हीलियम त्रिज्या। हीलियम: गुण, विशेषताएं, अनुप्रयोग

18 अगस्त, 1868 को, फ्रांसीसी वैज्ञानिक पियरे जेनसेन ने भारतीय शहर गुंटूर में पूर्ण सूर्य ग्रहण के दौरान पहली बार सौर क्रोमोस्फीयर की खोज की। हाइड्रोजन नीली, नीली-हरी और लाल रेखाओं के साथ सौर प्रमुखता की स्पेक्ट्रोस्कोपी ने एक बहुत ही चमकदार पीली रेखा का खुलासा किया, जिसे शुरू में जेन्सन और अन्य खगोलविदों ने लिया था, जिन्होंने इसे सोडियम डी लाइन के रूप में देखा था। उनसे स्वतंत्र रूप से, अंग्रेजी खगोलशास्त्री नॉर्मन लॉकयर ने स्पेक्ट्रम में 587.56 एनएम की तरंग दैर्ध्य के साथ एक अज्ञात पीली रेखा की खोज की, और इसे डी 3 के रूप में नामित किया। दो साल बाद, लॉकयर, अंग्रेजी रसायनज्ञ एडवर्ड फ्रैंकलैंड के साथ, इस निष्कर्ष पर पहुंचे कि यह चमकदार पीली रेखा पहले ज्ञात रासायनिक तत्वों में से किसी से संबंधित नहीं है और नए तत्व को "हीलियम" (ग्रीक से) नाम देने का प्रस्ताव रखा। . ह्लियोज़- "रवि")।

प्रकृति में होना, प्राप्त करना:

हाइड्रोजन के बाद ब्रह्मांड में हीलियम दूसरा सबसे प्रचुर मात्रा में है - द्रव्यमान से लगभग 23%। हालांकि, हीलियम पृथ्वी पर दुर्लभ है, जो भारी तत्वों के अल्फा क्षय के परिणामस्वरूप बनता है। आठवें समूह के ढांचे के भीतर, हीलियम पृथ्वी की पपड़ी (आर्गन के बाद) में सामग्री के मामले में दूसरे स्थान पर है। वायुमंडल, स्थलमंडल और जलमंडल में हीलियम के भंडार का अनुमान 5·10 14 मीटर 3 है। हीलियम-असर वाली प्राकृतिक गैसों में आमतौर पर मात्रा के हिसाब से 2% हीलियम (शायद ही कभी 8-16%) होता है। स्थलीय पदार्थ में हीलियम की औसत सामग्री 3 g/t है। हीलियम की उच्चतम सांद्रता यूरेनियम, थोरियम और समैरियम युक्त खनिजों में देखी जाती है: क्लेवेट, फर्ग्यूसोनाइट, समरस्काइट, गैडोलाइट, मोनाजाइट (भारत और ब्राजील में मोनाज़ाइट रेत), थोरियनाइट। इन खनिजों में हीलियम की मात्रा 0.8-3.5 लीटर/किलोग्राम है, जबकि थोरियनाइट में यह 10.5 लीटर/किलोग्राम तक पहुंच जाता है। प्राकृतिक हीलियम में दो स्थिर समस्थानिक होते हैं: 4 He और 3 He। हीलियम के छह और कृत्रिम रेडियोधर्मी समस्थानिक ज्ञात हैं।
उद्योग में, हीलियम युक्त प्राकृतिक गैसों से हीलियम का उत्पादन किया जाता है।

भौतिक गुण:

सरल पदार्थ हीलियम गैर-विषाक्त, रंगहीन, गंधहीन और स्वादहीन होता है। सामान्य परिस्थितियों में, यह एक एकपरमाणुक गैस है, Tboil = 4.2K (सभी साधारण पदार्थों में सबसे छोटी)। वायुमंडलीय दबाव पर, यह पूर्ण शून्य के बेहद करीब तापमान पर भी ठोस चरण में नहीं जाता है।
सामान्य परिस्थितियों में हीलियम लगभग एक आदर्श गैस की तरह व्यवहार करता है। घनत्व 0.17847 किग्रा / मी 3. हाइड्रोजन को छोड़कर अन्य गैसों की तुलना में इसकी तापीय चालकता (0.1437 W / (m K) n.c.) अधिक है। हीलियम का अपवर्तनांक किसी भी अन्य गैस की तुलना में एकता के अधिक निकट होता है। हीलियम किसी भी अन्य ज्ञात गैस की तुलना में पानी में कम घुलनशील है (20 डिग्री सेल्सियस पर लगभग 8.8 मिली/ली)। ठोस पदार्थों के माध्यम से इसकी प्रसार दर हवा की तुलना में तीन गुना और हाइड्रोजन की तुलना में लगभग 65% तेज है।
जब हीलियम से भरी ट्यूब में करंट प्रवाहित किया जाता है, तो विभिन्न रंगों का डिस्चार्ज देखा जाता है, जो मुख्य रूप से ट्यूब में गैस के दबाव पर निर्भर करता है।

रासायनिक गुण:

हीलियम आवर्त सारणी के आठवें समूह का सबसे कम रासायनिक रूप से सक्रिय तत्व है। गैस चरण में, यह तथाकथित एक्सीमर अणु (इलेक्ट्रिक डिस्चार्ज या पराबैंगनी विकिरण की कार्रवाई के तहत) बना सकता है, जिसमें उत्तेजित इलेक्ट्रॉनिक अवस्थाएं स्थिर होती हैं और जमीनी अवस्था अस्थिर होती है: डायटोमिक He 2 अणु, HeF फ्लोराइड, HeCl क्लोराइड। ऐसे कणों का जीवनकाल बहुत छोटा होता है, आमतौर पर कुछ नैनोसेकंड। कई अन्य गैसों के विपरीत, हीलियम क्लैथ्रेट्स नहीं बनाता है, क्योंकि छोटे हीलियम परमाणु पानी की संरचना में उनके लिए बहुत बड़ी आवाजों से "बच" जाते हैं।

आवेदन पत्र:

हीलियम के अद्वितीय गुणों का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है:
- धातु विज्ञान में शुद्ध धातुओं के गलाने के लिए एक सुरक्षात्मक अक्रिय गैस के रूप में;
- खाद्य उद्योग में एक खाद्य योज्य E939 के रूप में, एक प्रणोदक और पैकेजिंग गैस के रूप में पंजीकृत;
- अति-निम्न तापमान प्राप्त करने के लिए सर्द के रूप में;
- गुब्बारे (हवाई पोत), गुब्बारे और मौसम संबंधी जांच के गोले भरने के लिए;
- कुछ प्रकार के परमाणु रिएक्टरों में शीतलक के रूप में;
- गैस क्रोमैटोग्राफी में वाहक के रूप में;
- पाइपलाइनों और बॉयलरों में लीक की खोज करने के लिए;
- गैस डिस्चार्ज ट्यूब भरने के लिए;
- हीलियम-नियॉन लेजर में काम कर रहे तरल पदार्थ के एक घटक के रूप में;
- स्थिति-संवेदनशील न्यूट्रॉन डिटेक्टरों के लिए ध्रुवीकरण और भराव के रूप में न्यूट्रॉन बिखरने की तकनीक में;
- गहरे समुद्र में गोता लगाने के लिए श्वास मिश्रण में;
- सामान्य वायु मिश्रण और हीलियम, आदि के घनत्व में अंतर के कारण मुखर डोरियों (आवाज की बढ़ी हुई स्वर का प्रभाव) के समय को बदलने के लिए;
- न्यूक्लाइड 3 वह थर्मोन्यूक्लियर ऊर्जा के लिए एक आशाजनक ईंधन है।

हीलियम एक रासायनिक तत्व है जिसका प्रतीक हे और परमाणु संख्या 2 है। यह एक रंगहीन, गंधहीन, स्वादहीन, गैर-विषाक्त, निष्क्रिय, मोनोआटोमिक गैस है, जो आवर्त सारणी में महान गैसों के समूह में पहली है। इसका क्वथनांक सभी तत्वों में सबसे कम है। हाइड्रोजन के बाद, देखने योग्य ब्रह्मांड में हीलियम दूसरा सबसे हल्का और दूसरा सबसे प्रचुर तत्व है, जो तत्वों के कुल द्रव्यमान का लगभग 24% है, जो सभी भारी तत्वों के द्रव्यमान का 12 गुना से अधिक है। इसकी प्रचुरता हीलियम के बाद अगले तीन तत्वों के सापेक्ष हीलियम -4 की उच्च परमाणु बाध्यकारी ऊर्जा (प्रति न्यूक्लियॉन) के कारण है। यह हीलियम -4 बाध्यकारी ऊर्जा यह भी बताती है कि हीलियम परमाणु संलयन और रेडियोधर्मी क्षय दोनों का उत्पाद क्यों है। ब्रह्मांड में अधिकांश हीलियम हीलियम -4 के रूप में है, और माना जाता है कि यह बिग बैंग के दौरान बना था। तारों में हाइड्रोजन के परमाणु संलयन से बड़ी मात्रा में नए हीलियम का निर्माण होता है। हीलियम का नाम ग्रीक सूर्य देवता हेलिओस के नाम पर रखा गया है। हीलियम को पहली बार 1868 में एक सूर्य ग्रहण के दौरान सूर्य के प्रकाश में एक अज्ञात पीले वर्णक्रमीय रेखा हस्ताक्षर के रूप में जॉर्जेस रेएट, कैप्टन सी.टी. द्वारा खोजा गया था। हैग, नॉर्मन आर. पोगसन, और लेफ्टिनेंट जॉन हर्शल।

इस अवलोकन की बाद में फ्रांसीसी खगोलशास्त्री जूल्स जेन्सेन ने पुष्टि की थी। जेनसेन को अक्सर नॉर्मन लॉकयर के साथ इस तत्व की खोज करने का श्रेय दिया जाता है। जैनसेन ने 1868 के सूर्य ग्रहण के दौरान हीलियम की वर्णक्रमीय रेखा को रिकॉर्ड किया, जबकि लॉकर ने ब्रिटेन से इस घटना को देखा। लॉकयर ने सबसे पहले सुझाव दिया था कि यह रेखा एक नए तत्व से जुड़ी थी, जिसे उन्होंने हीलियम नाम दिया था। तत्व की औपचारिक खोज 1895 में दो स्वीडिश रसायनज्ञों, पेर थियोडोर क्लेव और निल्स अब्राहम लैंगलेट द्वारा की गई थी, जिन्होंने यूरेनियम अयस्क क्लीवेट से आने वाले हीलियम की खोज की थी। 1903 में, संयुक्त राज्य के कुछ हिस्सों में प्राकृतिक गैस क्षेत्रों में हीलियम के बड़े भंडार की खोज की गई थी। आज तक, संयुक्त राज्य अमेरिका गैस का सबसे बड़ा आपूर्तिकर्ता है। तरल हीलियम का उपयोग क्रायोजेनिक्स (इसका सबसे बड़ा एकल उपयोग, लगभग एक चौथाई उत्पादन को अवशोषित करने) में किया जाता है, विशेष रूप से सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट के शीतलन में, मुख्य वाणिज्यिक अनुप्रयोग एमआरआई स्कैनर में होता है। हीलियम के लिए अन्य औद्योगिक उपयोग एक दबाव और शुद्ध गैस के रूप में हैं, चाप वेल्डिंग के लिए एक परिरक्षण वातावरण के रूप में, और सिलिकॉन वेफर्स बनाने के लिए बढ़ते क्रिस्टल जैसी प्रक्रियाओं में। हीलियम का एक प्रसिद्ध लेकिन मामूली उपयोग गुब्बारे और हवाई जहाजों के लिए एक उठाने वाली गैस के रूप में है। किसी भी गैस की तरह जिसका घनत्व हवा से अलग होता है, हीलियम की थोड़ी मात्रा में सांस लेने से अस्थायी रूप से मानव आवाज की समय और गुणवत्ता बदल जाती है। वैज्ञानिक अनुसंधान में, हीलियम -4 (हीलियम I और हीलियम II) के दो तरल चरणों का व्यवहार क्वांटम यांत्रिकी (विशेष रूप से, सुपरफ्लुइडिटी की संपत्ति) का अध्ययन करने वाले शोधकर्ताओं के लिए और पदार्थ में अतिचालकता जैसी घटनाओं का अध्ययन करने वाले वैज्ञानिकों के लिए महत्वपूर्ण है। शून्य। पृथ्वी पर, हीलियम अपेक्षाकृत दुर्लभ है - 5.2 पीपीएम। वातावरण में मात्रा से। आज, पृथ्वी पर अधिकांश हीलियम भारी रेडियोधर्मी तत्वों (थोरियम और यूरेनियम, हालांकि अन्य उदाहरण हैं) के प्राकृतिक रेडियोधर्मी क्षय द्वारा बनाया गया है, क्योंकि इस तरह के क्षय से उत्सर्जित अल्फा कण हीलियम -4 नाभिक से बने होते हैं। यह रेडियोजेनिक हीलियम प्राकृतिक गैस में मात्रा के हिसाब से 7% तक की सांद्रता पर कब्जा कर लिया जाता है, जिससे इसे कम तापमान वाले पृथक्करण द्वारा व्यावसायिक रूप से पुनर्प्राप्त किया जाता है जिसे आंशिक आसवन कहा जाता है। पहले, स्थलीय हीलियम एक गैर-नवीकरणीय संसाधन था, क्योंकि एक बार वातावरण में छोड़े जाने के बाद, यह आसानी से अंतरिक्ष में यात्रा कर सकता था, और तत्व को तेजी से दुर्लभ माना जाता था। हालांकि, हाल के अध्ययनों से पता चलता है कि रेडियोधर्मी क्षय से पृथ्वी पर उत्पादित हीलियम प्राकृतिक गैस के भंडार में अपेक्षा से अधिक मात्रा में एकत्र किया जा सकता है, कुछ मामलों में ज्वालामुखी गतिविधि द्वारा जारी किया जाता है।

