รัศมีฮีเลียม ฮีเลียม: คุณสมบัติลักษณะการใช้งาน

เมื่อวันที่ 18 สิงหาคม พ.ศ. 2411 ปิแอร์ แจนเซน นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสในช่วงที่สมบูรณ์ สุริยุปราคาในเมืองกุนตูร์ของอินเดีย เขาได้สำรวจโครโมสเฟียร์ของดวงอาทิตย์เป็นครั้งแรก สเปกโทรสโกปีของความโดดเด่นของดวงอาทิตย์ ร่วมกับเส้นไฮโดรเจน สีน้ำเงิน น้ำเงินเขียว และแดง เผยให้เห็นเส้นสีเหลืองสว่างมาก ซึ่งเริ่มแรกถ่ายโดยแจนเซนและนักดาราศาสตร์คนอื่นๆ ที่สังเกตว่าเป็นเส้นโซเดียม D นอร์แมน ล็อคเยอร์ นักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษได้ค้นพบเส้นสีเหลืองที่ไม่รู้จักในสเปกตรัมที่มีความยาวคลื่น 587.56 นาโนเมตร โดยอิสระ และกำหนดให้เป็นเส้น D3 อีกสองปีต่อมา Lockyer ร่วมกับนักเคมีชาวอังกฤษ Edward Frankland ได้ข้อสรุปว่าเส้นสีเหลืองสดใสนี้ไม่ได้เป็นขององค์ประกอบทางเคมีใด ๆ ที่รู้จักก่อนหน้านี้ และเสนอให้ตั้งชื่อองค์ประกอบใหม่ว่า "ฮีเลียม" (จากภาษากรีก ฮลิออซ- "ดวงอาทิตย์").

อยู่ในธรรมชาติได้รับ:

ฮีเลียมมีปริมาณมากเป็นอันดับสองในจักรวาลรองจากไฮโดรเจน - ประมาณ 23% โดยมวล อย่างไรก็ตาม ฮีเลียมนั้นหาได้ยากบนโลก เนื่องจากการสลายอัลฟ่าของธาตุหนัก ภายในกลุ่มที่ 8 มีปริมาณฮีเลียมเข้า เปลือกโลกอันดับที่สอง (รองจากอาร์กอน) ปริมาณสำรองฮีเลียมในชั้นบรรยากาศ เปลือกโลก และไฮโดรสเฟียร์อยู่ที่ประมาณ 5·10 14 ลบ.ม. ก๊าซธรรมชาติที่มีฮีเลียมมักจะมีฮีเลียมมากถึง 2% โดยปริมาตร (ไม่ค่อยมี 8-16%) ปริมาณฮีเลียมโดยเฉลี่ยในสสารบนบกคือ 3 กรัม/ตัน ความเข้มข้นสูงสุดของฮีเลียมพบได้ในแร่ธาตุที่มียูเรเนียม ทอเรียม และซาแมเรียม: เคลฟไนต์ เฟอร์กูโซไนต์ ซามาร์สไคต์ แกโดลิไนต์ โมนาไซต์ (ทรายโมนาไซต์ในอินเดียและบราซิล) ทอเรียนไนต์ ปริมาณฮีเลียมในแร่ธาตุเหล่านี้คือ 0.8-3.5 ลิตร/กก. และในทอเรียนไนต์มีถึง 10.5 ลิตร/กก. ฮีเลียมธรรมชาติประกอบด้วยไอโซโทปเสถียร 2 ไอโซโทป: 4 He และ 3 He รู้จักของปลอมอีกหกชิ้น ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีฮีเลียม
ในอุตสาหกรรม ฮีเลียมได้มาจากก๊าซธรรมชาติที่มีฮีเลียม

คุณสมบัติทางกายภาพ:

สารฮีเลียมอย่างง่ายไม่มีพิษ ไม่มีสี ไม่มีกลิ่น และไม่มีรส ที่ สภาวะปกติเป็นก๊าซโมเลกุลเดี่ยว Tbp = 4.2K (เล็กที่สุดในบรรดาก๊าซทั้งหมด สารง่ายๆ). ที่ความดันบรรยากาศ จะไม่เปลี่ยนเป็นสถานะของแข็งแม้ที่อุณหภูมิใกล้กับศูนย์สัมบูรณ์ก็ตาม
ภายใต้สภาวะปกติ ฮีเลียมจะมีพฤติกรรมเกือบเหมือนก๊าซในอุดมคติ ความหนาแน่น 0.17847 กก./ลบ.ม. มีค่าการนำความร้อน (0.1437 W/(m K) ที่ศูนย์) มากกว่าค่าการนำความร้อนของก๊าซอื่นๆ ยกเว้นไฮโดรเจน ดัชนีการหักเหของฮีเลียมมีความใกล้เคียงกับเอกภาพมากกว่าดัชนีการหักเหของก๊าซอื่นๆ ฮีเลียมละลายในน้ำได้น้อยกว่าก๊าซอื่นๆ ที่รู้จัก (ที่ 20°C ประมาณ 8.8 มล./ลิตร) อัตราการแพร่กระจายผ่านวัสดุแข็งสูงกว่าอากาศสามเท่าและสูงกว่าไฮโดรเจนประมาณ 65%
เมื่อกระแสไหลผ่านท่อที่เต็มไปด้วยฮีเลียม จะสังเกตการปล่อยสีต่างๆ ขึ้นอยู่กับแรงดันแก๊สในท่อเป็นหลัก

คุณสมบัติทางเคมี:

ฮีเลียมเป็นองค์ประกอบที่มีฤทธิ์ทางเคมีน้อยที่สุดในกลุ่มที่แปดของตารางธาตุ ในสถานะก๊าซ มันสามารถก่อตัว (ภายใต้การกระทำของการปล่อยประจุไฟฟ้าหรือรังสีอัลตราไวโอเลต) ที่เรียกว่าโมเลกุลเอ็กไซเมอร์ ซึ่งสถานะทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ถูกตื่นเต้นจะเสถียรและสถานะพื้นดินไม่เสถียร: ไดอะตอมมิก He 2 โมเลกุล, HeF ฟลูออไรด์, HeCl คลอไรด์ อายุการใช้งานของอนุภาคดังกล่าวนั้นสั้นมาก โดยปกติจะใช้เวลาสองสามนาโนวินาที แตกต่างจากก๊าซอื่นๆ ฮีเลียมไม่ก่อให้เกิดคลาเทรต เนื่องจากอะตอมฮีเลียมขนาดเล็กจะ "หลบหนี" จากช่องว่างในโครงสร้างของน้ำที่มีขนาดใหญ่เกินไปสำหรับพวกมัน

แอปพลิเคชัน:

คุณสมบัติเฉพาะของฮีเลียมมีการใช้กันอย่างแพร่หลาย:
- ในโลหะวิทยาเป็นก๊าซเฉื่อยป้องกันสำหรับการถลุงโลหะบริสุทธิ์
- จดทะเบียนในอุตสาหกรรมอาหารเป็นวัตถุเจือปนอาหาร E939 เป็นก๊าซขับเคลื่อนและบรรจุภัณฑ์
- เป็นสารทำความเย็นสำหรับรับอุณหภูมิต่ำเป็นพิเศษ
- สำหรับบรรจุเรือบิน (เรือเหาะ) ลูกโป่งและเปลือกบอลลูนอากาศ
- เป็นสารหล่อเย็นในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์บางประเภท
- เป็นตัวพาในแก๊สโครมาโตกราฟี
- เพื่อค้นหารอยรั่วในท่อและหม้อไอน้ำ
- สำหรับเติมท่อระบายก๊าซ
- เป็นส่วนประกอบของของไหลทำงานในเลเซอร์ฮีเลียมนีออน
- ในเทคโนโลยีการกระเจิงนิวตรอนในฐานะโพลาไรเซอร์และตัวเติมสำหรับเครื่องตรวจจับนิวตรอนที่ไวต่อตำแหน่ง
- ในการหายใจแบบผสมสำหรับการดำน้ำใต้ทะเลลึก
- เพื่อเปลี่ยนเสียงต่ำของสายเสียง (ผลของระดับเสียงที่เพิ่มขึ้น) เนื่องจากความแตกต่างในความหนาแน่นของส่วนผสมอากาศและฮีเลียมตามปกติ ฯลฯ
- 3 นิวไคลด์เป็นเชื้อเพลิงที่มีศักยภาพสำหรับพลังงานแสนสาหัส

ฮีเลียม – องค์ประกอบทางเคมีมีสัญลักษณ์ He และเลขอะตอม 2 เป็นก๊าซไม่มีสี ไม่มีกลิ่น ไม่มีรส ไม่มีพิษ เฉื่อย มีอะตอมเดียว อยู่ในกลุ่มก๊าซมีตระกูลในตารางธาตุ จุดเดือดของมันต่ำที่สุดในบรรดาองค์ประกอบทั้งหมด รองจากไฮโดรเจน ฮีเลียมเป็นธาตุที่เบาที่สุดเป็นอันดับสองและมีมากเป็นอันดับสองในจักรวาลที่สังเกตได้ โดยมีอยู่ประมาณ 24% ของ มวลรวมธาตุซึ่งมีมวลมากกว่า 12 เท่าของมวลธาตุที่หนักกว่าทั้งหมดรวมกัน ความอุดมสมบูรณ์ของมันเกิดจากพลังงานยึดเหนี่ยวนิวเคลียร์ที่สูงมาก (ต่อนิวคลีออน) ของฮีเลียม-4 เทียบกับธาตุสามธาตุถัดไปหลังฮีเลียม พลังงานยึดเหนี่ยวฮีเลียม-4 นี้ยังอธิบายด้วยว่าเหตุใดฮีเลียมจึงเป็นผลผลิตของทั้งนิวเคลียร์ฟิวชันและการสลายตัวของสารกัมมันตภาพรังสี ฮีเลียมส่วนใหญ่ในจักรวาลอยู่ในรูปของฮีเลียม-4 และเชื่อกันว่าก่อตัวขึ้นในช่วงบิกแบง ฮีเลียมใหม่จำนวนมากถูกสร้างขึ้นโดยการหลอมนิวเคลียร์ของไฮโดรเจนในดาวฤกษ์ ฮีเลียมตั้งชื่อตามเทพเจ้ากรีกแห่งดวงอาทิตย์ เฮลิโอส ฮีเลียมถูกค้นพบครั้งแรกว่าเป็นเส้นสเปกตรัมสีเหลืองที่ไม่รู้จัก แสงแดดระหว่างสุริยุปราคาในปี พ.ศ. 2411 โดย Georges Rayet กัปตัน C.T. Haig, Norman R. Pogson และร้อยโท John Herschel

ข้อสังเกตนี้ได้รับการยืนยันในเวลาต่อมาโดยนักดาราศาสตร์ชาวฝรั่งเศส จูลส์ แจนส์เซน Janssen มักได้รับเครดิตจากการค้นพบองค์ประกอบนี้ร่วมกับ Norman Lockyer แจนส์เซนบันทึกเส้นสเปกตรัมของฮีเลียมระหว่างสุริยุปราคาปี 1868 ขณะที่ล็อคเยอร์สังเกตปรากฏการณ์นี้จากอังกฤษ ล็อกเยอร์เป็นคนแรกที่แนะนำว่าบรรทัดนี้เกี่ยวข้องกับองค์ประกอบใหม่ ซึ่งเขาตั้งชื่อให้ว่าฮีเลียม การค้นพบธาตุนี้อย่างเป็นทางการเกิดขึ้นในปี พ.ศ. 2438 โดยนักเคมีชาวสวีเดนสองคน คือ เพอร์ ธีโอดอร์ คลีฟ และนีลส์ อับราฮัม แลงเล็ต ซึ่งค้นพบฮีเลียมที่มาจากแร่คลีฟของแร่ยูเรเนียม ในปี พ.ศ. 2446 มีการค้นพบฮีเลียมสำรองจำนวนมากในทุ่งนา ก๊าซธรรมชาติในบางส่วนของสหรัฐอเมริกา ปัจจุบันสหรัฐอเมริกาเป็นผู้จัดหาก๊าซรายใหญ่ที่สุด ฮีเลียมเหลวถูกนำมาใช้ในไครโอเจนิกส์ (การใช้ครั้งเดียวที่ใหญ่ที่สุด ซึ่งกินเวลาประมาณหนึ่งในสี่ของการผลิต) โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการทำความเย็นแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด โดยการใช้งานเชิงพาณิชย์หลักอยู่ในเครื่องสแกน MRI การใช้ฮีเลียมในอุตสาหกรรมอื่นๆ ใช้เป็นก๊าซแรงดันและไล่ก๊าซ เป็นบรรยากาศป้องกันสำหรับการเชื่อมอาร์ก และในกระบวนการต่างๆ เช่น การเติบโตของผลึกเพื่อสร้างเวเฟอร์ซิลิคอน การใช้ฮีเลียมที่รู้จักกันดีแต่มีเพียงเล็กน้อยก็เพื่อใช้ในการยกบอลลูนและเรือบิน เช่นเดียวกับก๊าซใดๆ ที่มีความหนาแน่นแตกต่างจากอากาศ การสูดดมฮีเลียมในปริมาณเล็กน้อยจะทำให้เสียงและคุณภาพของเสียงของมนุษย์เปลี่ยนไปชั่วคราว ในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ พฤติกรรมของฮีเลียม-4 เฟสของเหลวทั้งสองเฟส (ฮีเลียม I และฮีเลียม II) มีความสำคัญสำหรับนักวิจัยที่ศึกษากลศาสตร์ควอนตัม (โดยเฉพาะคุณสมบัติของของเหลวยิ่งยวด) และสำหรับนักวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาปรากฏการณ์ เช่น ความเป็นตัวนำยิ่งยวดในสสารใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ . บนโลกฮีเลียมค่อนข้างหายาก - 5.2 ppm โดยปริมาตรในบรรยากาศ ปัจจุบัน ฮีเลียมส่วนใหญ่บนโลกถูกสร้างขึ้นจากการสลายกัมมันตภาพรังสีตามธรรมชาติของธาตุกัมมันตภาพรังสีหนัก (ทอเรียมและยูเรเนียม แม้ว่าจะมีตัวอย่างอื่น ๆ ก็ตาม) เนื่องจากอนุภาคแอลฟาที่ปล่อยออกมาจากการสลายตัวดังกล่าวประกอบด้วยนิวเคลียสของฮีเลียม-4 ฮีเลียมกัมมันตภาพรังสีนี้ถูกจับในก๊าซธรรมชาติที่มีความเข้มข้นสูงถึง 7% โดยปริมาตร ซึ่งจะถูกสกัดเชิงพาณิชย์โดยการแยกด้วยอุณหภูมิต่ำที่เรียกว่าการกลั่นแบบแยกส่วน ก่อนหน้านี้ฮีเลียมภาคพื้นดินเคยเป็น ทรัพยากรที่ไม่หมุนเวียนเพราะเมื่อปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศแล้วก็สามารถเดินทางสู่อวกาศได้อย่างง่ายดาย และคาดว่าองค์ประกอบนี้จะหายากมากขึ้นเรื่อยๆ อย่างไรก็ตาม การวิจัยเมื่อเร็วๆ นี้ชี้ให้เห็นว่าฮีเลียมซึ่งก่อตัวบนโลกจากการสลายกัมมันตรังสีอาจสะสมอยู่ในก๊าซธรรมชาติสำรองในปริมาณที่มากกว่าที่คาดไว้ ในบางกรณีปล่อยออกมาจากการปะทุของภูเขาไฟ

