Руйнуючи віру в давню землю. Стабільність та хімічна активність

Гелій

ГЕЛІЙ-я; м.[від грец. hēlios – сонце]. Хімічний елемент (He), що не має запаху хімічно інертного газу, найлегший після водню.

◁ Гелієвий, -а, -е. Пані ядро.

(Лат. Helium), хімічний елемент VIII групи періодичної системи, відноситься до благородних газів; без кольору та запаху, щільність 0,178 г/л. Зріджується найважче відомих газів (при -268,93ºC); єдина речовина, яка не твердне при нормальному тиску, як би глибоко його не охолоджували. Рідкий гелій - квантова рідина, що має надплинність нижче 2,17 º К (-270,98 º C). У невеликій кількості гелій міститься в повітрі та земній корі, де він постійно утворюється при розпаді урану та інших α-радіоактивних елементів (α-частинки – це ядра атомів гелію). Значно більш поширений гелій у Всесвіті, наприклад, на Сонці, де він вперше був відкритий (звідси назва: від грец. hēlios - Сонце). Отримують гелій із природних газів. Застосовують у кріогенній техніці, для створення інертних середовищ, в аеронавтиці (для заповнення стратостатів, повітряних куль та ін.).

ГЕЛІЙ (лат. Helium), He (читається «гелій»), хімічний елемент з атомним номером 2, атомна маса 4,002602. Належить до групи інертних, або благородних, газів (група VIIIA періодичної системи), що знаходиться в 1-му періоді.
Природний гелій складається з двох стабільних нуклідів: 3 Не (0,00013% за обсягом) та 4 Не. Майже повне переважання гелію-4 пов'язане з утворенням ядер цього нукліду при радіоактивному розпаді урану, торію, радію та інших атомів, що відбувався протягом тривалої історії Землі.
Радіус нейтрального атома гелію 0,122 нм. Електронна конфігурація нейтрального незбудженого атома 1s 2 . Енергії послідовної іонізації нейтрального атома дорівнюють, відповідно, 24,587 і 54,416 еВ (у атома гелію найвища серед нейтральних атомів всіх елементів енергія відриву першого електрона).
Проста речовина гелій – легкий одноатомний газ без кольору, смаку, запаху.
Історія відкриття
Відкриття гелію почалося з 1868 року, коли при спостереженні сонячного затемнення астрономи француз П. Ж. Жансен (див.ЖАНСЕН П'єр Жуль Сезар)та англієць Д. Н. Лок'єр (див.ЛОК'ЄР Джозеф Норман)незалежно один від одного виявили у спектрі сонячної корони (див.СОНЯЧНА КОРОНА)жовту лінію (вона отримала назву D 3 -лінії), яку не можна було приписати жодному з відомих на той час елементів. У 1871 році Лок'єр пояснив її походження присутністю на Сонці нового елемента. У 1895 англієць У. Рамзай (див.РАМЗАЙ Вільям)виділив з природної радіоактивної руди клевеїта газ, у спектрі якого була та ж D 3-лінія. Новому елементу Лок'єр дав ім'я, що відбиває історію його відкриття (грецьк. Helios-сонце). Оскільки Лок'єр вважав, що виявлений елемент - метал, він використовував у латинській назві елемента закінчення «lim» (відповідає російському закінченню «ий»), яке зазвичай вживається у назві металів. Таким чином, гелій задовго до відкриття Землі отримав ім'я, яке закінченням відрізняє його від назв інших інертних газів.
Знаходження у природі
В атмосферному повітрі вміст гелію дуже малий і становить близько 5,27 10 -4 % за обсягом. У земній корі його 0,8 10 -6 %, у морській воді - 4 10 -10 %. Джерелом гелію служать нафти і природні геліоносні гази, в яких вміст гелію досягає 2-3%, а в окремих випадках і 8-10% за обсягом. Натомість у космосі гелій - другий за поширеністю елемент (після водню): його частку припадає 23% космічної маси.
Отримання
Технологія отримання гелію дуже складна: його виділяють із природних геліоносних газів, користуючись методом глибокого охолодження. Родовища таких газів є у Росії, США, Канаді та ПАР. Гелій міститься також у деяких мінералах (монациті, торіаніті та інших), при цьому з 1 кг мінералу при нагріванні можна виділити до 10 л гелію.
Фізичні властивості
Гелій - легкий негорючий газ, щільність газоподібного гелію за нормальних умов 0,178 кг/м 3 (менше лише у водню). Температура кипіння гелію (при нормальному тиску) близько 4,2 К (або -268,93 ° C, це найнижча температура кипіння).
При нормальному тиску рідкий гелій не вдається перетворити на тверду речовину навіть при температурах, близьких до абсолютного нуля (0К). При тиску близько 3,76 МПа температура плавлення гелію 2,0К. Найменший тиск, при якому спостерігається перехід рідкого гелію у твердий стан - 2,5 МПа (25 ат), температура плавлення гелію при цьому близько 1,1 К (-272,1 ° C).
У 100 мл води при 20 °C розчиняється 0,86 мл гелію, в органічних розчинниках його розчинність ще менше. Легкі молекули гелію добре проходять (дифундують) через різні матеріали (пластмаси, скло, деякі метали).
Для рідкого гелію-4, охолодженого нижче -270,97 ° C, спостерігається ряд незвичайних ефектів, що дає підставу розглядати цю рідину як особливу, так звану квантову рідину. Цю рідину зазвичай позначають як гелій-II на відміну від рідкого гелію-I - рідини, що існує при трохи вищих температурах. Графік зміни теплоємності рідкого гелію із зміною температури нагадує грецьку букву лямбда (l). Температура переходу гелію-I до гелію-II 2,186 К. Цю температуру часто називають l-точкою.
Рідкий гелій-II здатний швидко проникати через дрібні отвори та капіляри, не виявляючи при цьому в'язкості (так звана надплинність (див.Зверхтекучість)рідкого гелію-ІІ). Крім того, плівки гелію-II швидко переміщаються по поверхні твердих тіл, в результаті чого рідина швидко залишає ту посудину, в яку вона була поміщена. Цю властивість гелію-II називають надповзучістю. Надплинність гелію-II відкрита в 1938 р. радянським фізиком П. Л. Капіцей (див.КАПИЦЯ Петро Леонідович)(Нобелівська премія з фізики, 1978). Пояснення унікальним властивостям гелію-II дано іншим радянським фізиком Л. Д. Ландау (див.ЛАНДАУ Лев Давидович) 1941-1944 (Нобелівська премія з фізики, 1962).
Жодних хімічних сполук гелій не утворює. Щоправда, у розрідженому іонізованому гелії вдається виявити досить стійкі двоатомні іони Не2+.
Застосування
Гелій використовують для створення інертної та захисної атмосфери при зварюванні, різанні та плавці металів, при перекачуванні ракетного палива, для заповнення дирижаблів та аеростатів, як компонент середовища гелієвих лазерів. Рідкий гелій, найхолодніша рідина на Землі, - унікальний холодоагент в експериментальній фізиці, що дозволяє використовувати наднизькі температури в наукових дослідженнях (наприклад, при вивченні електричної надпровідності (див.СВЕРХПРОВІДНІСТЬ)). Завдяки тому, що гелій дуже погано розчинний у крові, його використовують як складову частину штучного повітря, яке подається для дихання водолазам. Заміна азоту на гелій запобігає кесонній хворобі (див.КЕСОННА ХВОРОБА)(при вдиханні звичайного повітря азот під підвищеним тиском розчиняється в крові, а потім виділяється з неї у вигляді бульбашок, що закупорюють дрібні судини).

