіогенний гелій, і ізотопна мітка розчиняється, а саме ізотопне співвідношення поступово зменшується. Зрозуміло, це дуже повільний процес. Лише за мільярд років після завершення геологічної активності регіону в гірських породах встановиться характерне для радіогенного гелію ізотопне співвідношення.
Проблема первозданного гелію веде в ті далекі від нашого століття часи, коли, за уявленнями вчених, Всесвіт був надщільною і надгарячою матерією. Потім розпочалося розширення, або, як його називають вчені. Великий вибух. Чому це сталося, сучасна наука не може відповісти. Але відновити передбачуваний перебіг подій виявилося можливим.
На ранніх стадіях еволюції Всесвіт був наповнений елементарними частинками. У міру її остигання утворилися ядра дейтерію, гелію-3 і гелію-4. лише через мільйон років Всесвіт охолонув настільки, що електрони змогли приєднатися до атомних ядр і утворилися перші атоми. На той час наш Всесвіт був лише воднево-гелієвим. Інші хімічні елементи народитися не встигли. Вони виникли пізніше, через мільярди років, у процесі еволюції зірок. У первозданному речовині Всесвіту було близько 70 відсотків водню і 30 відсотків гелію, і приблизно одна десятитисячна частка цього гелію припадала на гелій-3.
Можливо, знайдено ще одну, крім реліктового випромінювання, свідка перших миттєвостей Всесвіту - гелій з характерним ізотопним ставленням. Недарма ж, перефразовуючи відомий вислів Архімеда, фізики стверджують: «Дайте нам водень і гелій, і ми збудуємо Всесвіт».

А. Ассовська, кандидат фізико-математичних наук