เรื่องราว

การค้นพบทางวิทยาศาสตร์

หลักฐานแรกของการมีอยู่ของฮีเลียมเกิดขึ้นเมื่อวันที่ 18 สิงหาคม พ.ศ. 2411 เส้นสีเหลืองสดใสที่มีความยาวคลื่น 587.49 นาโนเมตรถูกพบในสเปกตรัมของโครโมสเฟียร์แสงอาทิตย์ เส้นนี้ถูกค้นพบโดยนักดาราศาสตร์ชาวฝรั่งเศส Jules Janssen ระหว่างสุริยุปราคาเต็มดวงในเมือง Guntur ประเทศอินเดีย บรรทัดนี้เดิมทีคิดว่าเป็นโซเดียม เมื่อวันที่ 20 ตุลาคมของปีเดียวกัน นักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษ นอร์แมน ล็อคเยอร์ สังเกตเห็นเส้นสีเหลืองในสเปกตรัมของดวงอาทิตย์ ซึ่งเขาเรียกว่าเส้น D3 Fraunhofer เนื่องจากใกล้กับเส้นโซเดียม D1 และ D2 ที่มีชื่อเสียง นักวิทยาศาสตร์สรุปว่าเส้นนี้เกิดจากองค์ประกอบของดวงอาทิตย์ซึ่งไม่รู้จักบนโลก ล็อกเยอร์และนักเคมีชาวอังกฤษ เอ็ดเวิร์ด แฟรงแลนด์ ตั้งชื่อธาตุนี้จากคำภาษากรีกที่แปลว่าดวงอาทิตย์ ἥлιος (เฮลิออส) ในปี พ.ศ. 2424 นักฟิสิกส์ชาวอิตาลี ลุยจิ ปาลมิเอรี ค้นพบฮีเลียมบนโลกเป็นครั้งแรกผ่านเส้นสเปกตรัม D3 ของมัน ขณะเดียวกันก็วิเคราะห์วัสดุที่ระเหิดระหว่างการปะทุของภูเขาไฟวิสุเวียส เมื่อวันที่ 26 มีนาคม พ.ศ. 2438 เซอร์วิลเลียม แรมซีย์ นักเคมีชาวสก็อตแลนด์ ได้แยกฮีเลียมบนโลกโดยการบำบัดแร่คลีฟไนต์ (กลุ่มยูนีไนต์ที่มีธาตุหายากอย่างน้อย 10%) ด้วยกรดแร่ แรมซีย์กำลังมองหาอาร์กอน แต่หลังจากแยกไนโตรเจนและออกซิเจนออกจากก๊าซที่เกิดจากกรดซัลฟิวริก เขาสังเกตเห็นเส้นสีเหลืองสดใสที่ตรงกับเส้น D3 ที่เห็นในสเปกตรัมของดวงอาทิตย์ ตัวอย่างเหล่านี้ถูกระบุว่าเป็นฮีเลียมโดย Lockyear และนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ William Crookes ฮีเลียมถูกแยกออกจาก Kleveite อย่างเป็นอิสระในปีเดียวกันนั้นโดยนักเคมี Per Theodor Kleve และ Abraham Langlet ในเมืองอุปซอลา ประเทศสวีเดน ซึ่งรวบรวมก๊าซได้มากพอที่จะ คำจำกัดความที่แม่นยำน้ำหนักอะตอมของมัน ฮีเลียมยังถูกแยกออกโดยนักธรณีเคมีชาวอเมริกัน วิลเลียม ฟรานซิส ฮิลเลอแบรนด์ ก่อนการค้นพบของแรมซีย์ เมื่อเขาสังเกตเห็นเส้นสเปกตรัมที่ผิดปกติขณะทดสอบตัวอย่างแร่ยูเรนิไนต์ อย่างไรก็ตาม Hillebrand ถือว่าสายเหล่านี้เกิดจากไนโตรเจน ในปี 1907 เออร์เนสต์ รัทเธอร์ฟอร์ดและโธมัส รอยด์สได้แสดงให้เห็นว่าอนุภาคอัลฟาคือนิวเคลียสของฮีเลียมโดยปล่อยให้อนุภาคทะลุผนังกระจกบางๆ ของท่ออพยพ จากนั้นจึงสร้างการปล่อยประจุในท่อเพื่อศึกษาสเปกตรัมของก๊าซใหม่ภายใน ในปี 1908 ฮีเลียมถูกทำให้กลายเป็นของเหลวเป็นครั้งแรกโดยนักฟิสิกส์ชาวดัตช์ Heike Kamerlingh Onnes โดยการทำให้ก๊าซเย็นลงให้มีอุณหภูมิน้อยกว่าหนึ่งเคลวิน เขาพยายามทำให้ก๊าซแข็งตัวโดยการลดอุณหภูมิลงอีก แต่ล้มเหลวเนื่องจากฮีเลียมไม่แข็งตัวที่ความดันบรรยากาศ วิลเลม เฮนดริก คีซอม ลูกศิษย์ของออนเนส สามารถทำให้ฮีเลียมขนาด 1 ลูกบาศก์เซนติเมตรแข็งตัวได้ในที่สุดในปี พ.ศ. 2469 โดยการเพิ่มแรงกดดันภายนอกเพิ่มเติม ในปี 1938 นักฟิสิกส์ชาวรัสเซีย Pyotr Leonidovich Kapitsa ค้นพบว่าฮีเลียม-4 แทบไม่มีความหนืดที่อุณหภูมิใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ ซึ่งปัจจุบันเรียกว่าปรากฏการณ์ของเหลวยิ่งยวด ปรากฏการณ์นี้เกี่ยวข้องกับการควบแน่นของโบส-ไอน์สไตน์ ในปี 1972 มีการสังเกตปรากฏการณ์เดียวกันนี้สำหรับฮีเลียม-3 แต่ที่อุณหภูมิใกล้กับศูนย์สัมบูรณ์มาก โดยนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน ดักลาส ดี. โอเชอร์รอฟ, เดวิด เอ็ม. ลี และโรเบิร์ต ซี. ริชาร์ดสัน เชื่อกันว่าปรากฏการณ์ในฮีเลียม-3 เกิดจากการจับคู่เฟอร์มิออนของฮีเลียม-3 เพื่อสร้างโบซอน ซึ่งคล้ายคลึงกับคู่อิเล็กตรอนของคูเปอร์ที่ก่อให้เกิดความเป็นตัวนำยิ่งยวด

การสกัดและการใช้

หลังจากการขุดเจาะน้ำมันในปี พ.ศ. 2446 เมืองเด็กซ์เตอร์ รัฐแคนซัส ได้ผลิตไกเซอร์ก๊าซที่ไม่ติดไฟ และนักธรณีวิทยาแห่งรัฐแคนซัส เอราสมุส ฮาเวิร์ธ ได้เก็บตัวอย่างก๊าซที่หลบหนีและพาพวกเขาไปที่มหาวิทยาลัยแคนซัสที่ลอว์เรนซ์ ซึ่งที่นั่น โดยมี ความช่วยเหลือของนักเคมี Hamilton Cady และ David McFarland เขาพบว่าก๊าซประกอบด้วยไนโตรเจน 72% มีเธน 15% (เปอร์เซ็นต์ไวไฟโดยมีออกซิเจนเพียงพอเท่านั้น) ไฮโดรเจน 1% และก๊าซที่ไม่สามารถระบุได้ 12% จากการวิเคราะห์เพิ่มเติม เคดีและแมคฟาร์แลนด์พบว่าตัวอย่างก๊าซ 1.84% เป็นฮีเลียม นี่แสดงให้เห็นว่าถึงแม้ฮีเลียมจะหายากบนโลกโดยทั่วไป แต่ฮีเลียมก็กระจุกตัวอยู่ในปริมาณมากใต้ที่ราบอเมริกันเกรตเพลนส์ ซึ่งพร้อมสำหรับการสกัดเป็นผลพลอยได้จากก๊าซธรรมชาติ สิ่งนี้ทำให้สหรัฐอเมริกากลายเป็นผู้จัดหาฮีเลียมชั้นนำของโลก ตามคำแนะนำของเซอร์ริชาร์ด เธรลฟอล กองทัพเรือสหรัฐฯ ได้สนับสนุนโรงทดลองฮีเลียมขนาดเล็กสามแห่งในช่วงสงครามโลกครั้งที่หนึ่ง เป้าหมายคือการจัดหาลูกโป่งกั้นน้ำที่มีก๊าซไม่ติดไฟเบากว่าอากาศ ในระหว่างโปรแกรมนี้ สามารถผลิตฮีเลียม 92% ได้ 5,700 ลบ.ม. (200,000 ลูกบาศก์ฟุต) แม้ว่าจะเคยผลิตก๊าซนี้น้อยกว่าหนึ่งลูกบาศก์เมตรมาก่อนก็ตาม ก๊าซบางส่วนถูกใช้ในเรือเหาะฮีเลียมลำแรกของโลก นั่นคือ C-7 ของกองทัพเรือสหรัฐฯ ซึ่งเดินทางครั้งแรกจากแฮมป์ตันโรดส์ เวอร์จิเนีย ไปยังโบลลิงฟิลด์ ในกรุงวอชิงตัน ดี.ซี. เมื่อวันที่ 1 ธันวาคม พ.ศ. 2464 หรือเกือบสองปีก่อนหน้านั้น ถูกสร้างขึ้น เรือเหาะแข็งลำแรกที่เต็มไปด้วยฮีเลียมในเดือนกันยายน พ.ศ. 2466 ที่โรงงานเชนันโดอาห์ แม้ว่ากระบวนการสกัดโดยใช้ก๊าซเหลวที่อุณหภูมิต่ำจะไม่ได้รับการพัฒนาในเวลานั้น แต่การผลิตยังคงดำเนินต่อไปในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 1 ฮีเลียมถูกใช้เป็นหลักในการยกแก๊สในเครื่องบินที่เบากว่าอากาศ ในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2 ความต้องการฮีเลียมเพื่อใช้เป็นแก๊สยกและการเชื่อมอาร์กแบบมีฉนวนเพิ่มขึ้น สเปกโตรมิเตอร์มวลฮีเลียมยังมีความสำคัญอย่างยิ่งในโครงการแมนฮัตตัน (ชื่อรหัสสำหรับงานสร้างระเบิดปรมาณูลูกแรกในสหรัฐอเมริกาในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง) รัฐบาลสหรัฐอเมริกาได้จัดตั้งเขตสงวนฮีเลียมแห่งชาติในปี พ.ศ. 2468 ในเมืองอามาริลโล รัฐเท็กซัส โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อจัดหาเรือเหาะของกองทัพในช่วงสงครามและเรือบินเชิงพาณิชย์ในช่วงเวลาสงบสุข เนื่องจากพระราชบัญญัติควบคุมฮีเลียม (1927) ซึ่งห้ามการส่งออกฮีเลียมหายาก การผลิตซึ่งสหรัฐฯ ผูกขาดในขณะนั้น ประกอบกับต้นทุนก๊าซที่ห้ามปราม เรือ Hindenburg ก็เหมือนกับเรือเหาะของเยอรมันอื่นๆ ที่ถูกบังคับให้ ใช้ไฮโดรเจนเป็นก๊าซยก ตลาดฮีเลียมถูกระงับหลังสงครามโลกครั้งที่สอง แต่มีการขยายอุปทานในทศวรรษ 1950 เพื่อจัดหาฮีเลียมเหลวเป็นสารหล่อเย็นเพื่อสร้างเชื้อเพลิงจรวดออกซีไฮโดรเจน (นอกเหนือจากการใช้งานอื่น ๆ ) ระหว่างการแข่งขันอวกาศและสงครามเย็น การใช้ฮีเลียมในสหรัฐอเมริกาในปี พ.ศ. 2508 มีการบริโภคสูงสุดในช่วงสงครามมากกว่าแปดเท่า หลังจากการแก้ไขพระราชบัญญัติฮีเลียมปี 1960 (กฎหมายมหาชน 86-777) สำนักงานของสหรัฐอเมริกาได้จัดตั้งโรงงานเอกชน 5 แห่งเพื่อนำฮีเลียมจากก๊าซธรรมชาติกลับมาใช้ใหม่ สำหรับโครงการอนุรักษ์ฮีเลียมนี้ สำนักได้สร้างท่อส่งก๊าซความยาว 684 กิโลเมตรจากบุชตัน รัฐแคนซัส เพื่อเชื่อมต่อโรงงานเหล่านี้กับแหล่งก๊าซ Cliffside ของรัฐบาลใกล้กับเมืองอามาริลโล รัฐเท็กซัส ซึ่งใช้จนหมดไปบางส่วนแล้ว ส่วนผสมฮีเลียม-ไนโตรเจนนี้ถูกฉีดและเก็บไว้ในแหล่งก๊าซคลิฟไซด์จนกว่าจะมีความจำเป็น ในระหว่างนั้นก็ทำให้บริสุทธิ์ต่อไป ภายในปี 1995 มีการรวบรวมก๊าซได้หนึ่งพันล้านลูกบาศก์เมตร และมีหนี้สำรองอยู่ที่ 1.4 พันล้านดอลลาร์ ส่งผลให้รัฐสภาคองเกรสแห่งสหรัฐอเมริกาต้องยกเลิกปริมาณสำรองในปี 1996 พระราชบัญญัติการแปรรูปฮีเลียมปี 1996 (กฎหมายมหาชน 104-273) บังคับให้กระทรวงมหาดไทยของสหรัฐอเมริกาปล่อยสารสำรองและเริ่มจำหน่ายในปี 2548 ฮีเลียมที่ผลิตระหว่างปี 1930 ถึง 1945 มีความบริสุทธิ์ประมาณ 98.3% (ไนโตรเจน 2%) ซึ่งเพียงพอสำหรับเรือบิน ในปีพ.ศ. 2488 ได้รับการเชื่อมไม่เพียงพอ จำนวนมากฮีเลียม 99.9% ภายในปี 1949 มีฮีเลียมคลาส A 99.95% ในปริมาณเชิงพาณิชย์ หลายปีที่ผ่านมา สหรัฐอเมริกาผลิตฮีเลียมที่ใช้ในเชิงพาณิชย์มากกว่า 90% ของโลก โดยมีโรงงานเหมืองแร่ในแคนาดา โปแลนด์ รัสเซีย และประเทศอื่นๆ ที่ผลิตส่วนที่เหลือ ในช่วงกลางทศวรรษ 1990 โรงงานแห่งใหม่ในเมือง Argeve ประเทศแอลจีเรีย ได้เริ่มดำเนินการ โดยผลิตฮีเลียมได้ 17 ล้านลูกบาศก์เมตร (600 ล้านลูกบาศก์ฟุต) โดยมีการผลิตเพียงพอที่จะครอบคลุมความต้องการของยุโรปทั้งหมด ในขณะเดียวกัน ภายในปี 2000 ปริมาณการใช้ฮีเลียมในสหรัฐอเมริกาเพิ่มขึ้นเป็นมากกว่า 15 ล้านกิโลกรัมต่อปี ในปี พ.ศ. 2547-2549 ได้มีการสร้างโรงงานเพิ่มเติมในเมืองราส ลัฟฟาน ประเทศกาตาร์ และเมืองสกิกดา ประเทศแอลจีเรีย แอลจีเรียกลายเป็นผู้ผลิตฮีเลียมรายใหญ่อันดับสองอย่างรวดเร็ว ในช่วงเวลานี้ ทั้งต้นทุนการใช้ฮีเลียมและต้นทุนการผลิตฮีเลียมเพิ่มขึ้น ตั้งแต่ 2002 ถึง 2007 ราคาฮีเลียมเพิ่มขึ้นสองเท่า ในปี 2012 เขตสงวนฮีเลียมแห่งชาติของสหรัฐอเมริกาคิดเป็น 30 เปอร์เซ็นต์ของปริมาณสำรองฮีเลียมของโลก สำรองคาดว่าจะหมดในปี 2561 อย่างไรก็ตามเรื่องนี้ กฎหมายที่เสนอในวุฒิสภาสหรัฐอเมริกาจะอนุญาตให้สำรองขายก๊าซต่อไปได้ ปริมาณสำรองฮีเลียมขนาดใหญ่อื่นๆ ตั้งอยู่ในรัฐฮิวโกตัน รัฐแคนซัส สหรัฐอเมริกา และแหล่งก๊าซใกล้เคียงในแคนซัส เช่นเดียวกับในพื้นที่ใกล้เคียงของรัฐเท็กซัสและโอคลาโฮมา โรงงานฮีเลียมแห่งใหม่มีกำหนดจะเปิดในปี 2555 ในกาตาร์ รัสเซีย และรัฐไวโอมิงของสหรัฐอเมริกา แต่ไม่คาดว่าจะบรรเทาปัญหาการขาดแคลนได้ ในปี 2013 การก่อสร้างเริ่มขึ้นในโรงงานฮีเลียมที่ใหญ่ที่สุดในโลกในกาตาร์ ปี 2014 ถือเป็นปีแห่งอุปทานล้นตลาดในธุรกิจฮีเลียม หลังจากขาดแคลนมาหลายปี