Енциклопедичний словник. 2009 .

Дивитись що таке "Гелій" в інших словниках:

- (Лат. Helium) Не, хімічний елемент VIII групи періодичної системи, атомний номер 2, атомна маса 4,002602, відноситься до благородних газів; без кольору та запаху, щільність 0,178 г/л. Зріджується найважче відомих газів (при 268,93 .С);… … Великий Енциклопедичний словник

- (Греч., від helyos сонце). Елементарне тіло, відкрите в сонячному спектрі і наявне землі в деяких рідкісних мінералах; у нікчемній кількості входить до складу повітря. Словник іншомовних слів, що увійшли до складу російської мови. Чудінов А.Н. Словник іноземних слів російської мови

- (Символ Не), газоподібний неметалевий елемент, БЛАГОРОДНИЙ ГАЗ, відкритий 1868 р. Вперше отримали з мінералу клевита (різновиди ураніту) 1895 р. В даний час основним джерелом його є природний газ. Міститься також у… … Науково-технічний енциклопедичний словник

Я, чоловік. , Старий. Єлій, я.Отч.: Гелійович, Геліївна.Виробні: Геля (Гела); Еля.Походження: (Від грец. hēlios сонце.) Іменини: 27 липня Словник особистих імен. Гелій Див. Еллій. День ангела. Довідка … Словник особистих імен