कहानी

वैज्ञानिक खोज

हीलियम के अस्तित्व का पहला प्रमाण 18 अगस्त, 1868 को मिला था। सूर्य के क्रोमोस्फीयर के स्पेक्ट्रम में 587.49 नैनोमीटर की तरंग दैर्ध्य वाली एक चमकदार पीली रेखा देखी गई। इस रेखा की खोज फ्रांसीसी खगोलशास्त्री जूल्स जानसेन ने भारत के गुंटूर में पूर्ण सूर्य ग्रहण के दौरान की थी। इस रेखा को मूल रूप से सोडियम माना जाता था। उसी वर्ष 20 अक्टूबर को, अंग्रेजी खगोलशास्त्री नॉर्मन लॉकयर ने सूर्य के स्पेक्ट्रम में एक पीली रेखा देखी, जिसे उन्होंने डी3 फ्रौनहोफर लाइन कहा क्योंकि यह ज्ञात सोडियम डी1 और डी2 लाइनों के करीब थी। वैज्ञानिक इस निष्कर्ष पर पहुंचे कि यह रेखा सूर्य के एक तत्व के कारण है, जो पृथ्वी पर अज्ञात है। लॉकयर और अंग्रेजी रसायनज्ञ एडवर्ड फ्रैंकलैंड ने सूर्य के लिए ग्रीक शब्द द्वारा तत्व का नाम दिया, (हेलिओस)। 1881 में, इतालवी भौतिक विज्ञानी लुइगी पामेरी ने पहली बार अपनी डी 3 वर्णक्रमीय रेखा के माध्यम से पृथ्वी पर हीलियम का पता लगाया, जबकि उस सामग्री का विश्लेषण किया जो माउंट वेसुवियस के विस्फोट के दौरान उच्चीकृत हुई थी। 26 मार्च, 1895 को, स्कॉटिश रसायनज्ञ सर विलियम रामसे ने खनिज एसिड के साथ खनिज क्लीवेइट (कम से कम 10% दुर्लभ पृथ्वी तत्वों के साथ यूरेननाइट्स की एक श्रृंखला) का इलाज करके पृथ्वी पर हीलियम को अलग कर दिया। रैमसे आर्गन की तलाश कर रहा था, लेकिन सल्फ्यूरिक एसिड द्वारा छोड़ी गई गैस से नाइट्रोजन और ऑक्सीजन को अलग करने के बाद, उसने एक चमकदार पीली रेखा देखी जो सूर्य के स्पेक्ट्रम में दिखाई देने वाली D3 रेखा से मेल खाती थी। इन नमूनों की पहचान लॉकयर और ब्रिटिश भौतिक विज्ञानी विलियम क्रुक्स द्वारा हीलियम के रूप में की गई थी। स्वीडन के उप्साला में रसायनज्ञ प्रति थियोडोर क्लेव और अब्राहम लैंगलेट द्वारा उसी वर्ष हीलियम को क्लेवेट से स्वतंत्र रूप से अलग किया गया था, जिन्होंने इसके परमाणु भार को सटीक रूप से निर्धारित करने के लिए पर्याप्त गैस एकत्र की थी। रैमसे की खोज से पहले हीलियम को अमेरिकी भू-रसायनज्ञ विलियम फ्रांसिस हिलेब्रांड द्वारा भी अलग किया गया था, जब उन्होंने खनिज यूरेनाइट के नमूने का परीक्षण करते समय असामान्य वर्णक्रमीय रेखाएं देखीं। हालाँकि, हिलेब्रांड ने इन पंक्तियों को नाइट्रोजन के लिए जिम्मेदार ठहराया। 1907 में, अर्नेस्ट रदरफोर्ड और थॉमस रॉयड्स ने प्रदर्शित किया कि अल्फा कण हीलियम नाभिक थे, जो कणों को एक खाली ट्यूब की पतली कांच की दीवार में घुसने की अनुमति देते थे और फिर ट्यूब में एक नई गैस के स्पेक्ट्रा का अध्ययन करने के लिए एक निर्वहन बनाते थे। 1908 में, हीलियम को पहली बार डच भौतिक विज्ञानी हेइक कामरलिंग ओन्स द्वारा एक केल्विन से कम गैस को ठंडा करके द्रवीभूत किया गया था। उन्होंने तापमान को और कम करके गैस को ठोस बनाने की कोशिश की, लेकिन असफल रहे क्योंकि हीलियम वायुमंडलीय दबाव में जमता नहीं है। ओन्स के छात्र, विलेम हेंड्रिक केसोम, अंततः 1926 में अतिरिक्त बाहरी दबाव जोड़कर 1 सेमी3 हीलियम को जमने में सक्षम थे। 1938 में, रूसी भौतिक विज्ञानी प्योत्र लियोनिदोविच कपित्सा ने पाया कि हीलियम -4 में पूर्ण शून्य के करीब तापमान पर वस्तुतः कोई चिपचिपाहट नहीं होती है, एक घटना जिसे अब सुपरफ्लुइडिटी कहा जाता है। यह घटना बोस-आइंस्टीन संघनन से जुड़ी है। 1972 में, अमेरिकी भौतिकविदों डगलस डी। ओशेरॉफ, डेविड एम। ली और रॉबर्ट सी। रिचर्डसन द्वारा हीलियम -3 के लिए एक ही घटना देखी गई थी, लेकिन तापमान निरपेक्ष शून्य के बहुत करीब था। माना जाता है कि हीलियम -3 में घटना को हीलियम -3 फ़र्मियन की जोड़ी के कारण बोसोन बनाने के लिए माना जाता है, जो कूपर जोड़े इलेक्ट्रॉनों के समान है जो अतिचालकता उत्पन्न करते हैं।

निष्कर्षण और उपयोग

1903 में डेक्सटर, कैनसस में एक तेल ड्रिलिंग ऑपरेशन के बाद, एक गैस गीजर का उत्पादन किया गया था जो जलता नहीं था, और कैनसस राज्य भूविज्ञानी, इरास्मस हॉवर्थ ने बच निकलने वाली गैस के नमूने एकत्र किए और उन्हें लॉरेंस के कैनसस विश्वविद्यालय में ले गए, जहां, रसायनज्ञ हैमिल्टन क्यूडी और डेविड मैकफारलैंड की मदद से, उन्होंने पाया कि गैस में 72% नाइट्रोजन, 15% मीथेन (केवल पर्याप्त ऑक्सीजन के साथ एक दहनशील प्रतिशत), 1% हाइड्रोजन और 12% एक अज्ञात गैस शामिल है। आगे के विश्लेषण पर, कैडी और मैकफारलैंड ने पाया कि गैस के नमूने का 1.84% हीलियम था। इससे पता चला कि, पृथ्वी पर इसकी सामान्य दुर्लभता के बावजूद, हीलियम अमेरिकी ग्रेट प्लेन्स के नीचे बड़ी मात्रा में केंद्रित था, जो प्राकृतिक गैस के उप-उत्पाद के रूप में निष्कर्षण के लिए उपलब्ध था। इसने संयुक्त राज्य अमेरिका को हीलियम का दुनिया का प्रमुख आपूर्तिकर्ता बनने की अनुमति दी। सर रिचर्ड थ्रेलफॉल के एक सुझाव के बाद, संयुक्त राज्य अमेरिका की नौसेना ने प्रथम विश्व युद्ध के दौरान तीन छोटे प्रयोगात्मक हीलियम संयंत्रों को प्रायोजित किया। लक्ष्य हवा की तुलना में गैर-ज्वलनशील गैस लाइटर के साथ बूम गुब्बारों की आपूर्ति करना था। इस कार्यक्रम के दौरान, 92% हीलियम के 5,700 घन मीटर (200,000 घन फीट) का उत्पादन किया गया था, हालांकि पहले इस गैस का एक घन मीटर से भी कम उत्पादन किया गया था। इस गैस में से कुछ का उपयोग दुनिया के पहले हीलियम हवाई पोत, एक अमेरिकी नौसेना C-7 में किया गया था, जिसने निर्माण से लगभग दो साल पहले 1 दिसंबर, 1921 को वाशिंगटन, डीसी में हैम्पटन रोड्स, वर्जीनिया से बोलिंग फील्ड के लिए अपनी पहली उड़ान भरी थी। सितंबर 1923 में शेनान्डाह कारखाने में हीलियम से भरी कठोर हवाई पोत। यद्यपि उस समय कम तापमान वाले गैस द्रवीकरण का उपयोग करके निष्कर्षण प्रक्रिया विकसित नहीं हुई थी, प्रथम विश्व युद्ध के दौरान, उत्पादन जारी रहा। हीलियम का उपयोग मुख्य रूप से हवा की तुलना में हल्के विमान में उठाने वाली गैस के रूप में किया जाता था। द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान, उठाने वाली गैस के रूप में हीलियम और परिरक्षित चाप वेल्डिंग की मांग में वृद्धि हुई। मैनहट्टन प्रोजेक्ट (द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान संयुक्त राज्य में पहला परमाणु बम बनाने के लिए काम के लिए कोड नाम) में हीलियम मास स्पेक्ट्रोमीटर का भी बहुत महत्व था। संयुक्त राज्य सरकार ने युद्ध के समय में सैन्य हवाई जहाजों और शांति के समय में वाणिज्यिक हवाई जहाजों की आपूर्ति के उद्देश्य से 1925 में अमरिलो, टेक्सास में राष्ट्रीय हीलियम रिजर्व की स्थापना की। हीलियम कंट्रोल एक्ट (1927) के कारण, जिसने दुर्लभ हीलियम के निर्यात पर प्रतिबंध लगा दिया, जो उस समय एक अमेरिकी एकाधिकार था, गैस की निषेधात्मक लागत के साथ, हिंडनबर्ग, सभी जर्मन ज़ेपेलिंस की तरह, हाइड्रोजन को उठाने वाली गैस के रूप में उपयोग करने के लिए मजबूर किया गया था। . द्वितीय विश्व युद्ध के बाद हीलियम बाजार को दबा दिया गया था, लेकिन स्पेस रेस और शीत युद्ध के दौरान ऑक्सीहाइड्रोजन रॉकेट ईंधन (अन्य उपयोगों के बीच) के लिए तरल हीलियम की आपूर्ति के लिए 1950 के दशक में स्टॉक का विस्तार किया गया था। 1965 में संयुक्त राज्य अमेरिका में हीलियम का उपयोग युद्ध के समय की अधिकतम खपत के आठ गुना से अधिक था। "1960 के हीलियम अधिनियम संशोधन" (सार्वजनिक कानून 86-777) के बाद से, संयुक्त राज्य ब्यूरो ने प्राकृतिक गैस से हीलियम की वसूली के लिए पांच निजी संयंत्र स्थापित किए हैं। इस हीलियम संरक्षण कार्यक्रम के लिए, ब्यूरो ने इन संयंत्रों को अमरिलो, टेक्सास के पास सरकार के आंशिक रूप से समाप्त क्लिफसाइड गैस क्षेत्र से जोड़ने के लिए बुशटन, कान्सास से एक 425-मील (684-किलोमीटर) पाइपलाइन का निर्माण किया। इस हीलियम-नाइट्रोजन मिश्रण को अंतःक्षेपित करके क्लिफसाइड गैस क्षेत्र में जरूरत पड़ने तक भंडारित किया गया, इस दौरान इसे और परिष्कृत किया गया। 1995 तक, एक बिलियन क्यूबिक मीटर गैस एकत्र कर ली गई थी और रिजर्व 1.4 बिलियन डॉलर का कर्ज था, जिसने 1996 में यूनाइटेड स्टेट्स कांग्रेस को रिजर्व को समाप्त करने के लिए प्रेरित किया। "हीलियम निजीकरण अधिनियम 1996" (सार्वजनिक कानून 104-273) संयुक्त राज्य अमेरिका के आंतरिक विभाग को रिजर्व जारी करने और 2005 से बिक्री शुरू करने के लिए मजबूर करता है। 1930 और 1945 के बीच उत्पादित हीलियम लगभग 98.3% शुद्ध (2% नाइट्रोजन) था, जो हवाई जहाजों के लिए पर्याप्त था। 1945 में, वेल्डिंग के लिए 99.9% हीलियम की एक छोटी मात्रा प्राप्त की गई थी। 1949 तक, 99.95% वाणिज्यिक ग्रेड ए हीलियम उपलब्ध था। वर्षों से, संयुक्त राज्य अमेरिका ने दुनिया के व्यावसायिक रूप से उपयोग किए जाने वाले हीलियम का 90% से अधिक उत्पादन किया, कनाडा, पोलैंड, रूस और अन्य देशों में खनन सुविधाओं के साथ बाकी का उत्पादन किया। 1990 के दशक के मध्य में, अर्गेव, अल्जीयर्स में एक नए संयंत्र ने काम करना शुरू किया, जिसमें 17 मिलियन क्यूबिक मीटर (600 मिलियन क्यूबिक फीट हीलियम) का उत्पादन हुआ, जिसमें यूरोप की सभी जरूरतों को पूरा करने के लिए पर्याप्त उत्पादन था। इस बीच, 2000 तक, यूएस हीलियम की खपत बढ़कर प्रति वर्ष 15 मिलियन किलोग्राम से अधिक हो गई थी। 2004-2006 में, रास लाफ़ान, कतर और स्किकाडा, अल्जीरिया में अतिरिक्त संयंत्र बनाए गए थे। अल्जीरिया जल्दी हीलियम का दूसरा प्रमुख उत्पादक बन गया। इस समय के दौरान, हीलियम की खपत और हीलियम उत्पादन लागत दोनों में वृद्धि हुई। 2002 से 2007 तक हीलियम की कीमतें दोगुनी हो गई हैं। 2012 तक, संयुक्त राज्य अमेरिका के राष्ट्रीय हीलियम रिजर्व में दुनिया के हीलियम भंडार का 30 प्रतिशत हिस्सा था। 2018 में रिजर्व खत्म होने की उम्मीद है। भले ही, संयुक्त राज्य सीनेट में एक प्रस्तावित बिल रिजर्व को गैस की बिक्री जारी रखने की अनुमति देगा। हीलियम के अन्य बड़े भंडार कंसास, संयुक्त राज्य अमेरिका के ह्यूगोटन राज्य और कैनसस में पास के गैस क्षेत्रों के साथ-साथ टेक्सास और ओक्लाहोमा के उच्च क्षेत्रों में थे। 2012 में कतर में, रूस में और अमेरिका में व्योमिंग में नए हीलियम संयंत्र खुलने वाले थे, लेकिन उनसे कमी कम होने की उम्मीद नहीं थी। 2013 में, कतर में दुनिया के सबसे बड़े हीलियम संयंत्र का निर्माण शुरू हुआ। वर्षों की कमी के बाद, 2014 को हीलियम व्यवसाय में अधिक आपूर्ति के वर्ष के रूप में व्यापक रूप से मान्यता दी गई थी।