ลักษณะเฉพาะ

อะตอมฮีเลียม

ฮีเลียมในกลศาสตร์ควอนตัม

จากมุมมองของกลศาสตร์ควอนตัม ฮีเลียมเป็นอะตอมที่ง่ายที่สุดเป็นอันดับสองในการสร้างแบบจำลอง รองจากอะตอมไฮโดรเจน ฮีเลียมประกอบด้วยอิเล็กตรอนสองตัวในวงโคจรของอะตอมที่ล้อมรอบนิวเคลียสซึ่งมีโปรตอนสองตัวและ (โดยปกติ) นิวตรอนสองตัว เช่นเดียวกับในกลศาสตร์ของนิวตัน ไม่มีระบบใดที่ประกอบด้วยอนุภาคมากกว่าสองอนุภาคสามารถแก้ไขได้โดยใช้วิธีทางคณิตศาสตร์เชิงวิเคราะห์ที่แม่นยำ และฮีเลียมก็ไม่มีข้อยกเว้น ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้วิธีทางคณิตศาสตร์เชิงตัวเลข แม้ว่าจะแก้ระบบที่ประกอบด้วยนิวเคลียสหนึ่งตัวและอิเล็กตรอนสองตัวก็ตาม เทคนิคเคมีเชิงคำนวณดังกล่าวได้ถูกนำมาใช้เพื่อสร้างภาพกลไกควอนตัมของการเชื่อมทางอิเล็กทรอนิกส์ของฮีเลียมซึ่งมีความแม่นยำถึงน้อยกว่า 2% ของค่าที่ถูกต้องในขั้นตอนการคำนวณหลายขั้นตอน แบบจำลองดังกล่าวแสดงให้เห็นว่าอิเล็กตรอนแต่ละตัวในฮีเลียมป้องกันนิวเคลียสหนึ่งจากอีกนิวเคลียสบางส่วน ดังนั้นประจุนิวเคลียร์ที่มีประสิทธิผล Z ที่อิเล็กตรอนแต่ละตัวเห็นจะอยู่ที่ประมาณ 1.69 หน่วย แทนที่จะเป็น 2 ประจุของนิวเคลียสฮีเลียมแบบ "เปลือย" แบบคลาสสิก

ความเสถียรสัมพัทธ์ของนิวเคลียสฮีเลียม-4 และเปลือกอิเล็กตรอน

นิวเคลียสของอะตอมฮีเลียม-4 นั้นเหมือนกับอนุภาคอัลฟ่า การทดลองการกระเจิงของอิเล็กตรอนพลังงานสูงแสดงให้เห็นว่าประจุของมันลดลงแบบทวีคูณจากค่าสูงสุดที่จุดศูนย์กลาง เช่นเดียวกับความหนาแน่นประจุของเมฆอิเล็กตรอนของฮีเลียม ความสมมาตรนี้สะท้อนถึงฟิสิกส์พื้นฐานที่คล้ายกัน: คู่นิวตรอนและโปรตอนหนึ่งคู่ในนิวเคลียสฮีเลียมเป็นไปตามกฎเชิงกลควอนตัมเดียวกันกับคู่อิเล็กตรอนฮีเลียม (แม้ว่าอนุภาคนิวเคลียร์จะอยู่ภายใต้ศักยภาพการจับตัวของนิวเคลียสที่แตกต่างกัน) ดังนั้น เฟอร์มิออนของเฟอร์มิออนเหล่านี้จะครอบครองออร์บิทัล 1s ของคู่กันโดยสมบูรณ์ และทั้งคู่ไม่มีโมเมนตัมของวงโคจร และแต่ละตัวจะยกเลิกการหมุนของอีกอันหนึ่ง การเพิ่มอนุภาคอื่นๆ เหล่านี้จะต้องมีโมเมนตัมเชิงมุมและปล่อยพลังงานน้อยลงอย่างมาก (อันที่จริง ไม่มีนิวเคลียสใดที่มี 5 นิวคลีออนจะเสถียร) ดังนั้นรูปแบบนี้จึงมีความเสถียรอย่างมากต่ออนุภาคเหล่านี้ และความเสถียรนี้อธิบายข้อเท็จจริงที่สำคัญมากมายเกี่ยวกับฮีเลียมในธรรมชาติ ตัวอย่างเช่น ความเสถียรและสถานะพลังงานต่ำของเมฆอิเล็กตรอนในฮีเลียมอธิบายถึงความเฉื่อยทางเคมีขององค์ประกอบ เช่นเดียวกับการขาดปฏิสัมพันธ์ของอะตอมฮีเลียมซึ่งกันและกัน ทำให้เกิดจุดหลอมเหลวและจุดเดือดต่ำสุดขององค์ประกอบทั้งหมด ในทำนองเดียวกัน ความเสถียรทางพลังงานพิเศษของนิวเคลียสฮีเลียม-4 ซึ่งสร้างขึ้นจากผลกระทบที่คล้ายกัน อธิบายความง่ายในการผลิตฮีเลียม-4 ในปฏิกิริยาอะตอมที่เกี่ยวข้องกับการปล่อยโลหะหนักหรือการสังเคราะห์ ฮีเลียม-3 ที่เสถียรบางส่วน (โปรตอน 2 ตัวและนิวตรอน 1 ตัว) ถูกสร้างขึ้นในปฏิกิริยาฟิวชันจากไฮโดรเจน แต่ปริมาณนี้น้อยมากเมื่อเทียบกับพลังงานที่มีความไวสูงของฮีเลียม-4 ความเสถียรที่ผิดปกติของนิวเคลียสฮีเลียม-4 ก็มีความสำคัญเช่นกันในจักรวาลวิทยา โดยอธิบายความจริงที่ว่าในช่วงสองสามนาทีแรกหลังจากบิ๊กแบง ระหว่างการสร้าง "การบดของโปรตอนและนิวตรอนอิสระ" ที่เดิมสร้างขึ้นในอัตราส่วน ประมาณ 6:1 ซึ่งเย็นลงจนสามารถเกิดพันธะนิวเคลียร์ได้ นิวเคลียสอะตอมแบบผสมตัวแรกที่เกิดขึ้นเกือบทั้งหมดเป็นนิวเคลียสฮีเลียม-4 การจับกับฮีเลียม-4 นั้นแน่นหนามากจนการผลิตฮีเลียม-4 ใช้นิวตรอนอิสระเกือบทั้งหมดภายในไม่กี่นาทีก่อนที่พวกมันจะสลายตัวด้วยเบต้า เหลือเพียงเล็กน้อยเท่านั้นที่จะก่อตัวเป็นอะตอมที่หนักกว่า เช่น ลิเธียม เบริลเลียม หรือโบรอน การจับกันทางนิวเคลียร์ของฮีเลียม-4 ต่อนิวคลีออนนั้นแข็งแกร่งกว่าองค์ประกอบใดๆ เหล่านี้ ดังนั้น เมื่อฮีเลียมถูกสร้างขึ้น จึงไม่มีแรงผลักดันอันทรงพลังในการสร้างองค์ประกอบ 3, 4 และ 5 ฮีเลียมจะหลอมรวมเป็นธาตุถัดไปโดยให้พลังงานต่อนิวคลีออนหรือคาร์บอนน้อยลงมีประโยชน์เพียงเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม เนื่องจากขาดองค์ประกอบที่อยู่ตรงกลาง กระบวนการนี้จึงต้องอาศัยนิวเคลียสของฮีเลียม 3 ตัวที่ชนกันเกือบจะพร้อมกัน ดังนั้น ในไม่กี่นาทีหลังจากบิ๊กแบง จึงไม่มีเวลาสำหรับคาร์บอนจำนวนมากที่จะก่อตัวก่อนที่เอกภพที่กำลังขยายตัวในช่วงแรกจะเย็นลงจนถึงอุณหภูมิและความดัน ซึ่งการหลอมฮีเลียมกับคาร์บอนจะเป็นไปไม่ได้ ด้วยเหตุนี้ เอกภพในยุคแรกๆ จึงมีอัตราส่วนไฮโดรเจน/ฮีเลียมใกล้เคียงกับอัตราส่วนปัจจุบัน (ไฮโดรเจน 3 ส่วนต่อฮีเลียม-4 1 ส่วนโดยมวล) โดยที่นิวตรอนเกือบทั้งหมดในจักรวาลถูกจับโดยฮีเลียม-4 ธาตุที่หนักกว่าทั้งหมด (รวมถึงธาตุที่จำเป็นสำหรับดาวเคราะห์หินเช่นโลกและสำหรับคาร์บอนหรือสิ่งมีชีวิตอื่นๆ) จึงถูกสร้างขึ้นหลังจากบิ๊กแบงในดาวฤกษ์ที่ร้อนพอที่จะหลอมฮีเลียมเอง ปัจจุบันองค์ประกอบทั้งหมดยกเว้นไฮโดรเจนและฮีเลียมมีเพียง 2% ของมวลอะตอมในจักรวาล ในทางตรงกันข้าม ฮีเลียม-4 มีสัดส่วนประมาณ 23% ของสสารธรรมดาในจักรวาล ซึ่งเกือบทั้งหมดเป็นสสารธรรมดาที่ไม่ใช่ไฮโดรเจน

เฟสของแก๊สและพลาสมา

ฮีเลียมเป็นก๊าซมีตระกูลที่มีปฏิกิริยาน้อยเป็นอันดับสองรองจากนีออน และเป็นก๊าซที่มีปฏิกิริยาน้อยเป็นอันดับสองขององค์ประกอบทั้งหมด มันเป็นเฉื่อยและมีอะตอมเดี่ยวภายใต้สภาวะมาตรฐานทั้งหมด เนื่องจากฮีเลียมมีมวลโมล (อะตอม) ที่ค่อนข้างต่ำ ค่าการนำความร้อน ความร้อนจำเพาะและความเร็วของเสียงในเฟสก๊าซนั้นมากกว่าความเร็วของก๊าซอื่น ๆ ยกเว้นไฮโดรเจน ด้วยเหตุผลเหล่านี้และเนื่องจากโมเลกุลฮีเลียมที่มีโมเลกุลเดี่ยวมีขนาดเล็ก ฮีเลียมจึงแพร่กระจายผ่านอนุภาคของแข็งด้วยความเร็วสามเท่าของความเร็วอากาศ และประมาณ 65% ของความเร็วของไฮโดรเจน ฮีเลียมเป็นก๊าซโมเลกุลเดี่ยวที่ละลายน้ำได้น้อยที่สุด และเป็นหนึ่งในก๊าซที่ละลายน้ำได้น้อยกว่า (CF4, SF6 และ C4F8 มีความสามารถในการละลายเชิงโมลต่ำกว่า: 0.3802, 0.4394 และ 0.2372 x2/10-5 ตามลำดับ เทียบกับ 0.70797 x2/10-5 5 สำหรับฮีเลียม ) นอกจากนี้ ดัชนีการหักเหของฮีเลียมยังใกล้เคียงกับเอกภาพมากกว่าดัชนีการหักเหของก๊าซอื่นๆ ฮีเลียมมีค่าสัมประสิทธิ์จูล-ทอมสันเป็นลบที่ อุณหภูมิปกติสภาพแวดล้อมซึ่งหมายความว่าจะร้อนขึ้นเมื่อได้รับอนุญาตให้ขยายตัวได้อย่างอิสระ ต่ำกว่าอุณหภูมิผกผันของจูล-ทอมสัน (ประมาณ 32 ถึง 50 เคลวิน ที่ 1 บรรยากาศ) ฮีเลียมจะเย็นลงเมื่อมันขยายตัวอย่างอิสระ เมื่อทำความเย็นแบบซูเปอร์คูลให้ต่ำกว่าอุณหภูมินี้ ฮีเลียมสามารถกลายเป็นของเหลวได้ด้วยการแช่เย็น ฮีเลียมนอกโลกส่วนใหญ่อยู่ในสถานะพลาสมาและมีคุณสมบัติแตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากฮีเลียมอะตอมมิก ในพลาสมา อิเล็กตรอนของฮีเลียมไม่ได้จับกับนิวเคลียส ส่งผลให้มีค่าการนำไฟฟ้าสูงมาก แม้ว่าก๊าซจะแตกตัวเป็นไอออนเพียงบางส่วนเท่านั้น อนุภาคที่มีประจุได้รับอิทธิพลอย่างมากจากสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น ในลมสุริยะพร้อมกับไฮโดรเจนที่แตกตัวเป็นไอออน อนุภาคจะมีปฏิกิริยากับสนามแม่เหล็กของโลก นำไปสู่กระแสน้ำ Birkeland และแสงออโรร่า

ฮีเลียมเหลว

ฮีเลียมจะยังคงเป็นของเหลวจนถึงศูนย์สัมบูรณ์ที่ความดันปกติซึ่งแตกต่างจากองค์ประกอบอื่นๆ นี่เป็นอิทธิพลโดยตรงของกลศาสตร์ควอนตัม โดยเฉพาะอย่างยิ่ง พลังงานจุดศูนย์ของระบบสูงเกินไปที่จะทำให้เกิดน้ำแข็งได้ ฮีเลียมแข็งต้องใช้อุณหภูมิ 1-1.5 K (ประมาณ -272 °C หรือ -457 °F) ที่ความดันประมาณ 25 บาร์ (2.5 MPa) การแยกของแข็งออกจากฮีเลียมเหลวมักจะเป็นเรื่องยาก เนื่องจากดัชนีการหักเหของแสงของทั้งสองเฟสเกือบจะเท่ากัน ของแข็งมีจุดหลอมเหลวที่ชัดเจนและมีโครงสร้างเป็นผลึก แต่สามารถอัดตัวได้สูง การใช้แรงกดในห้องปฏิบัติการสามารถลดปริมาตรได้มากกว่า 30% ด้วยโมดูลัสปริมาณมากประมาณ 27 MPa ฮีเลียมจึงสามารถอัดได้มากกว่าน้ำถึง 100 เท่า ฮีเลียมแข็งมีความหนาแน่น 0.214 ± 0.006 g/cm3 ที่ 1.15 K และ 66 atm; ความหนาแน่นที่คาดการณ์ไว้ที่ 0 K และ 25 บาร์ (2.5 MPa) คือ 0.187 ± 0.009 g/cm3 ที่อุณหภูมิสูงขึ้น ฮีเลียมจะแข็งตัวเมื่อมีแรงดันเพียงพอ ที่อุณหภูมิห้อง ต้องใช้ประมาณ 114,000 atm