ГЕЛІЙ- Хім. елемент, символ Не (лат. Helium), ат. н. 2, ат. м. 4,002, відноситься до інертних (шляхетних) газів; без кольору та запаху, щільність 0,178 кг/м3. У звичайних умовах Р. одноатомний газ, атом якого складається з ядра та двох електронів; утворюється … Велика політехнічна енциклопедія

- (Helium), He, хімічний елемент VIII групи періодичної системи, атомний номер 2, атомна маса 4,002602; відноситься до благородних газів; найнижче кипляча речовина (tкіп 268,93шC), єдина не твердне при нормальному тиску; Сучасна енциклопедія

Хім. елемент восьмий грн. періодичної системи, порядковий номер 2; інертний газ з ат. в. 4,003. Складається з двох стабільних ізотопів Не4 та Не3. Зміст. їх непостійно залежить від джерела освіти, але важкий ізотоп завжди переважає. У… … Геологічна енциклопедія

Гелій- (Helium), He, хімічний елемент VIII групи періодичної системи, атомний номер 2, атомна маса 4,002602; відноситься до благородних газів; найнижче кипляча речовина (tкіп 268,93°C), єдина не твердне при нормальному тиску; Ілюстрований енциклопедичний словник

Сонячний словник російських синонімів. гелій сущ., кіл у синонімів: 4 газ (55) ім'я (1104) … Словник синонімів

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

Надра та атмосфера нашої планети бідні гелієм. Але це не означає, що його мало усюди у Всесвіті. За сучасними підрахунками 76% космічної маси посідає і 23% на ; 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.

Ймовірно, всі планети сонячної системи містять радіогенний (що утворився при альфа-розпаді), а великі – і реліктовий із 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 й закидання на найближчий супутник цієї планети - Юпітер V - армади кібернетичних машин на кріотропах (про них -нижче). Занурившись в 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 з випромінюванням гамма-кванту. 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.

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 8Ве, 12С, 160, 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 А. Ф. Капустинський називав 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?

Ви читаєте, стаття гелій у всесвіті

Усім нам відомий гелій – дуже легкий газ, завдяки якому повітряні кулі та дирижаблі піднімаються у повітря. Гелій має дуже важливу перевагу щодо безпеки – він не горить і не вибухає подібно до водню. Цей газ також є невід'ємною частиною повітряних сумішей для використання в диханні глибоководними нирками - на відміну від азоту він майже не розчиняється в крові або ліпідах (жирові компоненти) навіть за умов дуже високого тиску.

Гелій допомагає обходитися без азотного наркозу, При якому нервова система (на 60% що складається з ліпідів) просочується азотом, в результаті чого нирці почуваються так, ніби вони випили одну порцію мартіні на глибині 30 метрів. Цей газ також допомагає уникнути появи декомпресійної хвороби або як ще називають кесонною хворобою. Це хворобливий і небезпечний стан, при якому в крові, нервовій системі, суглобах і під шкірою нирця утворюються азотні бульбашки, коли тиск падає занадто швидко в міру того, як нирець піднімається на поверхню. Суміш з гелію і кисню (звана геліокс) робить голос дуже писклявим - це відбувається завдяки тому, що через гелій звук проходить набагато швидше, ніж через повітря, і саме завдяки такій властивості гелію ця гра є улюбленим жартом під час свят, коли гелієм надуваються кульки .

Гелій є другим за легкістю хімічним елементом, який має багато дивовижними властивостями. Свою назву цей газ отримав завдяки тому, що вперше він був виявлений у світловому зображенні на сонці (грецькою мовою геліос) до того, як він був виявлений на Землі. Всі гази при достатньому охолодженні конденсуються в рідкий стан, а гелій серед усіх відомих речовин має найнижчу температуру конденсації (-269°C або -452°F). На відміну від інших хімічних елементів, гелій ніколи не замерзає, незалежно від того, наскільки сильно він охолоджений, крім умов дуже високого тиску. Крім того, рідка форма гелію, охолоджена до температури нижче -271 ° C (-456 ° F) утворює унікальну фазу, яка називається суперрідина - ця суперрідинатече просто ідеально, без будь-якого опору (в'язкості).

Вважається, що гелій на сонці утворився шляхом ядерного синтезу . Це процес, при якому ядра водню, найлегшого елемента, з'єднуються для утворення гелію і при цьому вивільняється величезна кількість енергії.