विशेषताएँ

हीलियम परमाणु

क्वांटम यांत्रिकी में हीलियम

क्वांटम यांत्रिकी के दृष्टिकोण से, हाइड्रोजन परमाणु के बाद मॉडल के लिए हीलियम दूसरा सबसे सरल परमाणु है। हीलियम में दो प्रोटॉन और (आमतौर पर) दो न्यूट्रॉन युक्त एक नाभिक के चारों ओर परमाणु कक्षाओं में दो इलेक्ट्रॉन होते हैं। न्यूटोनियन यांत्रिकी की तरह, दो से अधिक कणों की कोई भी प्रणाली एक सटीक विश्लेषणात्मक गणितीय दृष्टिकोण के साथ हल नहीं की जा सकती है, और हीलियम कोई अपवाद नहीं है। इस प्रकार, एक नाभिक और दो इलेक्ट्रॉनों से युक्त प्रणाली को हल करने के लिए भी संख्यात्मक गणितीय विधियों की आवश्यकता होती है। इस तरह के कम्प्यूटेशनल रसायन विज्ञान के तरीकों का उपयोग हीलियम इलेक्ट्रॉन बंधन की क्वांटम यांत्रिक तस्वीर उत्पन्न करने के लिए किया गया है जो कई कम्प्यूटेशनल चरणों में 2% से कम सटीक है। इस तरह के मॉडल दिखाते हैं कि हीलियम में प्रत्येक इलेक्ट्रॉन आंशिक रूप से एक नाभिक को दूसरे से ढाल देता है, जिससे कि प्रभावी परमाणु चार्ज Z जो प्रत्येक इलेक्ट्रॉन देखता है, लगभग 1.69 यूनिट है, न कि शास्त्रीय "नंगे" हीलियम नाभिक के 2 चार्ज।

हीलियम -4 नाभिक और इलेक्ट्रॉन खोल की सापेक्ष स्थिरता

हीलियम-4 परमाणु का केंद्रक अल्फा कण के समान होता है। उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉन प्रकीर्णन प्रयोगों से पता चलता है कि इसका चार्ज केंद्रीय बिंदु पर अधिकतम से तेजी से घटता है, ठीक उसी तरह जैसे हीलियम के अपने इलेक्ट्रॉन बादल का चार्ज घनत्व। यह समरूपता एक समान अंतर्निहित भौतिकी को दर्शाती है: हीलियम नाभिक में न्यूट्रॉन की एक जोड़ी और प्रोटॉन की एक जोड़ी हीलियम इलेक्ट्रॉनों की एक जोड़ी के रूप में एक ही क्वांटम यांत्रिक नियमों का पालन करती है (हालांकि परमाणु कण एक अलग परमाणु बाध्यकारी क्षमता के अधीन हैं), ताकि ये सभी फर्मियन जोड़े में 1s ऑर्बिटल्स पर पूरी तरह से कब्जा कर लेते हैं, और उनमें से किसी का भी ऑर्बिटल मोमेंटम नहीं होता है, और उनमें से प्रत्येक दूसरे के अपने स्पिन को रद्द कर देता है। इनमें से किसी भी अन्य कण को ​​जोड़ने के लिए कोणीय गति की आवश्यकता होगी और काफी कम ऊर्जा जारी होगी (वास्तव में, कोई भी पांच-नाभिक स्थिर नहीं है)। इस प्रकार, यह योजना इन सभी कणों के लिए ऊर्जावान रूप से अत्यंत स्थिर है, और यह स्थिरता प्रकृति में हीलियम के बारे में कई महत्वपूर्ण तथ्य बताती है। उदाहरण के लिए, हीलियम में इलेक्ट्रॉन बादल अवस्था की स्थिरता और कम ऊर्जा तत्व की रासायनिक जड़ता की व्याख्या करती है, साथ ही साथ हीलियम परमाणुओं की एक दूसरे के साथ बातचीत की कमी, सभी तत्वों के सबसे कम गलनांक और क्वथनांक का निर्माण करती है। इसी तरह, समान प्रभावों द्वारा निर्मित हीलियम -4 कोर की विशेष ऊर्जा स्थिरता, परमाणु प्रतिक्रियाओं में हीलियम -4 के उत्पादन में आसानी की व्याख्या करती है, जिसमें या तो भारी धातुओं की रिहाई या उनका संलयन शामिल होता है। कुछ स्थिर हीलियम -3 (2 प्रोटॉन और 1 न्यूट्रॉन) हाइड्रोजन संलयन प्रतिक्रियाओं में उत्पन्न होते हैं, लेकिन हीलियम -4 की अत्यधिक संवेदनशील ऊर्जा की तुलना में यह मात्रा बहुत कम है। हीलियम -4 नाभिक की असामान्य स्थिरता भी ब्रह्माण्ड संबंधी महत्वपूर्ण है: यह इस तथ्य की व्याख्या करता है कि बिग बैंग के बाद पहले कुछ मिनटों में, "मुक्त प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की गड़बड़ी" के निर्माण के दौरान, जो मूल रूप से एक अनुपात में बनाए गए थे। लगभग 6:1 का, इस हद तक ठंडा किया गया कि परमाणु बंधन संभव हो गया, लगभग सभी पहले यौगिक परमाणु नाभिक हीलियम -4 नाभिक थे। हीलियम -4 बंधन इतना कड़ा था कि हीलियम -4 उत्पादन ने बीटा क्षय होने से पहले कुछ ही मिनटों में लगभग सभी मुक्त न्यूट्रॉन का उपभोग कर लिया, और लिथियम, बेरिलियम या बोरॉन जैसे भारी परमाणुओं को बनाने के लिए थोड़ी मात्रा में छोड़ दिया। हीलियम -4 प्रति न्यूक्लियॉन का परमाणु बंधन इनमें से किसी भी तत्व की तुलना में अधिक मजबूत होता है, और इस प्रकार, जब हीलियम का निर्माण हुआ, तो तत्व 3, 4 और 5 बनाने के लिए कोई ऊर्जावान ड्राइव नहीं थी। हीलियम के लिए प्रति न्यूक्लियॉन, कार्बन कम ऊर्जा के साथ अगले तत्व में फ्यूज करना ऊर्जावान रूप से फायदेमंद नहीं था। हालांकि, मध्यवर्ती तत्वों की कमी के कारण, इस प्रक्रिया में तीन हीलियम नाभिक एक दूसरे को लगभग एक साथ टकराने की आवश्यकता होती है। इस प्रकार, बिग बैंग के बाद कुछ मिनटों के भीतर कार्बन की एक महत्वपूर्ण मात्रा के बनने का समय नहीं था, इससे पहले कि प्रारंभिक विस्तार ब्रह्मांड एक तापमान और दबाव में ठंडा हो गया, जिस पर हीलियम-कार्बन संलयन असंभव होता। इस वजह से, प्रारंभिक ब्रह्मांड में आज के समान हाइड्रोजन/हीलियम अनुपात था (द्रव्यमान के अनुसार 3 भाग हाइड्रोजन से 1 भाग हीलियम-4), ब्रह्मांड में लगभग सभी न्यूट्रॉन हीलियम -4 द्वारा कब्जा कर लिया गया था। सभी भारी तत्व (पृथ्वी और कार्बन या अन्य जीवन रूपों जैसे चट्टानी ग्रहों के लिए आवश्यक सहित) इस प्रकार सितारों में बिग बैंग के बाद बनाए गए थे जो हीलियम को फ्यूज करने के लिए पर्याप्त गर्म थे। हाइड्रोजन और हीलियम को छोड़कर सभी तत्व आज ब्रह्मांड में परमाणु पदार्थ के द्रव्यमान का केवल 2% ही बनाते हैं। इसके विपरीत हीलियम -4, ब्रह्मांड में सामान्य पदार्थ का लगभग 23% बनाता है - लगभग सभी सामान्य पदार्थ जो हाइड्रोजन नहीं है।

गैस और प्लाज्मा चरण

हीलियम नियॉन के बाद दूसरी सबसे कम प्रतिक्रियाशील नोबल गैस है और इसलिए सभी तत्वों में दूसरी सबसे कम प्रतिक्रियाशील है। यह सभी मानक परिस्थितियों में निष्क्रिय और एकपरमाणुक है। हीलियम के अपेक्षाकृत कम दाढ़ (परमाणु) द्रव्यमान के कारण, इसकी तापीय चालकता, विशिष्ट ऊष्मा क्षमता और गैस चरण में ध्वनि की गति हाइड्रोजन के अलावा किसी भी अन्य गैस की तुलना में अधिक होती है। इन कारणों से, और मोनोआटोमिक हीलियम अणुओं के छोटे आकार के कारण, हीलियम ठोस कणों के माध्यम से हवा की गति से तीन गुना और हाइड्रोजन के लगभग 65% से फैलता है। हीलियम सबसे कम पानी में घुलनशील मोनोआटोमिक गैस है और कम पानी में घुलनशील गैसों में से एक है (CF4, SF6 और C4F8 में कम मोल अंश घुलनशीलता है: 0.3802, 0.4394 और 0.2372 x2/10-5 क्रमशः हीलियम के लिए 0.70797 x2/10- 5 के मुकाबले। ), इसके अलावा, हीलियम का अपवर्तनांक किसी अन्य गैस के अपवर्तनांक की तुलना में एकता के अधिक निकट होता है। हीलियम में सामान्य परिवेश के तापमान पर एक नकारात्मक जूल-थॉमसन गुणांक होता है, जिसका अर्थ है कि जब इसे स्वतंत्र रूप से विस्तार करने की अनुमति दी जाती है तो यह गर्म हो जाता है। अपने जूल-थॉमसन उलटा तापमान (1 वायुमंडल में लगभग 32 से 50 K) के ठीक नीचे, हीलियम ठंडा हो जाता है क्योंकि यह स्वतंत्र रूप से फैलता है। इस तापमान से नीचे सुपरकूलिंग के बाद, हीलियम को प्रशीतन द्वारा द्रवीभूत किया जा सकता है। अधिकांश अलौकिक हीलियम एक प्लाज्मा अवस्था में होता है और इसके गुण परमाणु हीलियम से काफी भिन्न होते हैं। एक प्लाज्मा में, हीलियम के इलेक्ट्रॉन इसके नाभिक से बंधे नहीं होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप बहुत अधिक विद्युत चालकता होती है, भले ही गैस केवल आंशिक रूप से आयनित हो। आवेशित कण चुंबकीय और विद्युत क्षेत्रों से अत्यधिक प्रभावित होते हैं। उदाहरण के लिए, सौर हवा में, आयनित हाइड्रोजन के साथ, कण पृथ्वी के मैग्नेटोस्फीयर के साथ बातचीत करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप बर्कलैंड धाराएं और अरोरा होते हैं।

तरल हीलियम

किसी भी अन्य तत्व के विपरीत, हीलियम सामान्य दबावों पर पूर्ण शून्य तक तरल रहेगा। यह क्वांटम यांत्रिकी का प्रत्यक्ष प्रभाव है: विशेष रूप से, सिस्टम की शून्य-बिंदु ऊर्जा ठंड की अनुमति देने के लिए बहुत अधिक है। ठोस हीलियम को लगभग 25 बार (2.5 एमपीए) के दबाव में 1-1.5 के (लगभग -272 डिग्री सेल्सियस या -457 डिग्री फारेनहाइट) के तापमान की आवश्यकता होती है। तरल हीलियम से ठोस हीलियम को बताना अक्सर मुश्किल होता है क्योंकि दो चरणों का अपवर्तनांक लगभग समान होता है। ठोस का एक अलग गलनांक होता है और इसकी क्रिस्टलीय संरचना होती है, लेकिन यह अत्यधिक संकुचित होता है; प्रयोगशाला में दबाव डालने से इसका आयतन 30% से अधिक कम हो सकता है। लगभग 27 एमपीए के आयतन मापांक के साथ, हीलियम पानी की तुलना में 100 गुना अधिक संकुचित होता है। ठोस हीलियम का घनत्व 0.214±0.006 g/cm3 है जो 1.15 K और 66 atm पर है; 0 K और 25 बार (2.5 MPa) पर अनुमानित घनत्व 0.187 ± 0.009 g/cm3 है। उच्च तापमान पर, हीलियम पर्याप्त दबाव के साथ जम जाएगा। कमरे के तापमान पर, इसके लिए लगभग 114,000 एटीएम की आवश्यकता होती है।

हीलियम अवस्था I

4.22 केल्विन के अपने क्वथनांक के नीचे और 2.1768 केल्विन के लैम्ब्डा बिंदु से ऊपर, समस्थानिक हीलियम -4 अपनी सामान्य रंगहीन तरल अवस्था में मौजूद है जिसे हीलियम I कहा जाता है। अन्य क्रायोजेनिक तरल पदार्थों की तरह, हीलियम I गर्म होने पर उबलता है और तापमान गिरने पर सिकुड़ता है . हालांकि, लैम्ब्डा बिंदु के नीचे, हीलियम उबलता नहीं है, और यह फैलता है क्योंकि तापमान में और गिरावट आती है। हीलियम I में 1.026 का गैसीय अपवर्तनांक है, जिससे इसकी सतह को देखना इतना मुश्किल हो जाता है कि पॉप-अप पॉलीस्टाइन फोम अक्सर इसकी सतह का निरीक्षण करने के लिए उपयोग किया जाता है। इस रंगहीन तरल में बहुत कम चिपचिपाहट और 0.145-0.125 g/ml (लगभग 0-4 K) का घनत्व होता है, जो शास्त्रीय भौतिकी से अपेक्षित मूल्य का केवल एक-चौथाई है। इस संपत्ति की व्याख्या करने के लिए क्वांटम यांत्रिकी की आवश्यकता होती है, और इसलिए तरल हीलियम (हीलियम I और हीलियम II) के दोनों राज्यों को क्वांटम तरल पदार्थ कहा जाता है, जिसका अर्थ है कि वे मैक्रोस्कोपिक पैमाने पर परमाणु गुणों का प्रदर्शन करते हैं। यह इस तथ्य के कारण हो सकता है कि हीलियम का क्वथनांक पूर्ण शून्य के इतना करीब है कि यह यादृच्छिक आणविक गति (थर्मल ऊर्जा) को इसके परमाणु गुणों को छिपाने से रोकता है।