สถานะฮีเลียม I

ต่ำกว่าจุดเดือดที่ 4.22 เคลวิน และเหนือจุดแลมบ์ดาที่ 2.1768 เคลวิน ไอโซโทปฮีเลียม-4 มีอยู่ในสถานะของเหลวไม่มีสีปกติที่เรียกว่า ฮีเลียม I เช่นเดียวกับของเหลวแช่แข็งอื่นๆ ฮีเลียม I จะเดือดเมื่อได้รับความร้อนและหดตัวเมื่ออุณหภูมิลดลง . อย่างไรก็ตาม ฮีเลียมที่อยู่ใต้จุดแลมบ์ดาจะไม่เดือดและจะขยายตัวเมื่ออุณหภูมิลดลงอีก ฮีเลียม 1 มีดัชนีการหักเหของก๊าซอยู่ที่ 1.026 ทำให้พื้นผิวของมันมองเห็นได้ยากจนมักใช้โฟมโพลีสไตรีนแบบผุดขึ้นเพื่อดูพื้นผิวของมัน ของเหลวไม่มีสีนี้มีความหนืดต่ำมากและมีความหนาแน่น 0.145-0.125 กรัม/มิลลิลิตร (ประมาณ 0-4 K) ซึ่งเป็นเพียงหนึ่งในสี่ของค่าที่คาดหวังจากฟิสิกส์คลาสสิก กลศาสตร์ควอนตัมเป็นสิ่งจำเป็นในการอธิบายคุณสมบัตินี้ ดังนั้นฮีเลียมเหลวทั้งสองสถานะ (ฮีเลียม I และฮีเลียม II) จึงถูกเรียกว่าของเหลวควอนตัม ซึ่งหมายความว่าสถานะเหล่านี้แสดงคุณสมบัติอะตอมในระดับมหภาค อาจเป็นเพราะจุดเดือดของฮีเลียมอยู่ใกล้กับศูนย์สัมบูรณ์มากจนป้องกันไม่ให้การเคลื่อนที่ของโมเลกุลแบบสุ่ม (พลังงานความร้อน) บดบังคุณสมบัติอะตอมของมัน

สถานะฮีเลียม II

ฮีเลียมเหลวที่อยู่ต่ำกว่าจุดแลมบ์ดา (เรียกว่าฮีเลียม II) มีลักษณะที่ผิดปกติมาก เนื่องจากมีค่าการนำความร้อนสูง เมื่อเดือดจึงไม่เกิดฟอง แต่จะระเหยออกจากพื้นผิวโดยตรง ฮีเลียม-3 มีเฟสซุปเปอร์ฟลูอิดเช่นกัน แต่จะมีเฉพาะที่อุณหภูมิต่ำกว่ามากเท่านั้น เป็นผลให้ไม่ค่อยมีใครรู้เกี่ยวกับคุณสมบัติของไอโซโทปนี้ ฮีเลียม II เป็นของเหลวซุปเปอร์ฟลูอิดและเป็นสถานะเชิงกลของควอนตัมที่มีคุณสมบัติแปลก ตัวอย่างเช่น เมื่อมันไหลผ่านเส้นเลือดฝอยที่มีความหนา 10-7 ถึง 10-8 ม. จะไม่มีความหนืดที่วัดได้ อย่างไรก็ตาม เมื่อทำการวัดระหว่างจานเคลื่อนที่สองจาน จะสังเกตเห็นความหนืดที่เทียบได้กับก๊าซฮีเลียม ทฤษฎีปัจจุบันอธิบายเรื่องนี้โดยใช้แบบจำลองสองของไหลสำหรับฮีเลียม II ในแบบจำลองนี้ ฮีเลียมเหลวที่อยู่ใต้จุดแลมบ์ดาถือว่ามีอะตอมฮีเลียมในสถานะพื้นส่วนหนึ่งซึ่งเป็นของเหลวยิ่งยวดและไหลโดยไม่มีความหนืดเป็นศูนย์ และส่วนหนึ่งของอะตอมฮีเลียมในสถานะตื่นเต้นที่ทำงานเหมือนของเหลวธรรมดา ในกรณีเอฟเฟกต์พุ่ง ห้องถูกสร้างขึ้นซึ่งเชื่อมต่อกับแหล่งกักเก็บฮีเลียม II ด้วยจานเผาผนึกซึ่งฮีเลียม superfluid ไหลผ่านได้ง่าย แต่ฮีเลียมที่ไม่ใช่ superfluid ไหลผ่านไม่ได้ หากภายในภาชนะร้อนขึ้น ฮีเลียมของเหลวยิ่งยวดจะเปลี่ยนเป็นฮีเลียมที่ไม่ใช่ของเหลวยิ่งยวด เพื่อรักษาสัดส่วนสมดุลของฮีเลียมซุปเปอร์ฟลูอิด ฮีเลียมซุปเปอร์ฟลูอิดจะไหลและเพิ่มความดัน ทำให้ของเหลวหลุดออกจากภาชนะ ค่าการนำความร้อนของฮีเลียม II นั้นมากกว่าค่าการนำความร้อนของสารอื่น ๆ ที่รู้จัก ซึ่งมากกว่าค่าการนำความร้อนของฮีเลียม I หนึ่งล้านเท่าและมากกว่าทองแดงหลายร้อยเท่า นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าการนำความร้อนเกิดขึ้นเนื่องจากกลไกควอนตัมพิเศษ วัสดุส่วนใหญ่ที่นำความร้อนจะมีแถบวาเลนซ์ของอิเล็กตรอนอิสระที่ทำหน้าที่ถ่ายเทความร้อน Helium II ไม่มีแถบวาเลนซ์ดังกล่าว แต่ยังคงนำความร้อนได้ดี การไหลของความร้อนถูกกำหนดโดยสมการที่คล้ายกับสมการคลื่นที่ใช้ในการระบุลักษณะการแพร่กระจายของเสียงในอากาศ เมื่อสัมผัสกับความร้อน มันจะเดินทางด้วยความเร็ว 20 เมตรต่อวินาทีที่ความเร็ว 1.8 K ผ่านฮีเลียม II ในรูปของคลื่นในปรากฏการณ์ที่เรียกว่าเสียงที่สอง Helium II ก็มีผลคืบคลานเช่นกัน เมื่อพื้นผิวผ่านระดับฮีเลียม II ฮีเลียม II จะเคลื่อนผ่านพื้นผิวต้านแรงโน้มถ่วง ฮีเลียม II จะออกจากภาชนะที่ไม่ได้ปิดผนึก โดยเลื่อนลงไปด้านข้างจนกระทั่งถึงบริเวณที่อุ่นกว่าซึ่งจะระเหยไป โดยจะเคลื่อนที่เป็นฟิล์มหนา 30 นาโนเมตรโดยไม่คำนึงถึงวัสดุพื้นผิว ภาพยนตร์เรื่องนี้เรียกว่าภาพยนตร์โรลลินเพื่อเป็นเกียรติแก่นักวิทยาศาสตร์คนแรกที่มีลักษณะเฉพาะในคุณภาพนี้ คือ เบอร์นาร์ด ดับเบิลยู. โรลลิน จากพฤติกรรม "คืบคลาน" และความสามารถของฮีเลียม II ที่จะไหลผ่านรูเล็กๆ อย่างรวดเร็ว จึงเป็นเรื่องยากมากที่จะจำกัดฮีเลียมเหลว เว้นแต่ว่าภาชนะจะถูกสร้างขึ้นอย่างระมัดระวัง ฮีเลียม II จะคืบคลานไปตามพื้นผิวและผ่านวาล์วจนกระทั่งไปถึงบริเวณที่อุ่นกว่า ซึ่งมันจะระเหยไป คลื่นที่แพร่กระจายผ่านฟิล์มโรลลินอยู่ภายใต้สมการเดียวกับคลื่นความโน้มถ่วงในน้ำตื้น แต่แทนที่จะเป็นแรงโน้มถ่วง แรงกลับคืนกลับเป็นแรงแวนเดอร์วาลส์ คลื่นเหล่านี้เรียกว่าเสียงที่สาม

ไอโซโทป

มีไอโซโทปฮีเลียมที่รู้จักอยู่เก้าชนิด แต่มีเพียงฮีเลียม-3 และฮีเลียม-4 เท่านั้นที่เสถียร ในชั้นบรรยากาศของโลก มีอะตอม 3He หนึ่งอะตอมต่ออะตอม 4He หนึ่งล้านอะตอม แตกต่างจากองค์ประกอบส่วนใหญ่ ความอุดมสมบูรณ์ของไอโซโทปของฮีเลียมแตกต่างกันไปอย่างมากในแหล่งกำเนิดเนื่องจากกระบวนการก่อตัวที่แตกต่างกัน ไอโซโทปที่พบมากที่สุดคือฮีเลียม-4 เกิดขึ้นบนโลกผ่านการสลายอัลฟาของธาตุกัมมันตภาพรังสีที่หนักกว่า อนุภาคอัลฟาที่ได้จะเป็นนิวเคลียสฮีเลียม-4 ที่แตกตัวเป็นไอออนอย่างสมบูรณ์ ฮีเลียม-4 เป็นนิวเคลียสที่เสถียรผิดปกติเนื่องจากมีการจัดเรียงนิวเคลียสเป็นเปลือกที่สมบูรณ์ มันยังถูกสร้างขึ้นในปริมาณมหาศาลในการสังเคราะห์นิวเคลียสแบบบิ๊กแบงอีกด้วย ฮีเลียม-3 มีอยู่บนโลกในปริมาณเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ฮีเลียม-3 ส่วนใหญ่มีอยู่ตั้งแต่กำเนิดโลก แม้ว่าบางส่วนจะจบลงบนโลกที่กักเก็บอยู่ในฝุ่นจักรวาล ปริมาณฮีเลียมปริมาณเล็กน้อยยังเกิดจากการสลายตัวของไอโซโทปเบต้าอีกด้วย หินในเปลือกโลกมีอัตราส่วนไอโซโทปที่แตกต่างกันสิบเท่า และอัตราส่วนเหล่านี้สามารถใช้เพื่อศึกษาต้นกำเนิดของหินและองค์ประกอบของเนื้อโลกได้ 3เขาพบได้ทั่วไปในดวงดาวมากกว่าเนื่องจากเป็นผลจากนิวเคลียร์ฟิวชัน ดังนั้น ในสื่อระหว่างดวงดาว อัตราส่วน 3He ต่อ 4He จึงสูงกว่าบนโลกประมาณ 100 เท่า วัสดุนอกดาวเคราะห์ เช่น ดวงจันทร์และดาวเคราะห์น้อยรีโกลิธ มีปริมาณฮีเลียม-3 จากการถูกลมสุริยะโจมตี พื้นผิวดวงจันทร์มีความเข้มข้นของฮีเลียม-3 อยู่ที่ 10 ส่วนในล้านส่วน ซึ่งสูงกว่าระดับประมาณ 5 ส่วนในล้านส่วนที่พบในชั้นบรรยากาศโลกมาก นักวิทยาศาสตร์จำนวนหนึ่ง เริ่มต้นด้วยเจอรัลด์ คุลซินสกีในปี 1986 ได้เสนอให้สำรวจดวงจันทร์ รวบรวมหินรีโกลิธบนดวงจันทร์ และใช้ฮีเลียม-3 ในการหลอมรวม ฮีเลียม-4 เหลวสามารถทำให้เย็นลงได้ประมาณ 1 เคลวินโดยใช้การทำความเย็นแบบระเหยในหม้อที่มีอุณหภูมิถึง 1 เคลวิน การทำความเย็นที่คล้ายกันของฮีเลียม-3 ที่มีจุดเดือดต่ำกว่าสามารถมีอุณหภูมิประมาณ 0.2 เคลวินในตู้เย็นฮีเลียม-3 ของผสมที่เท่ากันของของเหลว 3He และ 4He ที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า 0.8 K แยกออกเป็นสองเฟสที่ผสมไม่ได้เนื่องจากความแตกต่างกัน (มีสถิติควอนตัมที่แตกต่างกัน: อะตอมของฮีเลียม-4 เป็นโบซอน ในขณะที่อะตอมของฮีเลียม-3 เป็นเฟอร์มิออน) ในเครื่องทำความเย็นที่ทำงานโดยใช้ส่วนผสมของสารแช่แข็ง ความสามารถในการผสมกันได้นี้ใช้เพื่อให้ได้อุณหภูมิหลายมิลลิเคลวิน มีความเป็นไปได้ที่จะผลิตไอโซโทปฮีเลียมที่แปลกใหม่ซึ่งจะสลายตัวเป็นสารอื่นอย่างรวดเร็ว ไอโซโทปหนักของฮีเลียมที่มีอายุสั้นที่สุดคือฮีเลียม-5 โดยมีครึ่งชีวิต 7.6×10-22 วินาที ฮีเลียม-6 สลายตัวโดยการปล่อยอนุภาคบีตาและมีครึ่งชีวิต 0.8 วินาที ฮีเลียม-7 ยังปล่อยอนุภาคบีตาและรังสีแกมมาออกมาด้วย ฮีเลียม-7 และฮีเลียม-8 เกิดขึ้นในปฏิกิริยานิวเคลียร์บางชนิด เป็นที่รู้กันว่าฮีเลียม-6 และฮีเลียม-8 มีรัศมีนิวเคลียร์

สารประกอบฮีเลียม

ฮีเลียมมีวาเลนซีเป็น 0 และไม่มีการใช้งานทางเคมีภายใต้สภาวะปกติทั้งหมด ฮีเลียมเป็นฉนวนไฟฟ้าเว้นแต่จะมีการแตกตัวเป็นไอออน เช่นเดียวกับก๊าซมีตระกูลอื่นๆ ฮีเลียมมีระดับพลังงานที่สามารถแพร่กระจายได้ซึ่งช่วยให้ยังคงแตกตัวเป็นไอออนในการปล่อยประจุไฟฟ้าที่แรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าศักยภาพในการแตกตัวเป็นไอออน ฮีเลียมสามารถสร้างสารประกอบที่ไม่เสถียรที่เรียกว่า excimers ที่มีทังสเตน ไอโอดีน ฟลูออรีน ซัลเฟอร์ และฟอสฟอรัส เมื่อมันถูกปล่อยแสง การทิ้งระเบิดอิเล็กตรอน หรือทำให้กลายเป็นพลาสมาด้วยวิธีอื่น ด้วยวิธีนี้ สารประกอบโมเลกุล HeNe, HgHe10 และ WHe2 และไอออนของโมเลกุล He+2, He2+2, HeH+ และ HeD+ จึงถูกสร้างขึ้น HeH+ ยังมีความเสถียรในสถานะพื้นดิน แต่มีปฏิกิริยาสูง โดยเป็นกรด Brønsted ที่แข็งแกร่งที่สุด ดังนั้นจึงสามารถดำรงอยู่ได้เฉพาะเมื่อแยกออกจากกันเท่านั้น เนื่องจากมันจะโปรตอนโมเลกุลหรือโพรเทเนียนใดๆ ก็ตามที่มันสัมผัสด้วย วิธีนี้ยังสร้างโมเลกุล He2 ที่เป็นกลางซึ่งมีระบบแถบความถี่จำนวนมาก และ HgHe ซึ่งดูเหมือนจะยึดติดกันด้วยแรงโพลาไรเซชันเท่านั้น สารประกอบฮีเลียม Van der Waals สามารถก่อตัวขึ้นด้วยก๊าซฮีเลียมแช่แข็งและอะตอมของสารอื่น ๆ เช่น LiHe และ He2 เป็นไปได้ในทางทฤษฎีว่ามีสารประกอบที่แท้จริงอื่นๆ เช่น ฮีเลียมฟลูออโรไฮไดรด์ (HHeF) ซึ่งจะคล้ายกับ HArF ที่ค้นพบในปี 2000 การคำนวณแสดงให้เห็นว่าสารประกอบใหม่สองชนิดที่มีพันธะฮีเลียม-ออกซิเจนอาจมีความเสถียร โมเลกุลใหม่ทั้งสองชนิดที่ทำนายไว้โดยใช้ทฤษฎี CsFHeO และ N (CH3) 4FHeO เป็นอนุพันธ์ของไอออน FHeO ที่แพร่กระจายได้ซึ่งเสนอครั้งแรกในปี 2548 โดยกลุ่มหนึ่งในไต้หวัน หากได้รับการยืนยันจากการทดลอง ธาตุเดียวที่เหลืออยู่ซึ่งไม่มีสารประกอบที่ทราบแน่ชัดคือนีออน อะตอมของฮีเลียมถูกแทรกเข้าไปในโมเลกุลของโครงคาร์บอนกลวง (ฟูลเลอรีน) โดยการให้ความร้อนภายใต้แรงดันสูง โมเลกุลฟูลเลอรีนเอนโดฮีดรัลที่สร้างขึ้นมีความเสถียรที่อุณหภูมิสูง เมื่ออนุพันธ์ทางเคมีของฟูลเลอรีนเหล่านี้เกิดขึ้น ฮีเลียมจะยังคงอยู่ภายใน หากใช้ฮีเลียม-3 จะสามารถสังเกตได้ง่ายโดยใช้สเปกโทรสโกปีเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ฮีเลียม มีรายงานว่ามีฟูลเลอรีนจำนวนมากที่มีฮีเลียม-3 แม้ว่าอะตอมของฮีเลียมจะไม่เชื่อมโยงกันด้วยพันธะโควาเลนต์หรือไอออนิก แต่สารเหล่านี้ก็มีคุณสมบัติบางอย่างและมีองค์ประกอบบางอย่าง เช่นเดียวกับปริมาณสัมพันธ์ทั้งหมด สารประกอบเคมี. ที่ความดันสูง ฮีเลียมสามารถก่อตัวเป็นสารประกอบที่มีองค์ประกอบอื่นๆ มากมาย ผลึกของคลาเทรตฮีเลียม-ไนโตรเจน (He(N2)11) ถูกทำให้เติบโตที่อุณหภูมิห้องที่ความดันประมาณ 10 GPa ในห้อง ความดันสูงด้วยทั่งเพชร อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นฉนวน Na2He แสดงให้เห็นว่ามีความเสถียรทางอุณหพลศาสตร์ที่ความดันสูงกว่า 113 GPa มีโครงสร้างเป็นฟลูออไรต์