На Землі цей газ утворюється в основному в результаті радіоактивного альфа(a)-розпаду. Відомий новозеландський фізик Ернест Рутерфорд (1871–1937) вперше виявив, що альфа-частинки насправді є ядрами атомів гелію. Саме так утворюють гелій радіоактивні елементи, що містяться в гірській породі, як, наприклад, уран або торій, а з них він потрапляє у повітря.

Вчені можуть визначити, наскільки швидко утворюється гелій, як швидко він виходить з гірської породи і яка його кількість потрапляє у повітря, а також як багато гелію може втрачається з повітря в космос. Вони також можуть виміряти кількість гелію в гірській породі та в повітрі. На підставі цього вчені можуть підрахувати максимальний вік порід та повітря.Отримані результати спантеличують тих, хто вірить у мільярди років. Звичайно, всі подібні підрахунки ґрунтуються на пропозиціях щодо минулого, як, наприклад, припущення щодо початкових умов та постійних коефіцієнтів різних процесів. Вони ніколи не зможуть довестивік чогось. Для цього потрібен очевидець, який бачив усе на власні очі ( дивіться Йов 38:4 ).

Гелій в атмосфері

Повітря переважно складається з азоту (78.1%) і кисню (20.1%). Кількість гелію у ньому дуже мало (0.0005%). Але все одно це дуже багато гелію, а саме 3,71 мільярда тонн. Однак, оскільки щосекундиз кори землі в атмосферу потрапляє 67 грам гелію, то для накопичення існуючого сьогодні в атмосфері гелію знадобилося б близько двох мільйонів років навіть якщо на самому початку його зовсім не було.

Еволюціоністи вірять у те, що наша земля у 2500 разів старша, тобто їй 4.5 мільярда років. Звичайно ж, земля могла бути створена з більшою частиною гелію, що спостерігається, так що два мільйони років - це максимальний вік . (Цей вік міг би бути набагато меншим, як наприклад, 6000 років.)

З іншого боку, слід зазначити, що у минулому освіту гелію відбувалося швидше, ніж у теперішньому, оскільки розпадалися радіоактивні джерела. Це б ще більше зменшувало вікові рамки Землі.

Єдиний спосіб усунути цю проблему - припустити, що гелій просто витікає в космос. Але щоб це відбувалося, атоми гелію повинні переміщатися досить швидко для того, щоб уникати тяжіння Землі (тобто зі швидкістю вище швидкості втікання). Зіткнення між атомами уповільнюють їх рух, але над рівнем критичної висоти ( екзобаза), що становить приблизно 500 кілометрів над землею, зіткнення відбуваються дуже рідко. Атоми, які перетинають цю висоту, мають шанс на те, щоб втекти, якщо вони переміщаються досить швидко - щонайменше 10.75 кілометрів на секунду. Зверніть увагу, що хоча гелій у кульці буде пливти, у відкритому стані він просто рівномірно змішається з усіма іншими газами, що властиво всім нормальним газам.

Середню швидкість атомів можна підрахувати, якщо знати температуру, оскільки вона має пряме відношення до середньої енергії атомів чи молекул. Відомий фізик (і креаціоніст) Джеймс Клерк Максвелл підрахував, скільки атомів газу (або молекул) мали б задану швидкість за будь-якої температури і маси. Таким чином ми можемо обчислити, скільки атомів перетнуло б досить швидко екзобазу для того, щоб вибігти в космос.

Екзобаза дуже гаряча. Але навіть якщо допустити температуру 1500 K (1227°C або 2241°F), яка вища за середню температуру, найбільш поширена швидкість атомів гелію становить лише 2.5 кілометрів на секунду (5625 м/год), або менше ніж четверта частина швидкості витікання. Лише небагато атомів пересуваються швидше, ніж із середньою швидкістю, і все одно кількість гелію, який витікає в космічний простір і приблизно 1/40 кількості гелію, що входить у атмосферу. Інші механізми витікання також не здатні пояснити невелику кількість гелію в повітрі, яка дорівнює приблизно 1/2000 тієї кількості, яка мала б утримуватися в повітрі після передбачуваних мільярдів років.

Це невирішена проблема для атмосферного фізика, що вірить у довгі епохи історії землі, К.Г. Уокера, який сказав таке: «…що стосується рівня гелію в атмосфері, то тут ми стикаємось із проблемою». Інший спеціаліст, Д.У. Чемберлейн також сказав, що ця проблема щодо накопичення гелію «… не піде сама собою, і так і залишиться невирішеною».

Еволюційне суспільство відчайдушно намагається знайти інші пояснення цій недостатній кількості гелію, але жодне з них не підходить. Просте вирішення проблеми можна знайти, якщо прийняти те, що землі зовсім не так багато років, як вважають еволюціоністи! Креаціоніст, науковець Лері Вардіман, що вивчав атмосферу, глибше вивчав це питання та написав більш детальне дослідження цього питання.