हीलियम II अवस्था

अपने लैम्ब्डा बिंदु (जिसे हीलियम II कहा जाता है) के नीचे तरल हीलियम में बहुत ही असामान्य विशेषताएं हैं। इसकी उच्च तापीय चालकता के कारण, जब यह उबलता है, तो यह बुलबुला नहीं करता है बल्कि सतह से सीधे वाष्पित हो जाता है। हीलियम -3 में एक सुपरफ्लुइड चरण भी होता है, लेकिन केवल बहुत कम तापमान पर; नतीजतन, इस आइसोटोप के गुणों के बारे में बहुत कम जानकारी है। हीलियम II एक सुपरफ्लुइड तरल और अजीब गुणों के साथ एक क्वांटम यांत्रिक अवस्था है। उदाहरण के लिए, जब यह 10-7 से 10-8 मीटर मोटी केशिकाओं से होकर बहती है, तो इसकी कोई मापनीय चिपचिपाहट नहीं होती है। हालांकि, जब दो चलती डिस्क के बीच माप किए गए थे, तो गैसीय हीलियम की तुलना में चिपचिपापन देखा गया था। वर्तमान सिद्धांत हीलियम II के लिए दो-तरल मॉडल के साथ इसकी व्याख्या करता है। इस मॉडल में, लैम्ब्डा बिंदु के नीचे तरल हीलियम को एक पदार्थ माना जाता है जिसमें जमीनी अवस्था वाले हीलियम परमाणुओं का एक हिस्सा होता है जो सुपरफ्लुइड होता है और शून्य चिपचिपाहट के साथ प्रवाहित होता है, और उत्तेजित हीलियम परमाणुओं का एक हिस्सा होता है जो एक सामान्य तरल की तरह व्यवहार करता है। टोंटी प्रभाव में, एक कक्ष बनाया जाता है जो हीलियम जलाशय II से एक पापी डिस्क द्वारा जुड़ा होता है जिसके माध्यम से सुपरफ्लुइड हीलियम आसानी से बहता है, लेकिन जिसके माध्यम से गैर-सुपरफ्लुइड हीलियम नहीं गुजर सकता है। यदि कंटेनर के अंदर गर्म किया जाता है, तो सुपरफ्लुइड हीलियम गैर-सुपरफ्लुइड हीलियम में बदल जाता है। सुपरफ्लुइड हीलियम के संतुलन अनुपात को बनाए रखने के लिए, सुपरफ्लुइड हीलियम बहता है और दबाव बढ़ाता है, जिससे कंटेनर से तरल निकल जाता है। हीलियम II की तापीय चालकता किसी भी अन्य ज्ञात पदार्थ की तुलना में अधिक है, हीलियम I की तुलना में एक लाख गुना अधिक और तांबे की तुलना में कई सौ गुना अधिक है। यह इस तथ्य के कारण है कि तापीय चालकता एक असाधारण क्वांटम तंत्र के कारण होती है। गर्मी का संचालन करने वाली अधिकांश सामग्रियों में मुक्त इलेक्ट्रॉनों का एक वैलेंस बैंड होता है जो गर्मी को स्थानांतरित करने का काम करता है। हीलियम II में ऐसा वैलेंस बैंड नहीं है, लेकिन फिर भी गर्मी को अच्छी तरह से संचालित करता है। ऊष्मा का प्रवाह उन समीकरणों द्वारा निर्धारित किया जाता है जो हवा में ध्वनि के प्रसार को चिह्नित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले तरंग समीकरण के समान होते हैं। गर्मी के संपर्क में आने पर, यह दूसरी ध्वनि के रूप में जानी जाने वाली एक घटना में तरंगों के रूप में हीलियम II के माध्यम से 1.8 K पर 20 मीटर प्रति सेकंड की गति से यात्रा करता है। हीलियम II का भी "रेंगना" प्रभाव होता है। जब सतह हीलियम II स्तर से गुजरती है, तो हीलियम II गुरुत्वाकर्षण के विरुद्ध सतह के आर-पार गति करता है। हीलियम II बिना सील वाले बर्तन से बाहर निकलेगा, पक्षों को नीचे खिसकाएगा जब तक कि यह एक गर्म क्षेत्र तक नहीं पहुंच जाता जहां यह वाष्पित हो जाता है। यह सतह सामग्री की परवाह किए बिना 30 एनएम मोटी फिल्म में चलता है। इस फिल्म को उस वैज्ञानिक के नाम पर रोलिन फिल्म कहा जाता है जिसने पहली बार इस गुण की विशेषता बर्नार्ड डब्ल्यू रोलिन को दी थी। इस "रेंगने" व्यवहार और हीलियम II की छोटे छिद्रों के माध्यम से तेजी से बहने की क्षमता के परिणामस्वरूप, तरल हीलियम को शामिल करना बहुत मुश्किल है। यदि कंटेनर का निर्माण सावधानी से नहीं किया गया है, तो हीलियम II सतह पर और वाल्वों के माध्यम से तब तक रेंगता रहेगा जब तक कि यह एक गर्म क्षेत्र तक नहीं पहुंच जाता, जहां से यह वाष्पित हो जाएगा। एक रोलिन फिल्म के माध्यम से फैलने वाली तरंगें उथले पानी में गुरुत्वाकर्षण तरंगों के समान समीकरण द्वारा नियंत्रित होती हैं, लेकिन गुरुत्वाकर्षण के बजाय, बहाल करने वाला बल वैन डेर वाल्स बल है। इन तरंगों को तीसरी ध्वनि के रूप में जाना जाता है।

आइसोटोप

हीलियम के नौ ज्ञात समस्थानिक हैं, लेकिन केवल हीलियम -3 और हीलियम -4 स्थिर हैं। पृथ्वी के वायुमंडल में, प्रति मिलियन 4He परमाणुओं में एक 3He परमाणु होता है। अधिकांश तत्वों के विपरीत, विभिन्न गठन प्रक्रियाओं के कारण हीलियम की समस्थानिक बहुतायत उत्पत्ति में बहुत भिन्न होती है। भारी रेडियोधर्मी तत्वों के अल्फा क्षय के माध्यम से पृथ्वी पर सबसे प्रचुर मात्रा में आइसोटोप, हीलियम -4 का उत्पादन होता है; परिणामी अल्फा कण पूरी तरह से आयनित हीलियम -4 नाभिक हैं। हीलियम -4 एक असामान्य रूप से स्थिर नाभिक है क्योंकि इसके नाभिक पूर्ण कोशों में व्यवस्थित होते हैं। यह बिग बैंग न्यूक्लियोसिंथेसिस में भी भारी मात्रा में बना है। हीलियम-3 पृथ्वी पर केवल सूक्ष्म मात्रा में ही मौजूद है; अधिकांश हीलियम -3 पृथ्वी के निर्माण के बाद से मौजूद है, हालांकि कुछ ब्रह्मांडीय धूल में फंसी हुई पृथ्वी पर अपना रास्ता खोज लेते हैं। ट्रिटियम के बीटा क्षय में हीलियम की ट्रेस मात्रा भी उत्पन्न होती है। पृथ्वी की पपड़ी की चट्टानों में समस्थानिक अनुपात होते हैं जो दस के कारक से भिन्न होते हैं, और इन अनुपातों का उपयोग चट्टानों की उत्पत्ति और पृथ्वी के मेंटल की संरचना का अध्ययन करने के लिए किया जा सकता है। 3 वह परमाणु संलयन के उत्पाद के रूप में सितारों में बहुत अधिक सामान्य है। इस प्रकार, तारे के बीच के माध्यम में 3He से 4He का अनुपात पृथ्वी की तुलना में लगभग 100 गुना अधिक है। चंद्र और क्षुद्रग्रह रेजोलिथ जैसे अतिरिक्त ग्रहों में सौर हवाओं द्वारा बमबारी होने से हीलियम -3 की मात्रा का पता चलता है। चंद्रमा की सतह में हीलियम -3 की सांद्रता 10 पीपीएम के क्रम में होती है, जो पृथ्वी के वायुमंडल में पाए जाने वाले लगभग 5 पीपीएम से बहुत अधिक है। 1986 में गेराल्ड कुलकिंस्की के साथ शुरू होने वाले कई वैज्ञानिकों ने चंद्रमा की खोज, चंद्र रेजोलिथ एकत्र करने और संलयन के लिए हीलियम -3 का उपयोग करने का प्रस्ताव दिया है। तरल हीलियम -4 को एक बर्तन में बाष्पीकरणीय शीतलन का उपयोग करके लगभग 1 केल्विन तक ठंडा किया जा सकता है, जो 1 K तक पहुँच जाता है। कम उबलते हीलियम -3 की समान शीतलन हीलियम -3 रेफ्रिजरेटर में लगभग 0.2 केल्विन तक पहुँच सकती है। तरल 3He और 4He के समान मिश्रण जिनका तापमान 0.8 K से कम होता है, उनकी असमानता के कारण दो अमिश्रणीय चरणों में अलग हो जाते हैं (उनके अलग-अलग क्वांटम आँकड़े होते हैं: हीलियम -4 परमाणु बोसॉन होते हैं, जबकि हीलियम -3 परमाणु फ़र्मियन होते हैं)। क्रायोजेनिक पदार्थों के मिश्रण पर चलने वाली प्रशीतन मशीनों में, इस अमिश्रणता का उपयोग कई मिलीकेल्विन के तापमान को प्राप्त करने के लिए किया जाता है। विदेशी हीलियम समस्थानिकों का उत्पादन संभव है जो जल्दी से अन्य पदार्थों में क्षय हो जाते हैं। हीलियम का सबसे कम समय तक रहने वाला भारी आइसोटोप हीलियम-5 है, जिसका आधा जीवन 7.6×10-22 सेकेंड है। हीलियम-6 एक बीटा कण का उत्सर्जन करके क्षय होता है और इसकी अर्ध-आयु 0.8 सेकंड होती है। हीलियम-7 एक बीटा कण के साथ-साथ एक गामा किरण भी उत्सर्जित करता है। कुछ नाभिकीय अभिक्रियाओं में हीलियम-7 और हीलियम-8 उत्पन्न होते हैं। हीलियम -6 और हीलियम -8 को परमाणु प्रभामंडल के लिए जाना जाता है।

हीलियम यौगिक

हीलियम की संयोजकता 0 है और यह सभी सामान्य परिस्थितियों में रासायनिक रूप से निष्क्रिय है। हीलियम एक विद्युत इन्सुलेटर है जब तक कि यह आयनित न हो। अन्य महान गैसों की तरह, हीलियम में मेटास्टेबल ऊर्जा स्तर होते हैं जो इसे अपनी आयनीकरण क्षमता के नीचे विद्युत निर्वहन में आयनित रहने की अनुमति देते हैं। हीलियम अस्थिर यौगिकों का निर्माण कर सकता है जिन्हें टंगस्टन, आयोडीन, फ्लोरीन, सल्फर और फॉस्फोरस के साथ एक्सिमर्स के रूप में जाना जाता है, जब यह चमक के निर्वहन, इलेक्ट्रॉन बमबारी, या अन्य माध्यमों से प्लाज्मा में कम हो जाता है। इस प्रकार, आणविक यौगिक HeNe, HgHe10 और WHe2 और आणविक आयन He +2, He2 +2, HeH + और HeD + बनाए गए। HeH+ अपनी जमीनी अवस्था में भी स्थिर है, लेकिन अत्यंत प्रतिक्रियाशील है - यह सबसे मजबूत ब्रोंस्टेड एसिड है, और इसलिए यह केवल अलगाव में ही मौजूद हो सकता है, क्योंकि यह किसी भी अणु या प्रोथियन के संपर्क में आने पर प्रोटोनेट करेगा। इस विधि ने तटस्थ अणु He2 का भी उत्पादन किया, जिसमें बड़ी संख्या में बैंड सिस्टम हैं, और HgHe, जो केवल ध्रुवीकरण बलों द्वारा एक साथ रखे हुए प्रतीत होते हैं। हीलियम के वैन डेर वाल्स यौगिक क्रायोजेनिक हीलियम गैस और कुछ अन्य पदार्थ जैसे कि LiHe और He2 के परमाणुओं के साथ भी बन सकते हैं। सैद्धांतिक रूप से, अन्य सच्चे यौगिक संभव हैं, जैसे हीलियम फ्लोरोहाइड्राइड (एचएचईएफ), जो 2000 में खोजे गए एचएआरएफ के समान होगा। गणना से पता चलता है कि हीलियम-ऑक्सीजन बंधन वाले दो नए यौगिक स्थिर हो सकते हैं। सिद्धांत का उपयोग करके भविष्यवाणी की गई दो नई आणविक प्रजातियां, CsFHeO और N(CH3)4FHeO, मेटास्टेबल FHeO आयनों के व्युत्पन्न हैं जिन्हें पहली बार 2005 में ताइवान में एक समूह द्वारा प्रस्तावित किया गया था। यदि प्रयोग द्वारा पुष्टि की जाती है, तो बिना किसी ज्ञात स्थिर यौगिकों वाला एकमात्र शेष तत्व नियॉन होगा। हीलियम परमाणुओं को उच्च दबाव में गर्म करके खोखले कार्बन ढांचे (फुलरीन) के अणुओं में डाला गया था। निर्मित एंडोहेड्रल फुलरीन अणु उच्च तापमान पर स्थिर होते हैं। जब इन फुलरीन के रासायनिक व्युत्पन्न बनते हैं, तो हीलियम अंदर रहता है। यदि हीलियम -3 का उपयोग किया जाता है, तो इसे हीलियम परमाणु चुंबकीय अनुनाद स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करके आसानी से देखा जा सकता है। हीलियम -3 युक्त कई फुलरीन की सूचना मिली है। हालांकि हीलियम परमाणु सहसंयोजक या आयनिक बंधों से बंधे नहीं होते हैं, इन पदार्थों में कुछ गुण और एक निश्चित संरचना होती है, जैसे सभी स्टोइकोमेट्रिक रासायनिक यौगिक। उच्च दबाव पर, हीलियम विभिन्न अन्य तत्वों के साथ यौगिक बना सकता है। हीलियम नाइट्रोजन क्लैथ्रेट क्रिस्टल (He(N2)11) कमरे के तापमान पर लगभग दबाव में उगाए गए थे। हीरे की आँवले के साथ एक उच्च दबाव कक्ष में 10 GPa। यह दिखाया गया था कि Na2He इन्सुलेट इलेक्ट्रोलाइट 113 GPa से ऊपर के दबाव में थर्मोडायनामिक रूप से स्थिर है। इसकी एक फ्लोराइट संरचना है।