แหล่งกำเนิดสินค้าและการผลิต

ความอุดมสมบูรณ์ตามธรรมชาติ

แม้ว่าฮีเลียมจะหายากบนโลก แต่ก็เป็นธาตุที่มีมากเป็นอันดับสองในเอกภพ (รองจากไฮโดรเจน) ซึ่งคิดเป็น 23% ของมวลแบริออน ฮีเลียมส่วนใหญ่เกิดขึ้นจากการสังเคราะห์นิวเคลียสของบิ๊กแบงหนึ่งถึงสามนาทีหลังจากบิกแบง ดังนั้นการวัดความอุดมสมบูรณ์ของมันจึงมีส่วนช่วยในแบบจำลองทางจักรวาลวิทยา ในดาวฤกษ์ ฮีเลียมก่อตัวขึ้นจากการหลอมนิวเคลียร์ของไฮโดรเจนให้เป็นโปรตอน-โปรตอน ปฏิกิริยาลูกโซ่และวัฏจักร CNO ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการสังเคราะห์นิวเคลียสของดาวฤกษ์ ในชั้นบรรยากาศของโลก ความเข้มข้นของฮีเลียมโดยปริมาตรมีเพียง 5.2 ส่วนในล้านส่วน ความเข้มข้นต่ำและค่อนข้างคงที่แม้จะมีการผลิตฮีเลียมใหม่อย่างต่อเนื่อง เนื่องจากฮีเลียมส่วนใหญ่ในชั้นบรรยากาศของโลกเข้าสู่อวกาศผ่านกระบวนการต่างๆ ในเฮเทอโรสเฟียร์ของโลก ส่วนหนึ่งของบรรยากาศชั้นบน ฮีเลียมและก๊าซเบาอื่นๆ ถือเป็นองค์ประกอบที่มีมากที่สุด ฮีเลียมบนโลกส่วนใหญ่เป็นผลมาจากการสลายตัวของสารกัมมันตภาพรังสี ฮีเลียมพบได้ในแร่ยูเรเนียมและทอเรียมในปริมาณมาก รวมถึงเคลวีต์ เรซิน คาร์โนไทต์ และโมนาไซต์ เนื่องจากพวกมันปล่อยอนุภาคอัลฟ่า (นิวเคลียสของฮีเลียม He2+) ซึ่งอิเล็กตรอนจะจับกันทันทีที่อนุภาคหยุดด้วยหิน ดังนั้นฮีเลียมประมาณ 3,000 ตันจึงถูกสร้างขึ้นทั่วทั้งเปลือกโลก ในเปลือกโลก ความเข้มข้นของฮีเลียมอยู่ที่ 8 ส่วนในพันล้านส่วน ในน้ำทะเลมีความเข้มข้นเพียง 4 ส่วนต่อล้านล้าน ฮีเลียมจำนวนเล็กน้อยยังพบอยู่ในน้ำพุแร่ ก๊าซภูเขาไฟ และเหล็กอุกกาบาต เนื่องจากฮีเลียมถูกขังอยู่ในพื้นดินภายใต้สภาวะที่ดักจับก๊าซธรรมชาติด้วย ฮีเลียมตามธรรมชาติที่มีความเข้มข้นมากที่สุดในโลกจึงพบได้ในก๊าซธรรมชาติ ซึ่งเป็นแหล่งฮีเลียมเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ที่ถูกสกัดออกมา ความเข้มข้นของฮีเลียมแตกต่างกันอย่างมาก ตั้งแต่ไม่กี่ ppm ไปจนถึงมากกว่า 7% ในแหล่งก๊าซขนาดเล็กในเทศมณฑลซานฮวน รัฐนิวเม็กซิโก ในปี พ.ศ. 2554 ปริมาณสำรองฮีเลียมทั่วโลกอยู่ที่ประมาณ 4 หมื่นล้านลูกบาศก์เมตร โดยหนึ่งในสี่ของปริมาณสำรองเหล่านี้ตั้งอยู่ในแหล่งก๊าซคอนเดนเสทเซาท์พาร์ส/นอร์ทโดม ซึ่งมีกาตาร์และอิหร่านเป็นเจ้าของร่วมกัน ในปี 2558 และ 2559 มีการประกาศปริมาณสำรองที่เป็นไปได้มากขึ้นในเทือกเขาร็อกกี้ อเมริกาเหนือและในแอฟริกาตะวันออก

ผลิตและจำหน่ายที่ทันสมัย

สำหรับการใช้งานขนาดใหญ่ ฮีเลียมจะถูกสกัดโดยการกลั่นแบบแยกส่วนจากก๊าซธรรมชาติ ซึ่งสามารถบรรจุฮีเลียมได้มากถึง 7% เนื่องจากฮีเลียมมีจุดเดือดต่ำกว่าธาตุอื่นๆ อุณหภูมิต่ำและความดันสูงจึงถูกนำมาใช้เพื่อทำให้ก๊าซอื่นๆ เกือบทั้งหมดกลายเป็นของเหลว (ส่วนใหญ่เป็นไนโตรเจนและมีเทน) ก๊าซฮีเลียมดิบที่เกิดขึ้นจะถูกทำให้บริสุทธิ์โดยการลดอุณหภูมิอย่างต่อเนื่อง ซึ่ง ณ เวลานั้นไนโตรเจนและก๊าซอื่นๆ ที่เหลือเกือบทั้งหมดจะถูกตกตะกอนจากส่วนผสมของก๊าซ ถ่านกัมมันต์ถูกใช้เป็นขั้นตอนการทำให้บริสุทธิ์ขั้นสุดท้าย ซึ่งโดยทั่วไปจะผลิตฮีเลียมคลาส A บริสุทธิ์ได้ 99.995% สิ่งเจือปนหลักในฮีเลียมคลาส A คือนีออน ในขั้นตอนสุดท้ายของการผลิต ฮีเลียมส่วนใหญ่ที่ผลิตได้จะถูกทำให้เป็นของเหลวผ่านกระบวนการแช่แข็ง นี่เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการใช้งานที่ต้องใช้ฮีเลียมเหลว และยังช่วยให้ซัพพลายเออร์ฮีเลียมสามารถลดต้นทุนในการขนส่งฮีเลียมในระยะทางไกลได้ เนื่องจากคอนเทนเนอร์ฮีเลียมเหลวที่ใหญ่ที่สุดมีความจุมากกว่าห้าเท่าของรถพ่วงก๊าซฮีเลียมที่ใหญ่ที่สุด ในปี พ.ศ. 2551 มีการสกัดฮีเลียมมาตรฐานประมาณ 169 ล้านลูกบาศก์เมตรจากก๊าซธรรมชาติหรือถอนออกจากปริมาณสำรองฮีเลียม ประมาณ 78% จากสหรัฐอเมริกา 10% จากแอลจีเรีย และส่วนที่เหลือส่วนใหญ่มาจากรัสเซีย โปแลนด์ และกาตาร์ ภายในปี 2013 การผลิตฮีเลียมที่เพิ่มขึ้นในกาตาร์ (RasGas ภายใต้ Air Liquide) ทำให้กาตาร์มีส่วนแบ่งการผลิตฮีเลียมทั่วโลกเพิ่มขึ้นเป็น 25% และทำให้ประเทศนี้เป็นผู้ส่งออกฮีเลียมรายใหญ่เป็นอันดับสองรองจากสหรัฐอเมริกา คาดกันว่ามีการค้นพบฮีเลียมประมาณ 54 พันล้านลูกบาศก์ฟุต (1.5 × 109 ม.3) ในประเทศแทนซาเนียในปี 2559 ในสหรัฐอเมริกา ฮีเลียมส่วนใหญ่สกัดจากก๊าซธรรมชาติในฮูโกตันและแหล่งก๊าซใกล้เคียงในแคนซัส โอคลาโฮมา และแหล่งขอทานในเท็กซัส ก๊าซส่วนใหญ่เคยถูกส่งไปยัง National Helium Reserve แต่ปริมาณสำรองได้หมดลงและขายออกไปตั้งแต่ปี 2548 และคาดว่าจะหมดไปส่วนใหญ่ภายในปี 2564 ตามพระราชบัญญัติ Responsible Helium and Stewardship Act ที่ผ่านในเดือนตุลาคม 2556 (HR 527) การแพร่กระจายของก๊าซธรรมชาติดิบผ่านเยื่อกึ่งซึมผ่านพิเศษและสิ่งกีดขวางอื่นๆ เป็นอีกวิธีหนึ่งในการนำฮีเลียมกลับมาบริสุทธิ์อีกครั้ง ในปี พ.ศ. 2539 สหรัฐอเมริกาค้นพบปริมาณสำรองฮีเลียมในบ่อก๊าซดังกล่าว ซึ่งมีขนาดประมาณ 147 พันล้านลูกบาศก์ฟุตมาตรฐาน (4.2 พันล้าน SCM) ด้วยอัตราการใช้ในขณะนั้น (72 ล้าน SCM ต่อปีในสหรัฐอเมริกา) จะมีฮีเลียมเพียงพอที่จะคงอยู่ได้ประมาณ 58 ปีในสหรัฐอเมริกา และน้อยกว่านั้น (อาจถึง 80% ของเวลาทั้งหมด) ในโลก แต่ปัจจัยที่ส่งผลต่อเศรษฐกิจและการประมวลผลส่งผลต่อตัวชี้วัดปริมาณสำรองที่มีประสิทธิภาพ ฮีเลียมต้องถูกสกัดจากก๊าซธรรมชาติ เนื่องจากเป็นเพียงเศษเสี้ยวของนีออนในอากาศ แต่มีความต้องการมากกว่ามาก มีการประเมินว่าหากผลิตภัณฑ์นีออนทั้งหมดถูกแปลงเป็นฮีเลียมกักเก็บ ความต้องการฮีเลียมของโลกจะสามารถตอบสนองได้ 0.1% ในทำนองเดียวกัน ความต้องการฮีเลียมของโลกเพียง 1% เท่านั้นที่สามารถทำได้โดยการติดตั้งโรงงานกลั่นอากาศทั้งหมดใหม่ ฮีเลียมสามารถสังเคราะห์ได้โดยการระดมยิงลิเธียมหรือโบรอนด้วยโปรตอนความเร็วสูง หรือโดยการระดมยิงลิเธียมด้วยดิวเทอรอน แต่กระบวนการเหล่านี้ไม่ประหยัดเลย ฮีเลียมมีจำหน่ายในท้องตลาดทั้งในรูปแบบของเหลวหรือก๊าซ ในฐานะของเหลว สามารถบรรจุในภาชนะฉนวนขนาดเล็กที่เรียกว่า dewars ซึ่งบรรจุฮีเลียมได้มากถึง 1,000 ลิตร หรือในภาชนะ ISO ขนาดใหญ่ ซึ่งมีความจุระบุสูงสุด 42 ลบ.ม. (ประมาณ 11,000 แกลลอนสหรัฐฯ) ในรูปก๊าซ ฮีเลียมปริมาณเล็กน้อยจะถูกขายในถังแรงดันสูงที่จุฮีเลียมได้มากถึง 8 ลบ.ม. (ประมาณ 282 ลูกบาศก์ฟุตมาตรฐาน) ในขณะที่ก๊าซแรงดันสูงปริมาณมากจะถูกจ่ายในรถพ่วงแบบท่อที่มีความจุ 4,860 ลบ.ม. (ประมาณ 172,000 ลูกบาศก์ฟุตมาตรฐาน) ของฮีเลียม ลูกบาศก์ฟุต)

การป้องกันความปลอดภัยของฮีเลียม

ตามที่ผู้สนับสนุนการอนุรักษ์ฮีเลียม เช่น นักฟิสิกส์เจ้าของรางวัลโนเบล โรเบิร์ต โคลแมน ริชาร์ดสัน เขียนไว้ในปี 2010 ราคาฮีเลียมในตลาดเสรีมีส่วนทำให้มีการใช้ฮีเลียมอย่าง "สิ้นเปลือง" (เช่น บอลลูนฮีเลียม) ในช่วงทศวรรษ 2000 ราคาถูกปรับลดลงจากการตัดสินใจของรัฐสภาคองเกรสแห่งสหรัฐอเมริกาที่จะขายฮีเลียมสำรองจำนวนมากในประเทศภายในปี 2558 ราคาจะต้องคูณด้วย 20 เพื่อลดการสูญเสียฮีเลียมมากเกินไป Richardson กล่าว ในหนังสือของเขาเรื่อง “อนาคตของฮีเลียมในฐานะ” ทรัพยากรธรรมชาติ” (Routledge, 2012) Nuttall, Clarke & Glowacki (2012) ยังได้เสนอให้มีการจัดตั้ง International Helium Agency (IHA) เพื่อสร้างตลาดที่ยั่งยืนสำหรับสินค้าโภคภัณฑ์อันล้ำค่านี้

พื้นที่ใช้งาน

แม้ว่าบอลลูนอาจเป็นวิธีที่ดีที่สุดในการใช้ฮีเลียม แต่ก็ถือเป็นส่วนเล็กๆ ของการใช้ฮีเลียมทั้งหมด ฮีเลียมใช้เพื่อวัตถุประสงค์หลายประการที่ต้องการคุณสมบัติเฉพาะบางอย่าง เช่น จุดเดือดต่ำ ความหนาแน่นต่ำ ความสามารถในการละลายต่ำ การนำความร้อนสูง หรือความเฉื่อย จากการผลิตฮีเลียมทั่วโลกทั้งหมดในปี 2014 ฮีเลียมประมาณ 32 ล้านกิโลกรัม (180 ล้านลูกบาศก์เมตรมาตรฐาน) ต่อปี การใช้ที่ใหญ่ที่สุด (ประมาณ 32% ของทั้งหมดในปี 2014) อยู่ในการใช้งานแบบแช่แข็ง ซึ่งส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการทำความเย็นแม่เหล็กยิ่งยวดในทางการแพทย์ เครื่องสแกน MRI และสเปกโตรมิเตอร์ NMR การใช้งานหลักอื่นๆ ได้แก่ ระบบแรงดันและไล่อากาศ การเชื่อม การบำรุงรักษาบรรยากาศที่ควบคุม และการตรวจจับการรั่วไหล การใช้งานอื่น ๆ ตามหมวดหมู่คิดเป็นเศษส่วนค่อนข้างน้อย