Гелій у гірських породах

Як ми вже сказали, більшість гелію на землі утворюється внаслідок радіоактивного розпаду у гірських порід. Маленькі атоми гелієвого газу без проблем випливають із порід в атмосферу.

Ми також говорили вище, що швидкість попадання гелію в атмосферу встановлена. Але ми також можемо виміряти швидкість, за якої гелій випливає з порід. Цей процес відбувається швидше в більш гарячих породах, і що глибше опускатися в надра землі, то гарячішими стають породи.

Фізик-креаціоніст Роберт Джентрі займався дослідженням граніту, що глибоко залягає, як можливого шляху безпечного зберігання небезпечних радіоактивних відходів атомних електростанцій. Безпечне зберігання вимагає того, щоб елементи не проходили через породу надто швидко.

Граніт містить мінеральні кристали. цирконами(Силікат цирконію, ZrSiO 4), які часто містять радіоактивні елементи. Отже, вони мають утворювати гелій, який має витікати у повітря.

Але Джентрі виявив, що навіть гарячі циркони, що залягають глибоко (197°C або 387°F) містили занадто багато гелію- Тобто, якби мали мільярди років для витікання.

Однак, якщо насправді пройшло лише кілька тисяч років, за які цей гелій потрапляв в атмосферу, то немає нічого дивного в тому, що там залишилося так багато гелію.

[Новини за жовтень, 2002: дивіться дані про прискорений ядерний розпад у статті Ядерний розпад: свідчення молодості світу , написану креаціоністом, ядерним фізиком Доктором Расселом Хамфріс .]

Висновок

Кількість гелію в повітрі та в гірських породах зовсім не узгоджується з ідеєю про те, що нашій землі мільярди років, як стверджують еволюціоністи та прогресивні креаціоністи. Така кількість гелію скоріше є науковим доказом невеликого віку, про що ясно і зрозуміло йдеться у книзі Буття.

Гелія дуже мало Землі. Але це пов'язано зі специфічними властивостями цього елемента та з тими умовами, у яких формувалася та еволюціонувала Земля. Гелій, дуже летючий і інертний газ, залишив речовину Землі. Проте астрономи бачать його всюди, хоча він дуже важко спостерігаємо звичайними засобами спектрального аналізу.

Його виявляють у гарячих зірках, у великих газових туманностях, які оточують молоді гарячі зірки, у зовнішніх хмарах Сонця, у космічних променях – потоках часток великої енергії, що приходять до нас на Землю з космосу. Гелій опинився в найдальших від нас об'єктах Всесвіту – квазарах.

Дуже примітно, що де його не виявляли, майже завжди його за масою близько 30 відсотків, а сталеві 70 відсотків становить водень. Домішка інших хімічних елементів невелика. Частка їх змінюється від об'єкта до об'єкта, а частка гелію напрочуд постійна.

Згадаймо, що саме ці 30 відсотків гелію передбачаються у первинній речовині теорією гарячого Всесвіту. Якщо більша частина гелію була синтезована в перші хвилини розширення Всесвіту, а інші, більш важкі елементи синтезуються значно пізніше в зірках, то саме так і має бути - гелію скрізь близько 30 відсотків, а інших елементів по-різному, залежно від місцевих умов синтезу в зірках та подальшого викидання газу із зірок у космічний простір.

Під час ядерних реакцій у зірках гелій також синтезується. Але частка таким чином гелію, що утворився, мала в порівнянні з утвореним на початку розширення Всесвіту.

А чи не можна все ж таки припустити, що всі 30 відсотків гелію, що спостерігаються, утворилися теж у зірках?

Ні, це зовсім неможливо. Насамперед при утворенні гелію в зірках виділяється велика енергія, що змушує зірки інтенсивно світити. Якби така кількість гелію була в минулому утворена в зірках, випромінюване ними світло з високою температурою мало б спостерігатися у Всесвіті, чого насправді немає.

До цього можна додати, що спостереження найстаріших зірок, які наперед формувалися з первинної речовини, показують, що у них гелію теж 30 відсотків. Значить, практично весь гелій Всесвіту був синтезований на початку розширення світу.

Так хімічний аналіз речовини сьогоднішнього Всесвіту дає пряме підтвердження правильності нашого розуміння процесів, які протікали в перші секунди та хвилини після початку розширення всієї речовини.

Новіков І.Д.