उत्पत्ति और उत्पादन

प्राकृतिक बहुतायत

हालांकि पृथ्वी पर दुर्लभ है, हीलियम ज्ञात ब्रह्मांड (हाइड्रोजन के बाद) में दूसरा सबसे प्रचुर तत्व है, जो इसके बेरियन द्रव्यमान का 23% है। हीलियम का विशाल बहुमत बिग बैंग न्यूक्लियोसिंथेसिस द्वारा बिग बैंग के एक से तीन मिनट बाद बनाया गया था। इस प्रकार, इसकी प्रचुरता का माप ब्रह्माण्ड संबंधी मॉडल में योगदान देता है। तारों में, प्रोटॉन-प्रोटॉन श्रृंखला प्रतिक्रियाओं में हाइड्रोजन के परमाणु संलयन और तारकीय न्यूक्लियोसिंथेसिस के हिस्से सीएनओ चक्र द्वारा हीलियम का निर्माण होता है। पृथ्वी के वायुमंडल में आयतन के हिसाब से हीलियम की सांद्रता केवल 5.2 भाग प्रति मिलियन है। नए हीलियम के निरंतर उत्पादन के बावजूद, एकाग्रता कम और काफी स्थिर है, क्योंकि पृथ्वी के वायुमंडल में अधिकांश हीलियम कई प्रक्रियाओं के माध्यम से अंतरिक्ष में प्रवेश करता है। स्थलीय विषममंडल में, ऊपरी वायुमंडल के हिस्से, हीलियम और अन्य हल्की गैसें सबसे प्रचुर मात्रा में तत्व हैं। पृथ्वी पर अधिकांश हीलियम रेडियोधर्मी क्षय का परिणाम है। हीलियम यूरेनियम और थोरियम खनिजों में बड़ी मात्रा में पाया जाता है, जिसमें क्लीवेट, टार, कार्नोटाइट और मोनाजाइट शामिल हैं, क्योंकि वे अल्फा कण (हीलियम नाभिक, He2+) छोड़ते हैं, जिससे एक बार कण को ​​​​रोकने पर इलेक्ट्रॉन तुरंत बंध जाते हैं। इस प्रकार, पूरे स्थलमंडल में लगभग 3,000 मीट्रिक टन हीलियम उत्पन्न होता है। पृथ्वी की पपड़ी में हीलियम की सांद्रता 8 भाग प्रति अरब है। समुद्र के पानी में, सांद्रता केवल 4 भाग प्रति ट्रिलियन है। खनिज स्प्रिंग्स, ज्वालामुखी गैस और उल्कापिंड लोहे में भी थोड़ी मात्रा में हीलियम मौजूद है। चूंकि हीलियम पृथ्वी के आंतरिक भाग में उन परिस्थितियों में फंसा हुआ है जो प्राकृतिक गैस को भी फंसाती हैं, ग्रह पर हीलियम की सबसे बड़ी प्राकृतिक सांद्रता प्राकृतिक गैस में पाई जाती है, जिससे अधिकांश व्यावसायिक हीलियम निकाला जाता है। सैन जुआन काउंटी, न्यू मैक्सिको में एक छोटे से गैस क्षेत्र में कुछ पीपीएम से 7% से अधिक तक हीलियम सांद्रता व्यापक रूप से भिन्न होती है। 2011 तक, दुनिया के हीलियम भंडार का अनुमान 40 बिलियन क्यूबिक मीटर था, जिसमें से एक चौथाई दक्षिण पार्स / उत्तरी डोम गैस-कंडेनसेट क्षेत्र में स्थित है, जो संयुक्त रूप से कतर और ईरान के स्वामित्व में है। 2015 और 2016 में उत्तरी अमेरिका और पूर्वी अफ्रीका के रॉकी पर्वत में अधिक संभावित भंडार की घोषणा की गई थी।

आधुनिक खनन और वितरण

बड़े पैमाने पर उपयोग के लिए, प्राकृतिक गैस से आंशिक आसवन द्वारा हीलियम निकाला जाता है, जिसमें 7% तक हीलियम हो सकता है। चूंकि हीलियम का क्वथनांक किसी भी अन्य तत्व की तुलना में कम होता है, कम तापमान और उच्च दबाव का उपयोग लगभग सभी अन्य गैसों (मुख्य रूप से नाइट्रोजन और मीथेन) को द्रवीभूत करने के लिए किया जाता है। परिणामी कच्चे हीलियम गैस को लगातार तापमान कम करने वाले उपचारों द्वारा शुद्ध किया जाता है, जिस पर लगभग सभी शेष नाइट्रोजन और अन्य गैसें गैस मिश्रण से उपजी होती हैं। सक्रिय कार्बन का उपयोग अंतिम शुद्धिकरण चरण के रूप में किया जाता है, जो आमतौर पर 99.995% शुद्ध क्लास ए हीलियम का उत्पादन करता है। कक्षा ए हीलियम में मुख्य अशुद्धता नियॉन है। उत्पादन के अंतिम चरण में, उत्पादित अधिकांश हीलियम को क्रायोजेनिक प्रक्रिया के माध्यम से द्रवीभूत किया जाता है। यह तरल हीलियम की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक है और हीलियम आपूर्तिकर्ताओं को लंबी दूरी पर हीलियम के परिवहन की लागत को कम करने की अनुमति देता है, क्योंकि सबसे बड़े तरल हीलियम कंटेनरों में सबसे बड़े गैस हीलियम ट्रेलरों की क्षमता पांच गुना से अधिक होती है। 2008 में, लगभग 169 मिलियन मानक क्यूबिक मीटर हीलियम प्राकृतिक गैस या हीलियम भंडार से, संयुक्त राज्य अमेरिका से लगभग 78%, अल्जीरिया से 10% और शेष रूस, पोलैंड और कतर से बरामद किया गया था। 2013 तक, कतर में हीलियम उत्पादन में वृद्धि (एयर लिक्विड के तहत रासगैस द्वारा) ने कतर के विश्व हीलियम उत्पादन में हिस्सेदारी को 25% तक बढ़ा दिया और देश को संयुक्त राज्य अमेरिका के बाद हीलियम का दूसरा सबसे बड़ा निर्यातक बना दिया। 2016 में तंजानिया में अनुमानित 54 बिलियन क्यूबिक फीट (1.5 × 109 m3) हीलियम की खोज की गई थी। संयुक्त राज्य अमेरिका में, अधिकांश हीलियम ह्यूगोटन में प्राकृतिक गैस से और कैनसस, ओक्लाहोमा और टेक्सास में पैनहैंडल क्षेत्र के आसपास के गैस क्षेत्रों से निकाला जाता है। इस गैस के अधिकांश हिस्से को एक बार राष्ट्रीय हीलियम रिजर्व में पाइपलाइन किया गया था, लेकिन 2005 के बाद से यह रिजर्व समाप्त हो गया है और बेच दिया गया है और अक्टूबर 2013 (एचआर) में अपनाए गए जिम्मेदार हीलियम और स्टीवर्डशिप अधिनियम के अनुसार 2021 तक बड़े पैमाने पर समाप्त होने की उम्मीद है। 527)। विशेष अर्ध-पारगम्य झिल्लियों और अन्य बाधाओं के माध्यम से कच्ची प्राकृतिक गैस का प्रसार हीलियम को ठीक करने और शुद्ध करने का एक और तरीका है। 1996 में, अमेरिका में ऐसे गैस कूप परिसरों में हीलियम के भंडार की खोज की गई थी, लगभग 147 बिलियन मानक क्यूबिक फीट (4.2 बिलियन SCM)। उस समय उपयोग की दर (अमेरिका में 72 मिलियन एससीएम प्रति वर्ष) पर, हीलियम अमेरिका में लगभग 58 वर्षों के उपयोग के लिए पर्याप्त होता, और उससे कम (शायद 80% समय) दुनिया में, लेकिन बचत और प्रसंस्करण को प्रभावित करने वाले कारक प्रभावी आरक्षित अनुपात को प्रभावित करते हैं। हीलियम को प्राकृतिक गैस से निकाला जाना चाहिए क्योंकि यह हवा में मौजूद नियॉन का केवल एक अंश है, लेकिन इसकी मांग बहुत अधिक है। यह अनुमान है कि यदि सभी नियॉन उत्पादों को स्टोर हीलियम में बदल दिया जाता है, तो दुनिया की 0.1% हीलियम की जरूरतें पूरी हो जाएंगी। इसी तरह, सभी वायु आसवन संयंत्रों को फिर से स्थापित करके दुनिया की केवल 1% हीलियम जरूरतों को पूरा किया जा सकता है। हीलियम को उच्च गति वाले प्रोटॉन के साथ लिथियम या बोरॉन पर बमबारी करके या ड्यूटरॉन के साथ लिथियम पर बमबारी करके संश्लेषित किया जा सकता है, लेकिन ये प्रक्रिया पूरी तरह से गैर-आर्थिक हैं। हीलियम व्यावसायिक रूप से तरल या गैसीय रूप में उपलब्ध है। एक तरल के रूप में, इसे देवार्स नामक छोटे इन्सुलेटेड कंटेनरों में आपूर्ति की जा सकती है, जिसमें 1,000 लीटर हीलियम या बड़े आईएसओ कंटेनर होते हैं, जिनकी नाममात्र क्षमता 42 एम 3 (लगभग 11,000 यूएस गैलन) तक होती है। गैसीय रूप में, हीलियम की छोटी मात्रा 8 m3 (लगभग घन फीट) तक के उच्च दाब वाले सिलिंडरों में बेची जाती है।

हीलियम सुरक्षा संरक्षण

नोबेल पुरस्कार विजेता भौतिक विज्ञानी रॉबर्ट कोलमैन रिचर्डसन जैसे हीलियम संरक्षण अधिवक्ताओं के अनुसार, 2010 में लिखते हुए, हीलियम के मुक्त बाजार मूल्य ने इसके "बेकार" उपयोग (उदाहरण के लिए, हीलियम गुब्बारे के लिए) को प्रोत्साहित किया है। 2000 के दशक में, अमेरिकी कांग्रेस के 2015 तक देश में हीलियम के बड़े स्टॉक को बेचने के फैसले से कीमतों में कमी आई थी। रिचर्डसन ने कहा कि अत्यधिक हीलियम की कमी को खत्म करने के लिए कीमत को 20 से गुणा किया जाना चाहिए। अपनी पुस्तक द फ्यूचर ऑफ हीलियम ऐज़ ए नेचुरल रिसोर्स (रूटलेज, 2012) में, नट्टल, क्लार्क और ग्लोवैकी (2012) ने इस कीमती वस्तु के लिए एक स्थायी बाजार बनाने के लिए एक अंतर्राष्ट्रीय हीलियम एजेंसी (IHA) के निर्माण का भी प्रस्ताव रखा।

उपयोग के क्षेत्र

जबकि गुब्बारे शायद हीलियम का सबसे प्रसिद्ध उपयोग हैं, वे सभी हीलियम उपयोग के एक मामूली हिस्से का प्रतिनिधित्व करते हैं। हीलियम का उपयोग कई उद्देश्यों के लिए किया जाता है जिसके लिए इसके कुछ अद्वितीय गुणों की आवश्यकता होती है जैसे कम क्वथनांक, कम घनत्व, कम घुलनशीलता, उच्च तापीय चालकता या जड़ता। 2014 में हीलियम के कुल विश्व उत्पादन में से लगभग 32 मिलियन किलोग्राम (180 मिलियन मानक क्यूबिक मीटर) हीलियम प्रति वर्ष, सबसे बड़ा उपयोग (2014 में कुल का लगभग 32%) क्रायोजेनिक अनुप्रयोगों में है, जिनमें से अधिकांश में शीतलन शामिल है मेडिकल एमआरआई स्कैनर और एनएमआर स्पेक्ट्रोमीटर में सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट की। अन्य मुख्य अनुप्रयोग दबाव और शुद्धिकरण प्रणाली, वेल्डिंग, नियंत्रित वातावरण रखरखाव और रिसाव का पता लगाने थे। श्रेणी के अनुसार अन्य उपयोग अपेक्षाकृत छोटे अंश थे।

नियंत्रित वातावरण

हीलियम का उपयोग बढ़ते सिलिकॉन और जर्मेनियम क्रिस्टल में, टाइटेनियम और जिरकोनियम के उत्पादन में और गैस क्रोमैटोग्राफी में एक परिरक्षण गैस के रूप में किया जाता है क्योंकि यह निष्क्रिय है। इसकी जड़ता, तापीय और कैलोरी की दृष्टि से परिपूर्ण प्रकृति, ध्वनि की उच्च गति और उच्च ताप क्षमता अनुपात के कारण, यह सुपरसोनिक पवन सुरंगों और आवेग अनुप्रयोगों में भी उपयोगी है।

गैस टंग्सटन आर्क वेल्डिंग

हीलियम का उपयोग वेल्डिंग तापमान पर हवा या नाइट्रोजन द्वारा दूषित और कमजोर सामग्री पर चाप वेल्डिंग प्रक्रियाओं में एक परिरक्षण गैस के रूप में किया जाता है। गैस टंगस्टन आर्क वेल्डिंग अक्रिय ढाल गैसों की एक श्रृंखला का उपयोग करता है, लेकिन सस्ते आर्गन के बजाय हीलियम का उपयोग करता है, विशेष रूप से एल्यूमीनियम या तांबे जैसे उच्च तापीय चालकता वेल्डिंग उपभोग्य सामग्रियों के लिए।

कम आम उपयोग

औद्योगिक रिसाव का पता लगाना

हीलियम के औद्योगिक अनुप्रयोगों में से एक रिसाव का पता लगाना है। क्योंकि हीलियम हवा की तुलना में तीन गुना तेजी से ठोस पदार्थों में फैलता है, इसका उपयोग उच्च वैक्यूम उपकरण (जैसे क्रायोजेनिक टैंक) और उच्च दबाव वाले कंटेनरों में लीक का पता लगाने के लिए ट्रेसर गैस के रूप में किया जाता है। परीक्षण पदार्थ को कक्ष में रखा जाता है, जिसे बाद में खाली कर दिया जाता है और हीलियम से भर दिया जाता है। लीक से गुजरने वाले हीलियम का पता एक संवेदनशील उपकरण (हीलियम मास स्पेक्ट्रोमीटर) द्वारा 10-9 mbar l/s (10-10 Pa m3/s) की रिसाव दरों पर भी लगाया जाता है। माप प्रक्रिया आमतौर पर स्वचालित रूप से की जाती है और इसे इंटीग्रल हीलियम टेस्ट कहा जाता है। एक सरल प्रक्रिया परीक्षण वस्तु को हीलियम से भरना और एक हैंडहेल्ड डिवाइस का उपयोग करके मैन्युअल रूप से रिसाव की खोज करना है। दरारों के माध्यम से हीलियम के रिसाव को थोक सामग्री के माध्यम से गैस के प्रवेश के साथ भ्रमित नहीं होना चाहिए। जबकि हीलियम ने ग्लास, सिरेमिक और सिंथेटिक्स के माध्यम से पारगमन स्थिरांक (इस प्रकार एक गणना की गई प्रवेश दर) का दस्तावेजीकरण किया है, हीलियम जैसी अक्रिय गैसें अधिकांश बड़ी धातुओं में प्रवेश नहीं करेंगी।

फ्लाइंग

चूंकि हीलियम हवा से हल्का होता है, इसलिए हवा में उठने के लिए एयरशिप और गर्म हवा के गुब्बारे इस गैस के साथ पंप किए जाते हैं। जबकि हाइड्रोजन गैस अधिक प्लवनशीलता है और धीमी गति से झिल्ली के माध्यम से प्रवेश करती है, हीलियम को गैर-ज्वलनशील और सही मायने में ज्वाला मंदक होने का लाभ होता है। हीलियम का एक और मामूली उपयोग रॉकेट में होता है, जहां हीलियम का उपयोग भंडारण टैंकों में ईंधन और ऑक्सीडाइज़र को बदलने के लिए और रॉकेट ईंधन बनाने के लिए हाइड्रोजन और ऑक्सीजन को संघनित करने के लिए एक एयर कुशन के रूप में किया जाता है। इसका उपयोग लॉन्च से पहले ग्राउंड सपोर्ट उपकरण से ईंधन और ऑक्सीडाइज़र को साफ करने और अंतरिक्ष यान पर तरल हाइड्रोजन को पूर्व-ठंडा करने के लिए भी किया जाता है। उदाहरण के लिए, अपोलो कार्यक्रम में प्रयुक्त सैटर्न वी रॉकेट को लॉन्च करने के लिए लगभग 370,000 m3 (13 मिलियन क्यूबिक फीट) हीलियम की आवश्यकता थी।