บรรยากาศที่ได้รับการควบคุม

ฮีเลียมถูกใช้เป็นก๊าซป้องกันในการเจริญเติบโตของผลึกซิลิคอนและเจอร์เมเนียม ในการผลิตไทเทเนียมและเซอร์โคเนียม และในแก๊สโครมาโตกราฟี เนื่องจากมีความเฉื่อย เนื่องจากความเฉื่อย ธรรมชาติทางความร้อนและแคลอรี่ที่สมบูรณ์แบบ ความเร็วของเสียงที่สูง และอัตราส่วนความจุความร้อนสูง จึงยังมีประโยชน์ในอุโมงค์ลมความเร็วเหนือเสียงและโรงงานอิมพัลส์อีกด้วย

การเชื่อมอาร์กทังสเตนแก๊ส

ฮีเลียมถูกใช้เป็นก๊าซป้องกันในกระบวนการเชื่อมอาร์กบนวัสดุที่มีการปนเปื้อนและทำให้อ่อนลงโดยอากาศหรือไนโตรเจนที่อุณหภูมิการเชื่อม การเชื่อมอาร์กทังสเตนด้วยแก๊สใช้ก๊าซป้องกันเฉื่อยหลายประเภท แต่ใช้ฮีเลียมแทนอาร์กอนราคาถูก โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับวัสดุการเชื่อมที่มีการนำความร้อนสูงกว่า เช่น อลูมิเนียมหรือทองแดง

การใช้งานทั่วไปไม่มากนัก

การตรวจจับการรั่วไหลทางอุตสาหกรรม

การใช้ฮีเลียมในอุตสาหกรรมอย่างหนึ่งคือการตรวจจับการรั่วไหล เนื่องจากฮีเลียมแพร่กระจายผ่านของแข็งได้เร็วกว่าอากาศถึงสามเท่า จึงถูกใช้เป็นก๊าซติดตามเพื่อตรวจจับการรั่วไหลในอุปกรณ์สุญญากาศสูง (เช่น ถังไครโอเจนิก) และภาชนะแรงดันสูง สารทดสอบจะถูกวางไว้ในห้องซึ่งจะถูกอพยพออกไปและเต็มไปด้วยฮีเลียม ฮีเลียมที่ไหลผ่านรอยรั่วจะถูกตรวจพบโดยอุปกรณ์ที่มีความละเอียดอ่อน (แมสสเปกโตรมิเตอร์ฮีเลียม) แม้ที่อัตราการรั่วไหล 10-9 มิลลิบาร์ ลิตร/วินาที (10-10 ปาสคาล ลบ.ม./วินาที) โดยปกติขั้นตอนการวัดจะดำเนินการโดยอัตโนมัติและเรียกว่าการทดสอบอินทิกรัลฮีเลียม ขั้นตอนง่ายๆ คือเติมฮีเลียมลงในวัตถุทดสอบและค้นหารอยรั่วด้วยตนเองโดยใช้อุปกรณ์มือถือ ไม่ควรสับสนระหว่างการรั่วไหลของฮีเลียมผ่านรอยแตกร้าวกับการซึมผ่านของก๊าซผ่านวัสดุเทกอง แม้ว่าฮีเลียมจะบันทึกค่าคงที่การซึมผ่าน (เช่น อัตราการซึมผ่านโดยประมาณ) ผ่านแก้ว เซรามิก และวัสดุสังเคราะห์ ก๊าซมีตระกูล เช่น ฮีเลียม จะไม่ทะลุผ่านโลหะขนาดใหญ่ส่วนใหญ่ได้

บิน

เนื่องจากฮีเลียมเบากว่าอากาศ เรือบินและบอลลูนจึงถูกสูบด้วยก๊าซนี้เพื่อยกขึ้นไปในอากาศ แม้ว่าก๊าซไฮโดรเจนจะสามารถเกาะติดกับพื้นผิวได้ดีกว่าและแทรกซึมเข้าไปในเมมเบรนในอัตราที่ช้ากว่า แต่ฮีเลียมก็มีข้อดีตรงที่ไม่ติดไฟและเป็นสารหน่วงไฟอย่างแท้จริง การใช้ฮีเลียมเพียงเล็กน้อยอีกประการหนึ่งคือในจรวด โดยที่ฮีเลียมถูกใช้เป็นเบาะอากาศเพื่อทดแทนเชื้อเพลิงและตัวออกซิไดเซอร์ในถังเก็บ และเพื่อควบแน่นไฮโดรเจนและออกซิเจนเพื่อผลิตเชื้อเพลิงจรวด นอกจากนี้ ยังใช้ในการฟอกเชื้อเพลิงและออกซิไดเซอร์จากอุปกรณ์สนับสนุนภาคพื้นดินก่อนปล่อย และเพื่อทำให้ไฮโดรเจนเหลวเย็นบนยานอวกาศ ตัวอย่างเช่น จรวดแซทเทิร์น 5 ที่ใช้ในโครงการอะพอลโล ต้องใช้ฮีเลียมประมาณ 370,000 ลูกบาศก์เมตร (13 ล้านลูกบาศก์ฟุต) ในการปล่อย

การใช้งานเชิงพาณิชย์และการพักผ่อนหย่อนใจเล็กน้อย

ฮีเลียมในฐานะก๊าซหายใจไม่มีคุณสมบัติเป็นสารเสพติด ดังนั้นส่วนผสมของฮีเลียม เช่น Trimix, Heliox และ Heliair จึงถูกนำมาใช้ในการดำน้ำลึกเพื่อลดผลกระทบของการดมยาสลบ ซึ่งจะแย่ลงเมื่อความลึกเพิ่มขึ้น เมื่อความดันเพิ่มขึ้นที่ความลึก ความหนาแน่นของก๊าซหายใจก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน และฮีเลียมที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำจะช่วยลดความพยายามในการหายใจลงอย่างมาก โดยลดความหนาแน่นของส่วนผสมลง ซึ่งจะช่วยลดจำนวนการไหลของ Reynolds ซึ่งส่งผลให้การไหลเชี่ยวน้อยลงและการไหลแบบราบเรียบมากขึ้น ซึ่งต้องใช้ความพยายามน้อยลงในการหายใจ ที่ระดับความลึกต่ำกว่า 150 เมตร (490 ฟุต) นักดำน้ำที่สูดดมสารผสมฮีเลียม-ออกซิเจนจะเริ่มมีอาการสั่นและการทำงานของจิตลดลง ซึ่งเป็นกลุ่มอาการทางประสาทที่เกิดจาก ความดันโลหิตสูง. ในระดับหนึ่ง ผลกระทบนี้อาจได้รับการอำนวยความสะดวกโดยการเติมก๊าซยาเสพติดบางชนิด เช่น ไฮโดรเจนหรือไนโตรเจน ลงในส่วนผสมของฮีเลียม-ออกซิเจน เลเซอร์ฮีเลียม-นีออน ซึ่งเป็นเลเซอร์แก๊สพลังงานต่ำชนิดหนึ่งที่สร้างลำแสงสีแดง มีการใช้งานจริงที่หลากหลาย รวมถึงเครื่องอ่านบาร์โค้ดและตัวชี้เลเซอร์ ก่อนที่จะถูกแทนที่ด้วยเลเซอร์ไดโอดที่ราคาถูกกว่าเกือบทั้งหมด เนื่องจากความเฉื่อยและการนำความร้อนสูง ความโปร่งใสของนิวตรอน และการขาดการก่อตัวของไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีภายใต้สภาวะของเครื่องปฏิกรณ์ ฮีเลียมจึงถูกใช้เป็นสารหล่อเย็นในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ระบายความร้อนด้วยแก๊สบางเครื่อง ฮีเลียมผสมกับก๊าซที่หนักกว่า เช่น ซีนอน มีประโยชน์ในการทำความเย็นแบบเทอร์โมอะคูสติก เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์ความจุความร้อนสูงและค่า Prandtl ต่ำ ความเฉื่อยของฮีเลียมมีข้อได้เปรียบด้านสิ่งแวดล้อมมากกว่าระบบทำความเย็นแบบดั้งเดิม ซึ่งส่งผลให้โอโซนหมดสิ้นหรือภาวะโลกร้อน ฮีเลียมยังใช้ในฮาร์ดไดรฟ์บางตัวด้วย

การประยุกต์ทางวิทยาศาสตร์

การใช้ฮีเลียมช่วยลดผลกระทบจากการบิดเบือนของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในช่องว่างระหว่างเลนส์ในกล้องโทรทรรศน์บางรุ่น เนื่องจากมีดัชนีการหักเหของแสงต่ำมาก วิธีการนี้ใช้เป็นพิเศษในกล้องโทรทรรศน์สุริยะ ซึ่งท่อกล้องโทรทรรศน์ที่หุ้มฉนวนสุญญากาศจะหนักเกินไป ฮีเลียมเป็นก๊าซตัวพาที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับแก๊สโครมาโตกราฟี อายุของหินและแร่ธาตุที่มียูเรเนียมและทอเรียมสามารถประมาณได้โดยการวัดระดับฮีเลียมในกระบวนการที่เรียกว่าการหาอายุของฮีเลียม ฮีเลียมที่อุณหภูมิต่ำถูกใช้ในไครโอเจนิกส์และการใช้งานไครโอเจนิกส์บางชนิด ตัวอย่างของการใช้งานดังกล่าว ฮีเลียมเหลวถูกใช้เพื่อทำให้โลหะบางชนิดเย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่ต่ำมากซึ่งจำเป็นสำหรับความเป็นตัวนำยิ่งยวด เช่น ในแม่เหล็กที่เป็นตัวนำยิ่งยวดสำหรับการถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก เครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ที่ CERN ใช้ฮีเลียมเหลว 96 ตันเพื่อรักษาอุณหภูมิไว้ที่ 1.9 เคลวิน

การสูดดมและความปลอดภัย

ผลกระทบ

ฮีเลียมเป็นกลางไม่เป็นพิษภายใต้สภาวะมาตรฐาน ไม่มีบทบาททางชีวภาพใดๆ และพบได้ในปริมาณเล็กน้อยในเลือดของมนุษย์ ความเร็วของเสียงในฮีเลียมนั้นเกือบสามเท่าของความเร็วเสียงในอากาศ เนื่องจากความถี่พื้นฐานของช่องที่เต็มไปด้วยก๊าซจะเป็นสัดส่วนกับความเร็วของเสียงในก๊าซ เมื่อสูดดมฮีเลียม จะมีความถี่เรโซแนนซ์ของระบบเสียงเพิ่มขึ้นตามลำดับ ความถี่พื้นฐาน (บางครั้งเรียกว่าโทนเสียง) จะไม่เปลี่ยนแปลง เนื่องจากเกิดขึ้นจากการสั่นสะเทือนโดยตรงของเส้นเสียง ซึ่งไม่เปลี่ยนแปลง อย่างไรก็ตาม ความถี่เรโซแนนซ์ที่สูงขึ้นจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของเสียงต่ำ ส่งผลให้ได้เสียงที่บางเหมือนเป็ด ผลตรงกันข้ามคือการลดความถี่เรโซแนนซ์โดยการสูดดมก๊าซหนาแน่น เช่น ซัลเฟอร์เฮกซาฟลูออไรด์หรือซีนอน

อันตราย

การสูดดมฮีเลียมในปริมาณที่มากเกินไปอาจเป็นอันตรายได้ เนื่องจากฮีเลียมเป็นสารที่ทำให้หายใจไม่ออกซึ่งจะไปแทนที่ออกซิเจนที่จำเป็นสำหรับการหายใจตามปกติ มีรายงานการเสียชีวิต รวมถึงชายหนุ่มคนหนึ่งที่หายใจไม่ออกในแวนคูเวอร์ในปี 2546 และผู้ใหญ่สองคนที่หายใจไม่ออกในฟลอริดาตอนใต้ในปี 2549 ในปี 1998 เด็กหญิงชาวออสเตรเลีย (ไม่ทราบอายุ) จากวิกตอเรีย หมดสติและกลายเป็นสีน้ำเงินชั่วคราวหลังจากสูดดมสิ่งที่อยู่ในถังฮีเลียมทั้งหมด การสูดฮีเลียมโดยตรงจากกระบอกสูบที่มีแรงดันหรือแม้แต่วาล์วเติมกระบอกสูบเป็นอันตรายอย่างยิ่ง เนื่องจากอัตราการไหลและแรงกดดันที่สูงอาจทำให้เกิดบาโรบาดเจ็บซึ่งสร้างความเสียหายร้ายแรงต่อเนื้อเยื่อปอดได้ การเสียชีวิตที่เกิดจากฮีเลียมนั้นหาได้ยาก กรณีที่ได้รับรายงานครั้งแรกเป็นเด็กหญิงชาวเท็กซัสวัย 15 ปี ซึ่งเสียชีวิตในปี 2541 จากการสูดดมฮีเลียมในงานปาร์ตี้ของเพื่อน ในสหรัฐอเมริกา มีรายงานการเสียชีวิตเพียงสองครั้งระหว่างปี 2543 ถึง 2547 รวมถึงชายที่เสียชีวิตในนอร์ทแคโรไลนาจากบาโรบาดเจ็บในปี 2545 ชายหนุ่มคนหนึ่งหายใจไม่ออกในแวนคูเวอร์เมื่อปี 2546 และชายวัย 27 ปีในออสเตรเลียมีอาการเส้นเลือดอุดตันหลังจากสูดดมก๊าซจากกระบอกสูบในปี 2543 ตั้งแต่นั้นมา ผู้ใหญ่สองคนต้องหายใจไม่ออกในฟลอริดาตอนใต้ในปี 2549 มีรายงานผู้ป่วยหลายรายในปี 2552 และ 2553 โดยรายหนึ่งเกี่ยวข้องกับเยาวชนชาวแคลิฟอร์เนียโดยพบว่ามีถุงคลุมศีรษะติดอยู่กับถังฮีเลียม และอีกรายเกี่ยวข้องกับวัยรุ่นในไอร์แลนด์เหนือ เสียชีวิต ของการหายใจไม่ออก ในเมืองอีเกิ้ลพอยต์ รัฐโอเรกอน เด็กสาววัยรุ่นเสียชีวิตในปี 2555 จากอาการบาดเจ็บที่ร่างกายในงานปาร์ตี้ เด็กหญิงชาวมิชิแกนเสียชีวิตด้วยภาวะขาดออกซิเจนในปลายปีนั้น เมื่อวันที่ 4 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2558 มีการเปิดเผยว่าในวันที่ 28 มกราคม ในระหว่างการบันทึกเทปรายการโทรทัศน์ของเกิร์ลกรุ๊ปญี่ปุ่น 3B Junior สมาชิกวัย 12 ปีของกลุ่ม (ซึ่งชื่อถูกเก็บเป็นความลับ) ได้รับบาดเจ็บเส้นเลือดอุดตัน หมดสติและ ตกอยู่ในอาการโคม่าเนื่องจากฟองอากาศขัดขวางการไหลเวียนของเลือดในสมองหลังจากสูดดมฮีเลียมจำนวนมหาศาล เหตุการณ์ดังกล่าวไม่ได้ถูกเปิดเผยต่อสาธารณะจนกระทั่งในสัปดาห์ถัดมา เจ้าหน้าที่ TV Asahi จัดงานแถลงข่าวฉุกเฉินเพื่อรายงานว่าเด็กหญิงรายดังกล่าวถูกนำตัวส่งโรงพยาบาลแล้ว และเธอกำลังแสดงสัญญาณของการฟื้นฟู เช่น การเคลื่อนไหวของดวงตาและแขนขา แต่สติสัมปชัญญะของเธอยังไม่ฟื้นตัวเต็มที่ ตำรวจเริ่มสอบสวนเนื่องจากการละเลยมาตรการรักษาความปลอดภัย ข้อกังวลด้านความปลอดภัยสำหรับฮีเลียมแช่แข็งมีความคล้ายคลึงกับไนโตรเจนเหลว อุณหภูมิที่ต่ำมากอาจทำให้เกิดการไหม้เนื่องจากความเย็น และอัตราส่วนการขยายตัวของของเหลวต่อก๊าซอาจทำให้เกิดการระเบิดได้ เว้นแต่จะติดตั้งอุปกรณ์ระบายแรงดัน ภาชนะบรรจุก๊าซฮีเลียมที่อุณหภูมิ 5-10 เคลวินควรได้รับการปฏิบัติเสมือนบรรจุฮีเลียมเหลวเนื่องจากการขยายตัวทางความร้อนอย่างรวดเร็วและมีนัยสำคัญซึ่งเกิดขึ้นเมื่อก๊าซฮีเลียมที่อุณหภูมิต่ำกว่า 10 เคลวินถูกให้ความร้อนจนถึง อุณหภูมิห้อง. ที่แรงดันสูง (มากกว่าประมาณ 20 atm หรือสอง MPa) ส่วนผสมของฮีเลียมและออกซิเจน (heliox) สามารถทำให้เกิดอาการทางประสาทแรงดันสูง ซึ่งเป็นผลของยาชาแบบย้อนกลับ การเติมไนโตรเจนเล็กน้อยลงในส่วนผสมอาจช่วยบรรเทาปัญหาได้

:แท็ก

รายชื่อวรรณกรรมที่ใช้:

Rayet, G. (1868) "Analyse spectral des protuberances observées, pendant l"éclipse totole de Soleilvisible le 18 août 1868, à la presqu"île de Malacca" (การวิเคราะห์สเปกตรัมของส่วนที่ยื่นออกมาซึ่งสังเกตได้ระหว่างสุริยุปราคาเต็มดวง เห็นบน 18 สิงหาคม พ.ศ. 2411 จากคาบสมุทรมะละกา) Comptes rendus…, 67: 757–759 จากหน้า 758: "... je vis immédiatement une série de neuf lignes brillantes qui... me semblent devoir être assimilées aux lignes Princes du spectre solaire, B, D, E, b, une ligne inconnue, F, et deux lignes du groupe จี" (... ฉันเห็นเส้นสว่างเก้าเส้นทันทีที่... สำหรับฉันดูเหมือนว่าควรจัดเป็นเส้นหลักของสเปกตรัมสุริยะ B, D, E, b, เส้นที่ไม่รู้จัก, F และเส้นสองเส้นของ กลุ่มจี

ฮีเลียม(lat. ฮีเลียม) สัญลักษณ์ He ซึ่งเป็นองค์ประกอบทางเคมีของกลุ่ม VIII ของระบบธาตุ หมายถึงก๊าซเฉื่อย หมายเลขซีเรียล 2 มวลอะตอม 4.0026; ก๊าซไม่มีสีและไม่มีกลิ่น ก๊าซธรรมชาติประกอบด้วยไอโซโทปเสถียรสองชนิด: 3he และ 4he (เนื้อหาของ 4he มีอิทธิพลเหนือกว่าอย่างมาก)

เป็นครั้งแรกที่มีการค้นพบก๊าซไม่ได้บนโลกซึ่งเป็นที่หายาก แต่อยู่ในชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ ในปี พ.ศ. 2411 เจ. แจนเซน ชาวฝรั่งเศสและเจ. เอ็น. ล็อคเยอร์ชาวอังกฤษ ศึกษาองค์ประกอบทางสเปกโทรสโกปีของความโดดเด่นของดวงอาทิตย์ ภาพที่พวกเขาได้รับมีเส้นสีเหลืองสดใส (เรียกว่าเส้น d3) ซึ่งไม่สามารถนำมาประกอบกับองค์ประกอบใดๆ ที่รู้จักในขณะนั้นได้ ในปี พ.ศ. 2414 ล็อคเยอร์ได้อธิบายต้นกำเนิดของมันโดยการมีอยู่ขององค์ประกอบใหม่ในดวงอาทิตย์ซึ่งเรียกว่าฮีเลียม (จากภาษากรีกเฮลิออส - ดวงอาทิตย์) บนโลก ไฮโดรเจนถูกแยกได้ครั้งแรกในปี พ.ศ. 2438 โดยชาวอังกฤษ ดับเบิลยู. แรมซีย์ จากแร่เคลวีต์ที่มีกัมมันตภาพรังสี สเปกตรัมของก๊าซที่ปล่อยออกมาเมื่อให้ความร้อนกับคลีฟไฟต์แสดงเป็นเส้นเดียวกัน

ฮีเลียมในธรรมชาติ มีไฮโดรเจนเพียงเล็กน้อยบนโลก: ในอากาศ 1 m3 มีไฮโดรเจนเพียง 5.24 cm3 และวัสดุบนโลกแต่ละกิโลกรัมมีไฮโดรเจน 0.003 มก. ในแง่ของความชุกในจักรวาลไฮโดรเจนอยู่ในอันดับที่สองรองจากไฮโดรเจน: ไฮโดรเจนมีสัดส่วนประมาณ 23 % มวลจักรวาล

บนโลก ไฮโดรเจน (หรือแม่นยำกว่านั้นคือไอโซโทป 4he) ก่อตัวขึ้นอย่างต่อเนื่องในระหว่างการสลายตัวของยูเรเนียม ทอเรียม และธาตุกัมมันตภาพรังสีอื่นๆ (โดยรวมแล้ว เปลือกโลกมีไอโซโทปกัมมันตรังสีประมาณ 29 ไอโซโทปที่ผลิต 4he)

ประมาณครึ่งหนึ่งของก๊าซทั้งหมดกระจุกตัวอยู่ในเปลือกโลก โดยส่วนใหญ่อยู่ในเปลือกหินแกรนิต ซึ่งสะสมปริมาณสำรองหลักของธาตุกัมมันตภาพรังสี ปริมาณไฮโดรเจนในเปลือกโลกต่ำ - 3 × 10-7% โดยน้ำหนัก G. สะสมในการสะสมก๊าซอิสระของดินใต้ผิวดินและในน้ำมัน เงินฝากดังกล่าวเข้าถึงระดับอุตสาหกรรม พบความเข้มข้นสูงสุดของก๊าซ (10-13%) ในการสะสมก๊าซอิสระและก๊าซของเหมืองยูเรเนียมและ (20-25%) ในก๊าซที่ปล่อยออกมาตามธรรมชาติจากน้ำใต้ดิน ยิ่งหินตะกอนที่มีก๊าซมีอายุมากขึ้นและมีองค์ประกอบกัมมันตรังสีอยู่ในนั้นก็จะยิ่งมีก๊าซในองค์ประกอบของก๊าซธรรมชาติมากขึ้นเท่านั้น ก๊าซภูเขาไฟมักจะมีปริมาณ G ต่ำ

ไฮโดรคาร์บอนผลิตในระดับอุตสาหกรรมจากก๊าซธรรมชาติและก๊าซปิโตรเลียมที่มีทั้งองค์ประกอบไฮโดรคาร์บอนและไนโตรเจน ขึ้นอยู่กับคุณภาพของวัตถุดิบ เงินฝากฮีเลียมแบ่งออกเป็น: เข้มข้น (ปริมาณเขา > 0.5% โดยปริมาตร); ธรรมดา (0.10-0.50) และแย่< 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).

ในก๊าซธรรมชาติจากแหล่งกำเนิดใดๆ (บรรยากาศ จากก๊าซธรรมชาติ จากแร่กัมมันตภาพรังสี อุกกาบาต ฯลฯ) ไอโซโทป 4he มีอิทธิพลเหนือกว่า เนื้อหาของ 3he มักจะต่ำ (ขึ้นอยู่กับแหล่งที่มาของก๊าซโดยมีตั้งแต่ 1.3 × 10-4 ถึง 2 × 10-8%) และเฉพาะในก๊าซที่แยกได้จากอุกกาบาตเท่านั้นที่จะถึง 17-31.5% อัตราการก่อตัวของ 4he ในระหว่างการสลายตัวของกัมมันตรังสีต่ำ: ในหินแกรนิต 1 ตันที่ประกอบด้วยยูเรเนียม 3 กรัมและทอเรียม 15 กรัม ก๊าซ 1 มก. จะเกิดขึ้นใน 7.9 ล้านปี อย่างไรก็ตาม เนื่องจากกระบวนการนี้เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง ในระหว่างการดำรงอยู่ของโลก จึงควรตรวจสอบให้แน่ใจว่าปริมาณไฮโดรเจนในชั้นบรรยากาศ เปลือกโลก และไฮโดรสเฟียร์มากกว่าปริมาณที่มีอยู่อย่างมีนัยสำคัญ (ประมาณ 5 × 1,014 ลบ.ม.) การขาด G. นี้อธิบายได้จากการระเหยออกจากบรรยากาศอย่างต่อเนื่อง อะตอมเบาของก๊าซซึ่งเข้าสู่ชั้นบนของชั้นบรรยากาศ ค่อยๆ ได้รับความเร็วที่นั่นเหนือความเร็วจักรวาลที่ 2 และด้วยเหตุนี้จึงได้รับโอกาสในการเอาชนะแรงโน้มถ่วง การก่อตัวและการระเหยของก๊าซพร้อมกันทำให้ความเข้มข้นในบรรยากาศเกือบคงที่

โดยเฉพาะอย่างยิ่งไอโซโทป 3he นั้นถูกสร้างขึ้นในบรรยากาศในช่วงการสลายตัวของเบต้าของไอโซโทปหนักของไฮโดรเจน - ทริเทียม (T) ซึ่งในทางกลับกันก็เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาของนิวตรอนจากรังสีคอสมิกกับไนโตรเจนในอากาศ:

นิวเคลียสของอะตอม 4he (ประกอบด้วยโปรตอน 2 ตัวและนิวตรอน 2 ตัว) ที่เรียกว่าอนุภาคแอลฟาหรือเฮไลออน มีความเสถียรมากที่สุดในบรรดานิวเคลียสของสารประกอบ พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวคลีออน (โปรตอนและนิวตรอน) ใน 4he มีค่าสูงสุดเมื่อเปรียบเทียบกับนิวเคลียสขององค์ประกอบอื่น (28.2937 MeV) ดังนั้นการก่อตัวของนิวเคลียส 4he จากนิวเคลียสไฮโดรเจน (โปรตอน) 1H จึงมาพร้อมกับการปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาล เชื่อกันว่าปฏิกิริยานิวเคลียร์นี้: 41h = 4he + 2b+ + 2n [พร้อมกันกับ 4he, 2 โพซิตรอน (b +) และ 2 นิวตริโน (n) ถูกสร้างขึ้น] ทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานหลักสำหรับดวงอาทิตย์และดาวดวงอื่นที่คล้ายกับ มัน. ด้วยกระบวนการนี้ ก๊าซสำรองที่สำคัญมากจึงสะสมอยู่ในจักรวาล

คุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมี . ภายใต้สภาวะปกติ ก๊าซจัดเป็นก๊าซโมเลกุลเดี่ยว ไม่มีสีและไม่มีกลิ่น ความหนาแน่น 0.17846 g/l, tkip - 268.93°C. G. เป็นองค์ประกอบเดียวที่ในสถานะของเหลวไม่แข็งตัวที่ความดันปกติไม่ว่าจะเย็นลงลึกแค่ไหนก็ตาม ความดันต่ำสุดสำหรับการเปลี่ยนก๊าซของเหลวเป็นของแข็งคือ 2.5 Mn/m2 (25 น.) และความละลายจะเท่ากับ - 272.1°C ค่าการนำความร้อน (ที่ 0°C) 143.8 10-3 วัตต์/ซม. (k รัศมีของอะตอมไฮโดรเจนซึ่งกำหนดโดยวิธีการต่างๆ มีตั้งแต่ 0.85 ถึง 1.33 ประมาณ 8 .8 มิลลิลิตร G พลังงานไอออไนเซชันปฐมภูมิของ G มากกว่าองค์ประกอบอื่นใด - 39.38 10-13 J (24.58 eV); G. ไม่มีความสัมพันธ์กับอิเล็กตรอน Liquid G. ประกอบด้วย 4he เท่านั้น แสดงคุณสมบัติพิเศษหลายประการ (ดูด้านล่าง)

จนถึงขณะนี้ ความพยายามเพื่อให้ได้สารประกอบเคมีที่เสถียรของก๊าซสิ้นสุดลงด้วยความล้มเหลว (ดูก๊าซเฉื่อย) การมีอยู่ของไอออน he2+ ในการปล่อยได้รับการพิสูจน์แล้วด้วยสเปกโทรสโกปี ในปี 1967 นักวิจัยโซเวียต V.P. Bochin, N.V. Zakurin และ V.K. Kapyshev รายงานการสังเคราะห์ไอออน hef+, hef22+ และ hef2+ ในเขตปล่อยส่วนโค้งเนื่องจากปฏิกิริยาของไฮโดรเจนกับฟลูออรีน กับ bf3 หรือกับ ruf5 จากการคำนวณ พลังงานการแยกตัวของไอออน hef+ คือ 2.2 eV

ใบเสร็จรับเงินและการสมัคร ในอุตสาหกรรม ก๊าซผลิตจากก๊าซธรรมชาติที่มีฮีเลียม (ปัจจุบัน แหล่งที่มีก๊าซ >0.1% ส่วนใหญ่จะถูกนำมาใช้ประโยชน์) ก๊าซถูกแยกออกจากก๊าซอื่นๆ โดยวิธีการทำความเย็นแบบลึก โดยใช้ประโยชน์จากข้อเท็จจริงที่ว่ามันทำให้กลายเป็นของเหลวได้ยากกว่าก๊าซอื่นๆ ทั้งหมด

เนื่องจากความเฉื่อย ไฮโดรคาร์บอนจึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อสร้างบรรยากาศการป้องกันในระหว่างการหลอม การตัด และการเชื่อมโลหะที่แอคทีฟ G. มีการนำไฟฟ้าน้อยกว่าก๊าซเฉื่อย - อาร์กอนอื่น ๆ ดังนั้นส่วนโค้งไฟฟ้าในบรรยากาศของ G. จึงให้มากกว่า อุณหภูมิสูงซึ่งเพิ่มความเร็วของการเชื่อมอาร์กได้อย่างมาก เนื่องจากมีความหนาแน่นต่ำบวกกับไม่ติดไฟ จึงมีการใช้ก๊าซเพื่อเติมบอลลูนสตราโตสเฟียร์ ค่าการนำความร้อนสูงของก๊าซ ความเฉื่อยทางเคมี และความสามารถที่ต่ำมากในการทำปฏิกิริยานิวเคลียร์กับนิวตรอน ทำให้สามารถใช้ก๊าซในการทำความเย็นเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ได้ ก๊าซเหลวเป็นของเหลวที่เย็นที่สุดในโลกและทำหน้าที่เป็นสารหล่อเย็นในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ต่างๆ วิธีหนึ่งในการกำหนดอายุสัมบูรณ์คือการพิจารณาปริมาณทางธรณีวิทยาในแร่กัมมันตภาพรังสี (ดูธรณีวิทยา) เนื่องจาก G. ละลายได้ไม่ดีในเลือดจึงถูกใช้เป็น ส่วนประกอบอากาศเทียมที่จ่ายให้กับนักดำน้ำเพื่อการหายใจ (การแทนที่ไนโตรเจนด้วยไนโตรเจนจะช่วยป้องกันการเกิดการบีบอัดความเจ็บป่วย) นอกจากนี้ยังมีการศึกษาความเป็นไปได้ของการใช้ก๊าซในบรรยากาศของห้องโดยสารยานอวกาศ

S. S. Berdonosov, V. P. Yakutseni

ฮีเลียมเป็นของเหลว ปฏิกิริยาที่ค่อนข้างอ่อนของอะตอมของแก๊สทำให้อะตอมของก๊าซยังคงเป็นก๊าซและมีอุณหภูมิต่ำกว่าก๊าซอื่นๆ อุณหภูมิสูงสุดที่ต่ำกว่าซึ่งสามารถทำให้เป็นของเหลวได้ (อุณหภูมิวิกฤตของมันคือ tk) คือ 5.20 K ก๊าซเหลวเป็นของเหลวที่ไม่แข็งตัวเพียงชนิดเดียว: ที่ความดันปกติ (รูปที่ 1) ก๊าซยังคงเป็นของเหลวที่อุณหภูมิต่ำตามอำเภอใจ และจะแข็งตัวเฉพาะที่ความดันเกิน 2.5 ล้านตัน/ตรม. (25 น.)