लघु वाणिज्यिक और मनोरंजक उपयोग

सांस लेने वाली गैस के रूप में हीलियम में कोई मादक गुण नहीं होता है, इसलिए हीलियम के मिश्रण जैसे ट्रिमिक्स, हेलिओक्स और हेलियर का उपयोग मादक द्रव्य के प्रभाव को कम करने के लिए गहरी गोताखोरी के लिए किया जाता है, जो गहराई के साथ खराब हो जाता है। जैसे-जैसे गहराई पर दबाव बढ़ता है, सांस लेने वाली गैस का घनत्व भी बढ़ता है, और हीलियम का कम आणविक भार सांस लेने के प्रयास को बहुत कम कर देता है, जिससे मिश्रण का घनत्व कम हो जाता है। इससे रेनॉल्ड्स प्रवाह की संख्या कम हो जाती है, जिसके परिणामस्वरूप कम अशांत प्रवाह और अधिक लामिना का प्रवाह होता है, जिससे सांस लेने के लिए कम काम की आवश्यकता होती है। 150 मीटर (490 फीट) से नीचे की गहराई पर, हीलियम-ऑक्सीजन के मिश्रण में सांस लेने वाले गोताखोरों को झटके का अनुभव होने लगता है और साइकोमोटर फ़ंक्शन कम हो जाता है, एक तंत्रिका सिंड्रोम जो दबाव में वृद्धि के कारण होता है। कुछ हद तक, हीलियम-ऑक्सीजन मिश्रण में कुछ मादक गैसों, जैसे हाइड्रोजन या नाइट्रोजन को मिलाने से इस प्रभाव में योगदान हो सकता है। हीलियम-नियॉन लेज़र, एक प्रकार का लो-पावर रेड-बीम गैस लेज़र, में बारकोड रीडर्स और लेज़र पॉइंटर्स सहित विभिन्न व्यावहारिक अनुप्रयोग थे, इससे पहले कि वे लगभग सार्वभौमिक रूप से सस्ते डायोड लेज़रों द्वारा प्रतिस्थापित किए गए थे। इसकी जड़ता और उच्च तापीय चालकता, न्यूट्रॉन पारदर्शिता और रिएक्टर स्थितियों के तहत रेडियोधर्मी आइसोटोप उत्पादन की कमी के कारण, हीलियम का उपयोग कुछ गैस-कूल्ड परमाणु रिएक्टरों में शीतलक के रूप में किया जाता है। क्सीनन जैसी भारी गैस के साथ मिश्रित हीलियम थर्मोअकॉस्टिक कूलिंग के लिए उपयोगी है, जिसके परिणामस्वरूप उच्च ताप क्षमता गुणांक और कम प्रांडल संख्या होती है। पारंपरिक प्रशीतन प्रणालियों पर हीलियम दृढ़ता के पर्यावरणीय लाभ हैं जो ओजोन रिक्तीकरण या ग्लोबल वार्मिंग में योगदान करते हैं। हीलियम का उपयोग कुछ हार्ड ड्राइव में भी किया जाता है।

वैज्ञानिक अनुप्रयोग

हीलियम के उपयोग से कुछ दूरबीनों में लेंस के बीच के स्थान में तापमान परिवर्तन के विकृत प्रभाव को कम किया जाता है, क्योंकि इसका अपवर्तनांक बहुत कम होता है। यह विधि विशेष रूप से सौर दूरबीनों में उपयोग की जाती है जहां एक वैक्यूम इन्सुलेटेड टेलीस्कोप ट्यूब बहुत भारी होगी। हीलियम गैस क्रोमैटोग्राफी के लिए व्यापक रूप से इस्तेमाल की जाने वाली वाहक गैस है। हीलियम डेटिंग के रूप में जानी जाने वाली प्रक्रिया में हीलियम के स्तर को मापकर यूरेनियम और थोरियम युक्त चट्टानों और खनिजों की उम्र का अनुमान लगाया जा सकता है। कम तापमान पर हीलियम का उपयोग क्रायोजेनिक्स और क्रायोजेनिक्स के कुछ अनुप्रयोगों में किया जाता है। ऐसे अनुप्रयोगों के उदाहरण के रूप में, तरल हीलियम का उपयोग कुछ धातुओं को अतिचालकता के लिए आवश्यक अत्यंत कम तापमान पर ठंडा करने के लिए किया जाता है, जैसे चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग के लिए सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट में। सर्न में लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर 1.9 केल्विन के तापमान को बनाए रखने के लिए 96 मीट्रिक टन तरल हीलियम का उपयोग करता है।

साँस लेना और सुरक्षा

प्रभाव

तटस्थ हीलियम मानक परिस्थितियों में गैर-विषाक्त है, कोई जैविक भूमिका नहीं निभाता है, और मानव रक्त में ट्रेस मात्रा में पाया जाता है। हीलियम में ध्वनि की गति हवा में ध्वनि की गति से लगभग तीन गुना अधिक होती है। क्योंकि गैस से भरी गुहा की मौलिक आवृत्ति गैस में ध्वनि की गति के समानुपाती होती है, जब हीलियम को अंदर लिया जाता है, तो मुखर पथ के गुंजयमान आवृत्तियों में एक समान वृद्धि होती है। मौलिक आवृत्ति (कभी-कभी स्वर कहा जाता है) नहीं बदलता है, जैसा कि मुखर सिलवटों के प्रत्यक्ष कंपन से होता है, जो नहीं बदलता है। हालांकि, उच्च गुंजयमान आवृत्तियों के कारण समय में बदलाव होता है, जिसके परिणामस्वरूप पतली, बत्तख जैसी ध्वनि होती है। विपरीत प्रभाव, गुंजयमान आवृत्तियों को कम करना, सल्फर हेक्साफ्लोराइड या क्सीनन जैसी घनी गैस को अंदर करके प्राप्त किया जा सकता है।

खतरों

अधिक हीलियम में सांस लेना खतरनाक हो सकता है क्योंकि हीलियम एक साधारण श्वासावरोध है जो सामान्य श्वास के लिए आवश्यक ऑक्सीजन को विस्थापित करता है। मौतों की सूचना मिली है, जिसमें 2003 में वैंकूवर में दम घुटने वाले युवाओं और 2006 में दक्षिण फ्लोरिडा में दो वयस्कों की दम घुटने से मौत शामिल है। 1998 में, विक्टोरिया की एक ऑस्ट्रेलियाई लड़की (उम्र अज्ञात) बेहोश हो गई और एक हीलियम टैंक की पूरी सामग्री को अंदर लेने के बाद अस्थायी रूप से नीली हो गई। दबाव वाले सिलेंडरों या यहां तक ​​कि सिलेंडर भरने वाले वाल्वों से सीधे हीलियम को अंदर लेना बेहद खतरनाक है, क्योंकि उच्च प्रवाह दर और दबाव से बारोट्रामा हो सकता है, फेफड़ों के ऊतकों को घातक चोट लग सकती है। हीलियम से होने वाली मृत्यु दुर्लभ है। मीडिया में पहला रिपोर्ट किया गया मामला टेक्सास की एक 15 वर्षीय लड़की का था, जिसकी 1998 में एक दोस्त की पार्टी में हीलियम इनहेलेशन से मृत्यु हो गई थी। संयुक्त राज्य अमेरिका में, 2000 और 2004 के बीच केवल दो मौतों की सूचना मिली थी, जिसमें 2002 में उत्तरी कैरोलिना में बारोट्रामा से मरने वाला एक व्यक्ति भी शामिल था। 2003 में वैंकूवर में एक युवक का दम घुट गया, और ऑस्ट्रेलिया में एक 27 वर्षीय व्यक्ति को 2000 में एक सिलेंडर से गैस लेने के बाद एम्बोलिज्म हुआ। तब से, 2006 में दक्षिण फ्लोरिडा में दो वयस्कों की दम घुटने से मौत हो गई, 2009 और 2010 में कई मामले सामने आए हैं, एक कैलिफोर्निया के एक युवा के साथ उसके सिर पर एक हीलियम टैंक से जुड़ा बैग मिला, और दूसरा उत्तरी में एक किशोर के साथ। आयरलैंड, जिनकी दम घुटने से मौत हो गई। ओरेगन के ईगल पॉइंट में 2012 में एक पार्टी में बारोट्रामा से एक किशोर लड़की की मौत हो गई। उस वर्ष के अंत में मिशिगन की एक लड़की की हाइपोक्सिया से मृत्यु हो गई। 4 फरवरी, 2015 को, यह पता चला कि 28 जनवरी को, जापानी लड़की समूह 3B जूनियर के लिए टीवी शो को टेप करते समय, समूह की एक 12 वर्षीय सदस्य (जिसका नाम गुप्त रखा गया है) को एम्बोलिज्म का सामना करना पड़ा, पारित हो गया हीलियम की बड़ी मात्रा में सांस लेने के बाद मस्तिष्क में रक्त के प्रवाह को अवरुद्ध करने वाले हवा के बुलबुले के परिणामस्वरूप बाहर निकल गए और कोमा में चले गए। घटना को अगले सप्ताह तक सार्वजनिक नहीं किया गया था। टीवी असाही के कर्मचारियों ने यह घोषणा करने के लिए एक आपातकालीन प्रेस कांफ्रेंस की कि लड़की को अस्पताल ले जाया गया था और वह आंख और अंग आंदोलन जैसे पुनर्वास के लक्षण दिखा रही थी, लेकिन उसकी चेतना अभी तक पर्याप्त रूप से ठीक नहीं हुई थी। सुरक्षा इंतजामों की अनदेखी को लेकर पुलिस ने जांच शुरू कर दी है। क्रायोजेनिक हीलियम के सुरक्षा मुद्दे तरल नाइट्रोजन के समान हैं; इसके बेहद कम तापमान से कोल्ड बर्न हो सकता है, और इसका तरल-से-गैस विस्तार अनुपात तब तक विस्फोट का कारण बन सकता है जब तक कि दबाव राहत उपकरण स्थापित नहीं किए जाते। 5-10 K पर हीलियम गैस कंटेनरों को इस तरह से संभाला जाना चाहिए जैसे कि उनमें तीव्र और महत्वपूर्ण थर्मल विस्तार के कारण तरल हीलियम होता है जो तब होता है जब 10 K से कम की हीलियम गैस को कमरे के तापमान पर गर्म किया जाता है। उच्च दबाव (लगभग 20 एटीएम या दो एमपीए से अधिक) पर, हीलियम और ऑक्सीजन (हेलीऑक्स) के मिश्रण से उच्च दबाव तंत्रिका सिंड्रोम हो सकता है, एक प्रकार का रिवर्स एनेस्थेटिक प्रभाव; मिश्रण में थोड़ी मात्रा में नाइट्रोजन मिलाने से समस्या कम हो सकती है।

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प्रयुक्त साहित्य की सूची:

रेयेट, जी. (1868) "एनालिसिस स्पेक्ट्रल डेस प्रोट्यूबेरेंस ऑब्जर्विस, पेंडेंट एल" एक्लिप्स टोटल डी सोलेइल विजिबल ले 18 एओएट 1868, ए ला प्रेस्कू"इले डे मलक्का" (कुल सूर्य ग्रहण के दौरान देखे गए प्रोट्यूबरेंस का वर्णक्रमीय विश्लेषण 18 अगस्त 1868, मलक्का प्रायद्वीप से), कॉम्पटेस रेंडस… , 67: 757-759। पी से। 758: "... जेई विज़ इमीडिएटमेंट उन सेरी डे नेफ लिग्नेस ब्रिलेंटेस क्यूई ... मुझे सेम्बेंट डेवोइर एट्रे एसिमिलीस ऑक्स लिग्नेस प्रिंसिपल्स डू स्पेक्टर सोलेयर, बी, डी, ई, बी, यूने लिग्ने इनकॉन्यू, एफ, एट ड्यूक्स लिग्नेस डू ग्रुप जी।" (... मैंने तुरंत नौ चमकीली रेखाओं की एक श्रृंखला देखी, जो मुझे लगता था कि सौर स्पेक्ट्रम की प्रमुख रेखाओं के रूप में वर्गीकृत किया जाना चाहिए, बी, डी, ई, बी, एक अज्ञात रेखा, एफ, और समूह जी की दो रेखाएं।

हीलियम(अव्य। हीलियम), प्रतीक वह, आवधिक प्रणाली के समूह viii का एक रासायनिक तत्व, अक्रिय गैसों को संदर्भित करता है; क्रमांक 2, परमाणु द्रव्यमान 4.0026; रंगहीन और गंधहीन गैस। प्राकृतिक हाइड्रोजन में दो स्थिर समस्थानिक होते हैं: 3he और 4he (4he की सामग्री तेजी से प्रबल होती है)।

जी. की खोज सबसे पहले पृथ्वी पर नहीं, जहां इसकी बहुत कम है, बल्कि सूर्य के वातावरण में हुई थी। 1868 में फ्रांसीसी जे. जेन्सन और अंग्रेज जे.एन. लॉकयर ने स्पेक्ट्रोस्कोपिक रूप से सौर प्रमुखताओं की संरचना का अध्ययन किया। उन्हें प्राप्त छवियों में एक चमकदार पीली रेखा (तथाकथित डी 3-लाइन) थी, जिसे उस समय ज्ञात किसी भी तत्व के लिए जिम्मेदार नहीं ठहराया जा सकता था। 1871 में, लॉकयर ने सूर्य पर एक नए तत्व की उपस्थिति से इसकी उत्पत्ति की व्याख्या की, जिसे हीलियम (ग्रीक हेलिओस - सन से) कहा जाता था। जी. को पहली बार 1895 में अंग्रेज़ डब्ल्यू. रामसे द्वारा रेडियोधर्मी खनिज क्लीवेट से पृथ्वी पर पृथक किया गया था। क्लीवेट को गर्म करने के दौरान निकलने वाली गैस के स्पेक्ट्रम में भी यही रेखा दिखाई दी।

प्रकृति में हीलियम। पृथ्वी पर हाइड्रोजन दुर्लभ है: 1 m3 हवा में केवल 5.24 cm3 हाइड्रोजन होता है, और प्रत्येक किलोग्राम स्थलीय सामग्री में 0.003 mg हाइड्रोजन होता है। ब्रह्मांड में प्रसार के संदर्भ में, हाइड्रोजन हाइड्रोजन के बाद दूसरा स्थान लेता है: हाइड्रोजन लगभग 23% है। ब्रह्मांडीय द्रव्यमान।

पृथ्वी पर, हाइड्रोजन (अधिक सटीक रूप से, आइसोटोप 4he) यूरेनियम, थोरियम और अन्य रेडियोधर्मी तत्वों के क्षय के दौरान लगातार बनता है (कुल मिलाकर, पृथ्वी की पपड़ी में लगभग 29 रेडियोधर्मी समस्थानिक होते हैं जो 4he का उत्पादन करते हैं)।

सभी भूविज्ञान का लगभग आधा पृथ्वी की पपड़ी में केंद्रित है, मुख्य रूप से इसके ग्रेनाइट खोल में, जो रेडियोधर्मी तत्वों के मुख्य भंडार को जमा करता है। पृथ्वी की पपड़ी में जी. की सामग्री छोटी है - वजन के हिसाब से 3 · 10-7%। जी। आंतों और तेलों में मुक्त गैस संचय में जमा होता है; इस तरह के जमा एक औद्योगिक पैमाने तक पहुंचते हैं। हाइड्रोजन की अधिकतम सांद्रता (10-13%) यूरेनियम खदानों से मुक्त गैस संचय और गैसों में और (20-25%) भूजल से अनायास निकली गैसों में पाई गई। गैस-असर वाली तलछटी चट्टानों की उम्र जितनी अधिक होती है और उनमें रेडियोधर्मी तत्वों की मात्रा जितनी अधिक होती है, प्राकृतिक गैसों की संरचना में हाइड्रोजन की मात्रा उतनी ही अधिक होती है। ज्वालामुखी गैसों को आमतौर पर जी की कम सामग्री की विशेषता होती है।

औद्योगिक पैमाने पर गैस का उत्पादन हाइड्रोकार्बन और नाइट्रोजन संरचना दोनों की प्राकृतिक और पेट्रोलियम गैसों से होता है। कच्चे माल की गुणवत्ता के अनुसार, हीलियम जमा में विभाजित हैं: समृद्ध (वह सामग्री> मात्रा द्वारा 0.5%); साधारण (0.10-0.50) और गरीब< 0,10). В СССР природный Г. содержится во многих нефтегазовых месторождениях. Значительные его концентрации известны в некоторых месторождениях природного газа Канады, США (шт. Канзас, Техас, Нью-Мексико, Юта).

किसी भी मूल के प्राकृतिक हाइड्रॉक्साइड में (वायुमंडलीय, प्राकृतिक गैसों से, रेडियोधर्मी खनिजों, उल्कापिंड, आदि से), 4he समस्थानिक प्रबल होता है। 3he की सामग्री आमतौर पर कम होती है (हाइड्रोक्लोरिक एसिड के स्रोत के आधार पर, यह 1.3 × 10–4 से 2 × 10–8% तक होती है), और केवल उल्कापिंडों से पृथक हाइड्रोजन में यह 17–31.5% तक पहुंचता है। रेडियोधर्मी क्षय के दौरान 4he के गठन की दर कम है: ग्रेनाइट के 1 टन में, उदाहरण के लिए, 3 ग्राम यूरेनियम और 15 ग्राम थोरियम, 1 मिलीग्राम हाइड्रोजन 7.9 मिलियन वर्षों में बनता है; हालाँकि, चूंकि यह प्रक्रिया लगातार आगे बढ़ती है, इसलिए पृथ्वी के अस्तित्व के दौरान यह सुनिश्चित करना चाहिए था कि वायुमंडल, स्थलमंडल और जलमंडल में हाइड्रॉक्साइड की सामग्री वर्तमान की तुलना में बहुत अधिक है (यह लगभग 5 x 1014 m3 है)। G. की इस तरह की कमी को वातावरण से इसके निरंतर वाष्पीकरण द्वारा समझाया गया है। गुरुत्वाकर्षण के हल्के परमाणु, वायुमंडल की ऊपरी परतों में गिरते हुए, धीरे-धीरे वहां ब्रह्मांडीय गति से अधिक गति प्राप्त कर लेते हैं और इस तरह पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण बलों को दूर करने में सक्षम हो जाते हैं। हाइड्रोक्लोरिक एसिड के एक साथ गठन और वाष्पीकरण इस तथ्य की ओर ले जाता है कि वातावरण में इसकी एकाग्रता व्यावहारिक रूप से स्थिर है।

3he समस्थानिक, विशेष रूप से, भारी हाइड्रोजन समस्थानिक - ट्रिटियम (T) के बीटा क्षय के दौरान वातावरण में बनता है, जो बदले में, वायु नाइट्रोजन के साथ ब्रह्मांडीय विकिरण न्यूट्रॉन की बातचीत के दौरान उत्पन्न होता है:

4he परमाणु के नाभिक (2 प्रोटॉन और 2 न्यूट्रॉन से मिलकर), जिसे अल्फा कण या हीलियन कहा जाता है, यौगिक नाभिकों में सबसे अधिक स्थिर होते हैं। 4he में न्यूक्लियंस (प्रोटॉन और न्यूट्रॉन) की बाध्यकारी ऊर्जा अन्य तत्वों (28.2937 MeV) के नाभिक की तुलना में अधिकतम मान रखती है; इसलिए, हाइड्रोजन नाभिक (प्रोटॉन) 1H से 4he नाभिक का निर्माण भारी मात्रा में ऊर्जा की रिहाई के साथ होता है। यह माना जाता है कि यह परमाणु प्रतिक्रिया: 41h = 4he + 2b + + 2n [एक साथ 4he, 2 पॉज़िट्रॉन (b +) और 2 न्यूट्रिनो (n) बनते हैं] सूर्य और अन्य समान सितारों के लिए ऊर्जा के मुख्य स्रोत के रूप में कार्य करते हैं। . इस प्रक्रिया के लिए धन्यवाद, ब्रह्मांड में जी का बहुत महत्वपूर्ण भंडार जमा होता है।

भौतिक और रासायनिक गुण . सामान्य परिस्थितियों में, गैस एक मोनोआटोमिक गैस है, रंगहीन और गंधहीन। घनत्व 0.17846 g/l, tkip - 268.93°C. G. एकमात्र ऐसा तत्व है जो सामान्य दबाव में तरल अवस्था में जमता नहीं है, चाहे वह कितनी भी गहराई तक ठंडा क्यों न हो। तरल जिप्सम के ठोस 2.5 MN/m2 (25 पूर्वाह्न) में संक्रमण के लिए न्यूनतम दबाव, जबकि गलन -272.1°C है। तापीय चालकता (0 डिग्री सेल्सियस पर) 143.8 10-3 डब्ल्यू / सेमी (के। विभिन्न तरीकों से निर्धारित जी परमाणु की त्रिज्या, 0.85 से 1.33 तक होती है। 20 डिग्री सेल्सियस पर 1 लीटर पानी में, लगभग 8 8 एमएल जी। जी की प्राथमिक आयनीकरण ऊर्जा किसी भी अन्य तत्व की तुलना में अधिक है - 39.38 10-13 जे (24.58 ईवी), जी में कोई इलेक्ट्रॉन आत्मीयता नहीं है तरल जी, केवल 4he से मिलकर, कई अद्वितीय गुण प्रदर्शित करता है (नीचे देखें)।

अब तक, गैस के स्थिर रासायनिक यौगिकों को प्राप्त करने के प्रयास विफल रहे हैं (अक्रिय गैसें देखें)। डिस्चार्ज में he2+ आयन का अस्तित्व स्पेक्ट्रोस्कोपिक रूप से सिद्ध हो गया था। 1967 में, सोवियत शोधकर्ता वी.पी. बोचिन, एन.वी. ज़ाकुरिन, और वी.के. कपिशेव ने फ्लोरीन, bf3, या ruf5 के साथ हाइड्रोजन की प्रतिक्रिया के कारण चाप निर्वहन के क्षेत्र में hef+, hef22+, और hef2+ आयनों के संश्लेषण की सूचना दी। गणना के अनुसार, hef+ आयन की वियोजन ऊर्जा 2.2 eV है।

रसीद और आवेदन। उद्योग में, हीलियम युक्त प्राकृतिक गैसों से गैस प्राप्त की जाती है (वर्तमान में> 0.1% गैस युक्त जमा का मुख्य रूप से शोषण किया जाता है)। जी. को अन्य गैसों से डीप कूलिंग की विधि द्वारा अलग किया जाता है, इस तथ्य का उपयोग करते हुए कि अन्य सभी गैसों की तुलना में द्रवीकरण करना अधिक कठिन है।

इसकी जड़ता के कारण, सक्रिय धातुओं के पिघलने, काटने और वेल्डिंग में एक सुरक्षात्मक वातावरण बनाने के लिए हाइड्रोजन का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। G. एक अन्य अक्रिय गैस, आर्गन की तुलना में कम विद्युत प्रवाहकीय है, और इसलिए G के वातावरण में एक विद्युत चाप उच्च तापमान देता है, जो चाप वेल्डिंग की गति को काफी बढ़ा देता है। इसके कम घनत्व के कारण, इसकी ज्वलनशीलता के साथ मिलकर, समताप मंडल के गुब्बारों को भरने के लिए गैस का उपयोग किया जाता है। हाइड्रोजन की उच्च तापीय चालकता, इसकी रासायनिक जड़ता, और न्यूट्रॉन के साथ परमाणु प्रतिक्रिया में प्रवेश करने की बेहद कम क्षमता परमाणु रिएक्टरों को ठंडा करने के लिए हाइड्रोजन का उपयोग करना संभव बनाती है। लिक्विड जी पृथ्वी पर सबसे ठंडा तरल है और विभिन्न वैज्ञानिक अध्ययनों में रेफ्रिजरेंट के रूप में कार्य करता है। उनकी पूर्ण आयु निर्धारित करने के तरीकों में से एक रेडियोधर्मी खनिजों में रेडियोधर्मी खनिजों की सामग्री को निर्धारित करने पर आधारित है (जियोक्रोनोलॉजी देखें)। इस तथ्य के कारण कि हाइड्रोजन रक्त में बहुत खराब घुलनशील है, इसका उपयोग गोताखोरों द्वारा सांस लेने के लिए आपूर्ति की जाने वाली कृत्रिम हवा के एक अभिन्न अंग के रूप में किया जाता है (नाइट्रोजन को हाइड्रोजन के साथ बदलने से डीकंप्रेसन बीमारी की घटना को रोकता है)। अंतरिक्ष यान केबिन के वातावरण में गैस के उपयोग की संभावनाओं का भी अध्ययन किया जा रहा है।

एस। एस। बर्डोनोसोव, वी। पी। याकुत्सेनी।

हीलियम तरल। हाइड्रोजन परमाणुओं की अपेक्षाकृत कमजोर अंतःक्रिया इस तथ्य की ओर ले जाती है कि यह किसी भी अन्य गैस की तुलना में कम तापमान पर गैसीय रहता है। अधिकतम तापमान जिसके नीचे इसे द्रवित किया जा सकता है (इसका महत्वपूर्ण तापमान tk) 5.20 K है। तरल हाइड्रोजेल एकमात्र गैर-ठंड तरल है: सामान्य दबाव (चित्र 1) पर, हाइड्रोजेल मनमाने ढंग से कम तापमान पर तरल रहता है और केवल जम जाता है। 2.5 एमएन/एम2 (25 पूर्वाह्न) से अधिक दबाव।

तापमान tλ = 2.19 K और सामान्य दबाव पर, तरल हाइड्रोजेल दूसरे क्रम के चरण संक्रमण से गुजरता है। G. इस तापमान से ऊपर को He i, नीचे - He ii कहा जाता है। चरण संक्रमण तापमान पर, गर्मी क्षमता में एक विषम वृद्धि, हाइड्रोजनीकरण के घनत्व की तापमान निर्भरता की वक्र में एक किंक और अन्य विशिष्ट घटनाएं देखी जाती हैं।

1938 में, P. L. Kapitsa ने He ii में सुपरफ्लुइडिटी की खोज की - चिपचिपाहट के बिना व्यावहारिक रूप से बहने की क्षमता। इस घटना की व्याख्या एल डी लांडौ (1941) द्वारा तरल हाइड्रोथर्मल द्रव में तापीय गति की प्रकृति की क्वांटम-यांत्रिक अवधारणाओं के आधार पर दी गई थी।

कम तापमान पर, इस गति को प्राथमिक उत्तेजनाओं के तरल हाइड्रोडायनामिक्स में अस्तित्व के रूप में वर्णित किया गया है - ऊर्जा के साथ फोनन (ध्वनि क्वांटा) ई = एचवी (वी ध्वनि की आवृत्ति है, एच प्लैंक स्थिर है) और गति पी = ई / सी (सी = 240 मीटर/सेकंड - ध्वनि की गति)। फ़ोनों की संख्या और ऊर्जा बढ़ते तापमान T के साथ बढ़ती है। t> 0.6 K पर, उच्च ऊर्जा (रोटन) के साथ उत्तेजना दिखाई देती है, जिसके लिए e(p) निर्भरता अरेखीय है। फोनोन और रोटोन में गति होती है और इसलिए द्रव्यमान होता है। 1 सेमी के संदर्भ में, यह द्रव्यमान तथाकथित के घनत्व rn को निर्धारित करता है। तरल G के सामान्य घटक का। कम तापमान पर, rn T -> 0 पर शून्य हो जाता है। सामान्य घटक की गति, जैसे कि सामान्य गैस की गति में एक चिपचिपा चरित्र होता है। शेष तरल जी।, तथाकथित। सुपरफ्लुइड घटक, बिना घर्षण के चलता है; इसका घनत्व ps = p - pn है। T -> tλ pn -> pr पर, ताकि λ-बिंदु ps पर गायब हो जाए और अतिप्रवाहता गायब हो जाए (मैं एक साधारण चिपचिपा तरल नहीं है)।

इस प्रकार, द्रव G में भिन्न-भिन्न वेगों वाली दो गतियाँ एक साथ हो सकती हैं।

इन विचारों के आधार पर, कई देखे गए प्रभावों की व्याख्या करना संभव है: जब वह ii एक संकीर्ण केशिका के माध्यम से एक बर्तन से बाहर निकलता है, तो बर्तन में तापमान बढ़ जाता है, क्योंकि यह मुख्य रूप से सुपरफ्लुइड घटक है जो बहता है जो इसके साथ गर्मी नहीं लेता है (तथाकथित मैकेनोकैलोरिक प्रभाव); जब He ii के साथ एक बंद केशिका के सिरों के बीच एक तापमान अंतर बनाया जाता है, तो उसमें गति होती है (थर्मोमैकेनिकल प्रभाव) - सुपरफ्लुइड घटक ठंडे छोर से गर्म एक की ओर बढ़ता है और वहां यह एक सामान्य में बदल जाता है, जो आगे बढ़ता है , जबकि कुल प्रवाह अनुपस्थित है। द्रव G में दो प्रकार की ध्वनि का प्रसार हो सकता है - साधारण और तथाकथित। दूसरी ध्वनि। जब दूसरी ध्वनि उन जगहों पर फैलती है जहां सामान्य घटक केंद्रित होता है, तो सुपरफ्लुइड घटक दुर्लभ होता है।

उपरोक्त सभी साधारण हाइड्रोजन पर लागू होते हैं, जिसमें मुख्य रूप से 4he समस्थानिक होते हैं। दुर्लभ समस्थानिक 3he में क्वांटम गुण 4he से भिन्न होते हैं)। तरल 3he भी एक गैर-ठंड तरल (tk = 3.33 K) है, लेकिन सुपरफ्लुइड नहीं: 3he की चिपचिपाहट घटते तापमान के साथ अनिश्चित काल तक बढ़ जाती है।

लिट।: कीज़ोम वी।, हीलियम, ट्रांस। अंग्रेजी से, एम।, 1949; Fastovsky V. G., Rovinsky A. E., Petrovsky Yu. V., Inert Gases, M., 1964; खलातनिकोव आई.एम., सुपरफ्लुइडिटी के सिद्धांत का परिचय, मॉस्को, 1965; स्मिरनोव यू.एन., हीलियम निरपेक्ष शून्य के पास, "नेचर", 1967, नंबर 10, पी। 70; याकुत्सेनी, वी.पी., हीलियम भूविज्ञान, लेनिनग्राद, 1968। यह भी देखें। कला के लिए। अक्रिय गैसें।

हीलियम, हे (अव्य। हीलियम, ग्रीक से। हेलिओस - सूर्य, क्योंकि यह पहली बार सौर स्पेक्ट्रम में खोजा गया था * ए। हीलियम; एन। हीलियम; एफ। हीलियम; और। हेलियो), - आठवीं समूह का एक तत्व मेंडेलीव की आवधिक प्रणाली का, अक्रिय गैसों, परमाणु संख्या 2, परमाणु द्रव्यमान 4.0026 को संदर्भित करता है। प्राकृतिक हीलियम में दो स्थिर समस्थानिक 3 He और 4 He होते हैं। इसकी खोज 1868 में फ्रांसीसी खगोलशास्त्री जे. जानसेन और अंग्रेजी खगोलशास्त्री जे.एन. लॉकयर ने सौर प्रमुखता के एक स्पेक्ट्रोस्कोपिक अध्ययन के दौरान की थी। हीलियम को पहली बार 1895 में अंग्रेजी भौतिक विज्ञानी डब्ल्यू। रामसे ने रेडियोधर्मी खनिज क्लीवेट से अलग किया था।

हीलियम गुण

सामान्य परिस्थितियों में, हीलियम एक रंगहीन और गंधहीन गैस है। 0.178 किग्रा / मी 3, उबलते टी - 268.93 डिग्री सेल्सियस। हीलियम एकमात्र ऐसा तत्व है जो सामान्य दबाव में तरल अवस्था में जमता नहीं है, चाहे वह कितनी भी गहराई से ठंडा हो। 1938 में, सोवियत भौतिक विज्ञानी पी. एल. कपित्सा ने 4 He- चिपचिपाहट के बिना बहने की क्षमता में सुपरफ्लुइडिटी की खोज की। तरल हीलियम को ठोस में स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक न्यूनतम दबाव 2.5 एमपीए है, जबकि पिघलने टी 272.1 डिग्री सेल्सियस है। (0°С पर) 2.1.10 -2 W/m.K. हीलियम अणु में एक परमाणु होता है, इसकी त्रिज्या 0.085 (नेट) से 0.133 एनएम (वैन डेर वाल्स) (0.85-1.33 ई) तक होती है, लगभग 8.8 मिलीलीटर हीलियम 20 डिग्री सेल्सियस पर 1 लीटर पानी में घुल जाता है। हीलियम प्राप्त नहीं हुआ है।

प्रकृति में हीलियम

ब्रह्मांड में व्यापकता के संदर्भ में, हीलियम दूसरे स्थान पर है। पृथ्वी पर थोड़ा हीलियम है: 1 मीटर 3 हवा में 5.24 सेमी 3 हीलियम होता है, औसत सामग्री 3.10 -7% होती है। स्ट्रैटल लिथोस्फीयर में हीलियम के 3 आनुवंशिक घटक होते हैं - रेडियोजेनिक, प्राइमर्डियल और वायुमंडलीय हीलियम। रेडियोजेनिक हीलियम हर जगह भारी तत्वों और विभिन्न परमाणु प्रतिक्रियाओं के रेडियोधर्मी परिवर्तनों के दौरान बनता है, प्राइमवल हीलियम गहरी चट्टानों से लिथोस्फीयर में प्रवेश करता है, जिसने प्राइमवल हीलियम को रोक दिया है और इसे ग्रह के गठन के बाद से संरक्षित किया है, और अंतरिक्ष से ब्रह्मांडीय धूल, उल्कापिंडों के साथ, आदि। वायुमंडलीय हीलियम तलछटजनन की प्रक्रियाओं के साथ-साथ सतही जल में घुसपैठ के दौरान हवा से वर्षा में प्रवेश करता है।

रेडियोजेनिक हीलियम में अनुपात 3 He / 4 He का मान n. 1.4.10 -6 है। 4 वह आइसोटोप स्थलीय हीलियम में पूरी तरह से हावी है। 4 की मुख्य मात्रा प्राकृतिक रेडियोधर्मी तत्वों (रेडियोआइसोटोप, एक्टिनोरेनियम और) के क्षय के दौरान बनाई गई थी। लिथोस्फीयर में 4 He और 3 He के गठन के महत्वहीन स्रोत परमाणु प्रतिक्रियाएं (लिथियम का न्यूट्रॉन विखंडन, आदि), ट्रिटियम क्षय, आदि हैं। रेडियोजेनिक 4 He 3 He / 4 He = (2±1)।10 -8। विवर्तनिक रूप से परेशान पृथ्वी की पपड़ी (रिफ्ट ज़ोन, गहरे दोष, विस्फोटक उपकरण, टेक्टोनोमैग्मैटिक या भूकंपीय गतिविधि के साथ, आदि) की विशेषता 3 He 3 He / 4 He = n.10 -5 की बढ़ी हुई मात्रा है। अन्य भूवैज्ञानिक संरचनाओं के लिए, जलाशय गैसों और तरल पदार्थों में अनुपात 3 He / 4 He 10 -8 -10 -7 के भीतर भिन्न होता है। मेंटल और क्रस्टल हीलियम में 3He / 4He आइसोटोप-हीलियम अनुपात में अंतर गहरे तरल पदार्थ और मेंटल के बीच वर्तमान संबंध का एक संकेतक है। हीलियम की लपट, जड़ता और उच्च पारगम्यता के कारण, अधिकांश चट्टान बनाने वाले इसे बनाए नहीं रखते हैं, और हीलियम चट्टानों के फ्रैक्चर-पोर रिक्त स्थान के माध्यम से पलायन करता है, उन्हें भरने वाले तरल पदार्थों में घुल जाता है, कभी-कभी मुख्य गठन से बहुत दूर होता है। क्षेत्र।

हीलियम सभी गैसों में एक अनिवार्य अशुद्धता है जो पृथ्वी की पपड़ी में स्वतंत्र संचय बनाती है या प्राकृतिक गैस जेट के रूप में बाहर जाती है। आमतौर पर हीलियम अन्य गैसों के साथ एक नगण्य मिश्रण है; दुर्लभ मामलों में, इसकी मात्रा कई% (मात्रा से) तक पहुंच जाती है; हीलियम की अधिकतम सांद्रता भूमिगत गैस संचय (8-10%), यूरेनियम गैसों (10-13%) और पानी में घुलने वाली गैसों (18-20%) में पाई गई।

हीलियम प्राप्त करना

उद्योग में, हीलियम को डीप कूलिंग (-190 डिग्री सेल्सियस से नीचे) द्वारा हीलियम युक्त गैसों से प्राप्त किया जाता है, एक छोटी राशि - वायु पृथक्करण संयंत्रों के संचालन के दौरान। इस मामले में, मुख्य गैस घटक संघनित (जमे हुए) होते हैं, और शेष हीलियम सांद्रता हाइड्रोजन से शुद्ध होती है और। हीलियम निकालने की डिफ्यूज़ विधियाँ भी विकसित की जा रही हैं।

हीलियम का परिवहन और भंडारण - अत्यधिक सील कंटेनरों में। पहली और दूसरी श्रेणी के हीलियम को आमतौर पर विभिन्न क्षमताओं के स्टील सिलेंडरों में ले जाया जाता है, आमतौर पर 40 लीटर तक, 15 एमपीए तक के दबाव में। भूमिगत नमक कक्षों में हीलियम के भंडारण की भी व्यवस्था की जाती है, और कच्ची हीलियम (लगभग 60% He और 40% N 2) को भूमिगत गैस संरचनाओं में संग्रहित किया जाता है। लंबी दूरी पर, हीलियम को विशेष रूप से सुसज्जित वाहनों के साथ-साथ गैस पाइपलाइनों (उदाहरण के लिए, यूएसए में) का उपयोग करके संपीड़ित और तरल रूप में आपूर्ति की जाती है।

हीलियम का उपयोग

हीलियम का उपयोग इसके अद्वितीय गुणों पर आधारित है जैसे पूर्ण जड़ता (हीलियम वातावरण में वेल्डिंग, अल्ट्राप्योर और सेमीकंडक्टर सामग्री का उत्पादन, श्वास मिश्रण में योजक, आदि), उच्च पारगम्यता (उच्च और निम्न दबाव वाले उपकरणों में रिसाव डिटेक्टर)। हीलियम एकमात्र रासायनिक तत्व है जो सभी प्रकार के अतिचालक प्रणालियों और प्रतिष्ठानों (क्रायोएनेर्जी) के लिए आवश्यक अति-निम्न तापमान प्राप्त करना संभव बनाता है। तरल हीलियम वैज्ञानिक अनुसंधान में एक रेफ्रिजरेंट है।

हीलियम एक रासायनिक तत्व है जिसका परमाणु क्रमांक 2 रासायनिक तत्वों की आवर्त सारणी D.I में है। मेंडेलीव। रासायनिक सूत्र एच। हीलियम एक अक्रिय गैस, रंगहीन और गंधहीन है।

ब्रह्मांड में हीलियम बहुत आम है। यह हाइड्रोजन के बाद दूसरे स्थान पर है। लेकिन पृथ्वी पर बहुत कम हीलियम है।

हीलियम किसी भी रासायनिक तत्व के साथ प्रतिक्रिया नहीं करता है। इसके परमाणु आपस में जुड़ते भी नहीं हैं। हीलियम नहीं जलता।

हीलियम की खोज

हीलियम की खोज 1868 में सूर्य ग्रहण के दौरान हुई थी। इसके अलावा, यह खोज दो खगोलविदों - फ्रांसीसी पियरे जूल्स जेन्सन और अंग्रेज जोसेफ नॉर्मन लॉकयर द्वारा एक साथ की गई थी। सौर कोरोना के स्पेक्ट्रम में, दोनों ने स्वतंत्र रूप से एक पीली रेखा की खोज की जो उस समय ज्ञात किसी भी तत्व से संबंधित नहीं थी। लॉकयर ने 1871 में सुझाव दिया कि सूर्य पर एक नया रासायनिक तत्व मौजूद है। और 1895 में स्कॉटिश केमिस्ट विलियम रामसे ने सबसे पहले गैस को अलग किया रेडियोधर्मी खनिज क्लीवेट से. ठीक वैसी ही पीली रेखा इस गैस के स्पेक्ट्रम में मौजूद थी। नए तत्व को एक नाम दिया गया थाहेलियोस सूर्य है।

हीलियम प्राप्त करना

हीलियम प्राकृतिक हीलियम-असर वाली गैसों से गहरी शीतलन द्वारा प्राप्त किया जाता है। हीलियम निष्कर्षण दो चरणों में किया जाता है। पहला चरण कम तापमान पर संघनन द्वारा हीलियम सांद्रण का उत्पादन है। और दूसरा चरण मीथेन, हाइड्रोजन, नाइट्रोजन, नियॉन, आर्गन से हीलियम सांद्रण की शुद्धि है।

सभी प्रमुख विश्व हीलियम भंडार अल्जीरिया, कतर, संयुक्त राज्य अमेरिका और रूस में स्थित हैं। हीलियम का सबसे बड़ा उत्पादक अमेरिका है। रूस में लिटिल हीलियम का उत्पादन होता है, क्योंकि इसका मुख्य भंडार सुदूर पूर्व और पूर्वी साइबेरिया के अल्प विकसित क्षेत्रों में स्थित है।

हीलियम अनुप्रयोग

हीलियम में उच्च विद्युत और तापीय चालकता होती है। इसके अलावा, इसका क्वथनांक बहुत कम है, शून्य से 268.94 o C.

हीलियम का दायरा बहुत विस्तृत है।

ऑक्सीजन के साथ गैसीय हीलियम के मिश्रण का उपयोग अस्थमा के हमलों को दूर करने के लिए किया जाता है। हीलियम रक्त में नाइट्रोजन की तुलना में बहुत कम घुलनशील होता है। इसलिए, अंतरिक्ष यान और स्टेशनों के लिए एक कृत्रिम वातावरण बनाने के लिए गहरे समुद्र में गोताखोरी के दौरान गोताखोरों को आपूर्ति किए गए श्वास मिश्रण में इसका उपयोग किया जाता है।

फीडस्टॉक या परिणामी उत्पाद की वायु गैसों के साथ प्रतिक्रिया करने की संभावना के कारण उत्पादन में कई तकनीकी प्रक्रियाओं को वायु वातावरण में नहीं किया जा सकता है। और यहां गैसीय हीलियम बचाव के लिए आता है, जिसकी मदद से विशेष सुरक्षात्मक वातावरण बनाए जाते हैं।

परमाणु ईंधन प्राप्त करने के अलग-अलग चरण हीलियम सुरक्षात्मक वातावरण में होते हैं। परमाणु रिएक्टरों के ईंधन तत्वों को भी जेल से भरे कंटेनरों में ले जाया और संग्रहीत किया जाता है। हीलियम का उपयोग परमाणु रिएक्टरों में रिसाव का पता लगाने के लिए किया जाता है। हीलियम का उपयोग गैस थर्मामीटर, उच्च वोल्टेज स्विच, न्यूट्रॉन काउंटर और बीयरिंग के गैस स्नेहन के लिए किया जाता है।

अक्रिय माध्यम के रूप में हीलियम का उपयोग चाप वेल्डिंग में किया जाता है।

हवाई पोत और गुब्बारे हीलियम से भरे हुए हैं।

हीलियम गैर विषैले है। और हवा के साथ हीलियम की थोड़ी मात्रा में सांस लेना हानिरहित है।