ที่อุณหภูมิ t แล = 2.19 K และความดันปกติ ก๊าซเหลวจะผ่านการเปลี่ยนเฟสลำดับที่สอง G. เหนืออุณหภูมินี้เรียกว่า He i ด้านล่าง - He ii ที่อุณหภูมิของการเปลี่ยนเฟสความจุความร้อนที่เพิ่มขึ้นผิดปกติการแตกหักของเส้นโค้งของการขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของความหนาแน่นของก๊าซและปรากฏการณ์ลักษณะอื่น ๆ

ในปี 1938 P. L. Kapitsa ค้นพบความเป็นของเหลวยิ่งยวดใน He ii ซึ่งเป็นความสามารถในการไหลโดยแทบไม่มีความหนืด คำอธิบายของปรากฏการณ์นี้จัดทำโดย L. D. Landau (1941) บนพื้นฐานของแนวคิดทางกลควอนตัมเกี่ยวกับธรรมชาติ การเคลื่อนไหวด้วยความร้อนในของเหลว G

ที่อุณหภูมิต่ำ การเคลื่อนไหวนี้เรียกว่าการมีอยู่ของก๊าซเหลวของการกระตุ้นเบื้องต้น - โฟนัน (ควอนตัมเสียง) โดยมีพลังงาน e = hv (v คือความถี่ของเสียง h คือค่าคงที่ของพลังค์) และโมเมนตัม p = e/c (c = 240 เมตร/วินาที - ความเร็วเสียง) จำนวนและพลังงานของโฟนันจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น T ที่ t > 0.6 K การกระตุ้นด้วยพลังงานสูง (โรตอน) จะปรากฏขึ้น ซึ่งการพึ่งพา e(p) ไม่เป็นเชิงเส้น โฟนอนและโรตอนมีโมเมนตัมจึงมีมวล สัมพันธ์กับ 1 ซม. มวลนี้จะกำหนดความหนาแน่น rn ที่เรียกว่า ส่วนประกอบปกติของก๊าซเหลว ที่อุณหภูมิต่ำ rn มีแนวโน้มเป็นศูนย์ที่ T -> 0 การเคลื่อนที่ของส่วนประกอบปกติเช่นเดียวกับก๊าซธรรมดาจะมีลักษณะหนืด ส่วนที่เหลือของของเหลว G. ที่เรียกว่า ส่วนประกอบของไหลยิ่งยวดเคลื่อนที่โดยไม่มีแรงเสียดทาน ความหนาแน่นของมัน ps = p - pn ที่ T -> tแล pn -> pr ดังนั้นที่จุด ps จะกลายเป็นศูนย์และความเป็นของเหลวยิ่งยวดหายไป (เขาเป็นของเหลวหนืดธรรมดา)

ดังนั้นในก๊าซเหลว การเคลื่อนไหวสองครั้งที่ความเร็วต่างกันจึงสามารถเกิดขึ้นพร้อมกันได้

จากแนวคิดเหล่านี้ มีความเป็นไปได้ที่จะอธิบายผลกระทบที่สังเกตได้หลายประการ: เมื่อเขา ii ไหลออกจากภาชนะผ่านเส้นเลือดฝอยแคบ อุณหภูมิในภาชนะจะเพิ่มขึ้น เนื่องจาก สิ่งที่ไหลออกมาส่วนใหญ่เป็นส่วนประกอบของไหลยิ่งยวดซึ่งไม่ได้นำพาความร้อนไปด้วย (ที่เรียกว่า ผลกระทบทางกล) เมื่อความแตกต่างของอุณหภูมิถูกสร้างขึ้นระหว่างปลายของเส้นเลือดฝอยแบบปิดด้วย He ii การเคลื่อนไหวจะเกิดขึ้นในนั้น (ผลกระทบทางความร้อนเชิงกล) - ส่วนประกอบของไหลยิ่งยวดจะเคลื่อนที่จากปลายด้านเย็นไปยังส่วนที่ร้อนและกลายเป็นองค์ประกอบปกติซึ่งเคลื่อนที่เข้าหา ในขณะที่ไม่มีการไหลทั้งหมด เสียงสองประเภทสามารถแพร่กระจายในก๊าซเหลวได้ - แบบธรรมดาและแบบที่เรียกว่า เสียงที่สอง เมื่อเสียงที่สองแพร่กระจายในตำแหน่งที่ส่วนประกอบปกติกระจุกตัวอยู่ จะทำให้เกิดความหายากของส่วนประกอบซุปเปอร์ฟลูอิด

ทั้งหมดข้างต้นใช้กับก๊าซธรรมดาซึ่งประกอบด้วยไอโซโทป 4he เป็นส่วนใหญ่ ไอโซโทปที่หายากกว่า 3he มีคุณสมบัติควอนตัมแตกต่างจาก 4he) ของเหลว 3เขายังเป็นของเหลวที่ไม่แข็งตัว (tk = 3.33 K) แต่ไม่มีความเป็นของเหลวยิ่งยวด: ความหนืดของ 3เขาเพิ่มขึ้นโดยไม่มีขีดจำกัดเมื่ออุณหภูมิลดลง

แปลจากภาษาอังกฤษ: Keesom V., Helium, trans. จากภาษาอังกฤษ ม. 2492; Fastovsky V. G. , Rovinsky A. E. , Petrovsky Yu. V. , ก๊าซเฉื่อย, M. , 1964; Khalatnikov I.M., ทฤษฎีเบื้องต้นของการไหลยิ่งยวด, M. , 1965; Smirnov Yu. N., ฮีเลียมใกล้ศูนย์สัมบูรณ์, “Proda”, 1967, No. 10, p. 70; Yakutseni V.P. ธรณีวิทยาของฮีเลียม เลนินกราด 2511 ดูเพิ่มเติมที่ ถึงศิลปะ ก๊าซเฉื่อย.

HELIUM, He (ละตินฮีเลียมจากภาษากรีก helios - ดวงอาทิตย์เนื่องจากถูกค้นพบครั้งแรกในสเปกตรัมแสงอาทิตย์ * a. ฮีเลียม; n. ฮีเลียม; f. ฮีเลียม; i. เฮลิโอ) - องค์ประกอบ กลุ่มที่ 8ตารางธาตุของเมนเดเลเยฟ เป็นของก๊าซเฉื่อย เลขอะตอม 2 มวลอะตอม 4.0026 ฮีเลียมธรรมชาติประกอบด้วยไอโซโทปเสถียร 2 ไอโซโทป 3 He และ 4 He ค้นพบในปี พ.ศ. 2411 โดยนักดาราศาสตร์ชาวฝรั่งเศส เจ. แจนเซน และนักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษ เจ. เอ็น. ล็อคเยอร์ ในระหว่างการศึกษาสเปกโทรสโกปีเกี่ยวกับความโดดเด่นของดวงอาทิตย์ ฮีเลียมถูกแยกได้ครั้งแรกในปี พ.ศ. 2438 โดยนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ดับบลิว. แรมซีย์ จากแร่เคลวีต์ที่มีกัมมันตภาพรังสี

คุณสมบัติของฮีเลียม

ภายใต้สภาวะปกติ ฮีเลียมจะเป็นก๊าซไม่มีสีและไม่มีกลิ่น 0.178 กก./ลบ.ม. จุดเดือด - 268.93 °C ฮีเลียมเป็นองค์ประกอบเดียวที่อยู่ในสถานะของเหลวไม่แข็งตัวที่ความดันปกติไม่ว่าจะเย็นลงลึกแค่ไหนก็ตาม ในปี 1938 นักฟิสิกส์ชาวโซเวียต P. L. Kapitsa ค้นพบความเป็นของเหลวยิ่งยวดใน 4 He - ความสามารถในการไหลโดยไม่มีความหนืด ความดันขั้นต่ำที่ต้องใช้ในการแปลงฮีเลียมเหลวเป็นของแข็งคือ 2.5 MPa ในขณะที่จุดหลอมเหลวคือ 272.1 ° C (ที่ 0°C) 2.1.10 -2 W/m.K. โมเลกุลฮีเลียมประกอบด้วยอะตอมหนึ่งอะตอมโดยมีรัศมีตั้งแต่ 0.085 (เนติน) ถึง 0.133 นาโนเมตร (ฟานเดอร์วาลส์) (0.85-1.33 อี) ฮีเลียมประมาณ 8.8 มิลลิลิตรละลายในน้ำ 1 ลิตรที่อุณหภูมิ 20°C สารประกอบทางเคมีที่มีความเสถียรของ ยังไม่ได้รับฮีเลียม

ฮีเลียมในธรรมชาติ

ในแง่ของความแพร่หลายในจักรวาล ฮีเลียมอยู่ในอันดับที่สองรองจาก บนโลกมีฮีเลียมเพียงเล็กน้อย อากาศ 1 m 3 มีฮีเลียม 5.24 cm 3 ปริมาณเฉลี่ยอยู่ที่ 3.10 -7% ในชั้นเปลือกโลกมีองค์ประกอบทางพันธุกรรม 3 ประการของฮีเลียม ได้แก่ ฮีเลียมที่เกิดจากรังสี ฮีเลียมดึกดำบรรพ์ และในชั้นบรรยากาศ ฮีเลียมกัมมันตภาพรังสีเกิดขึ้นได้ทุกที่ในระหว่างการเปลี่ยนแปลงกัมมันตภาพรังสีของธาตุหนักและปฏิกิริยานิวเคลียร์ต่างๆ ฮีเลียมดึกดำบรรพ์จะเข้าสู่เปลือกโลกทั้งจากหินลึกที่บดบังฮีเลียมดึกดำบรรพ์และเก็บรักษาไว้ตั้งแต่การก่อตัวของดาวเคราะห์และจากอวกาศพร้อมกับฝุ่นจักรวาล อุกกาบาต ฯลฯ . ฮีเลียมในบรรยากาศจะเข้าสู่การตกตะกอนจากอากาศในระหว่างกระบวนการตกตะกอน และรวมถึงน้ำผิวดินที่แทรกซึมเข้าไปด้วย

ค่าของอัตราส่วน 3 He/4 He ในฮีเลียมกัมมันตภาพรังสีคือ 10 -8 ในฮีเลียมปกคลุม (ส่วนผสมระหว่างปฐมภูมิและสารก่อรังสี) (3±1).10 -5 ในคอสมิกฮีเลียม 10 -3 -10 -4, ใน อากาศในชั้นบรรยากาศ 1.4.10 -6. ไอโซโทป 4 He มีชัยเหนือฮีเลียมบนบกอย่างแน่นอน จำนวนหลัก 4 มันถูกสร้างขึ้นในช่วงการสลายตัวของธาตุกัมมันตภาพรังสีตามธรรมชาติ (ไอโซโทปรังสี, แอกตินูเรเนียมและ) แหล่งกำเนิดรองของการก่อตัวของ 4 He และ 3 He ในเปลือกโลกคือปฏิกิริยานิวเคลียร์ (นิวตรอนฟิชชันของลิเธียม ฯลฯ) การสลายของไอโซโทป ฯลฯ ในพื้นที่เสถียรโบราณของเปลือกโลก สารกัมมันตภาพรังสี 4 He 3 He/ 4 He = = (2±1 ).10 -8 . เปลือกโลกที่ถูกรบกวนจากการแปรสัณฐาน (เขตรอยแยก รอยเลื่อนลึก อุปกรณ์ปะทุ มีฤทธิ์ของเปลือกโลกหรือแผ่นดินไหว ฯลฯ) มีลักษณะเฉพาะด้วยจำนวนที่เพิ่มขึ้น 3 He 3 He/ 4 He = n.10 -5 สำหรับโครงสร้างทางธรณีวิทยาอื่นๆ อัตราส่วน 3 He/4 He ในก๊าซและของเหลวในอ่างเก็บน้ำจะแตกต่างกันไปภายใน 10 -8 -10 -7 ความแตกต่างของอัตราส่วนไอโซโทปฮีเลียม 3 He/ 4 He ในเนื้อโลกและฮีเลียมในเปลือกโลกเป็นตัวบ่งชี้ถึงความเชื่อมโยงสมัยใหม่ของของเหลวที่อยู่ลึกกับเนื้อโลก เนื่องจากความเบา ความเฉื่อยและการซึมผ่านของฮีเลียมสูง วัสดุที่ก่อตัวเป็นหินส่วนใหญ่จึงไม่สามารถกักเก็บฮีเลียมไว้ได้ และฮีเลียมจะอพยพผ่านช่องว่างรูพรุนที่แตกหักของหิน โดยละลายในของเหลวที่เติมเข้าไป บางครั้งถูกแยกออกจากโซนหลักของ รูปแบบ.

ฮีเลียมเป็นสิ่งเจือปนบังคับในก๊าซทุกชนิดที่ก่อตัวสะสมอย่างอิสระในเปลือกโลกหรือหลบหนีออกไปด้านนอกในรูปของไอพ่นก๊าซธรรมชาติ โดยปกติแล้วฮีเลียมจะเป็นส่วนผสมของก๊าซอื่นๆ เพียงเล็กน้อย ในกรณีที่หายากปริมาณของมันถึงหลาย% (โดยปริมาตร) พบความเข้มข้นสูงสุดของฮีเลียมในการสะสมก๊าซใต้ดิน (8-10%) ก๊าซยูเรเนียม (10-13%) และก๊าซละลายน้ำ (18-20%)

การผลิตฮีเลียม

ในอุตสาหกรรม ฮีเลียมได้มาจากก๊าซที่ประกอบด้วยฮีเลียมโดยการทำความเย็นแบบลึก (ลงไปที่ -190°C) และจะได้ปริมาณเล็กน้อยในระหว่างการทำงานของโรงแยกอากาศ ส่วนประกอบของก๊าซหลักจะถูกควบแน่น (แช่แข็ง) และฮีเลียมเข้มข้นที่เหลือจะถูกกำจัดไฮโดรเจนและออกไป นอกจากนี้ยังมีการพัฒนาวิธีการกระจายสำหรับการสกัดฮีเลียมอีกด้วย

การขนส่งและการจัดเก็บฮีเลียมอยู่ในภาชนะที่ปิดสนิท ฮีเลียมเกรด 1-2 มักจะถูกขนส่งในถังเหล็กที่มีความจุต่าง ๆ โดยปกติจะสูงถึง 40 ลิตร ภายใต้แรงกดดันสูงถึง 15 MPa สิ่งอำนวยความสะดวกในการจัดเก็บฮีเลียมยังได้รับการติดตั้งในห้องเกลือใต้ดิน และฮีเลียมดิบ (ประมาณ 60% He และ 40% N2) จะถูกเก็บไว้ในโครงสร้างก๊าซใต้ดินที่ใช้หมดแล้ว ฮีเลียมถูกจ่ายในระยะทางไกลทั้งในรูปแบบอัดและของเหลวโดยใช้การขนส่งที่มีอุปกรณ์พิเศษ รวมถึงทางท่อส่งก๊าซ (เช่น ในสหรัฐอเมริกา)

การใช้ฮีเลียม

การใช้ฮีเลียมขึ้นอยู่กับคุณสมบัติเฉพาะตัว เช่น ความเฉื่อยโดยสมบูรณ์ (การเชื่อมในบรรยากาศฮีเลียม การผลิตวัสดุบริสุทธิ์พิเศษและเซมิคอนดักเตอร์ สารเติมแต่งสำหรับส่วนผสมในการหายใจ ฯลฯ) ความสามารถในการซึมผ่านสูง (เครื่องตรวจจับการรั่วไหลในอุปกรณ์แรงดันสูงและต่ำ) ฮีเลียมเป็นองค์ประกอบทางเคมีชนิดเดียวที่ช่วยให้ได้รับอุณหภูมิต่ำเป็นพิเศษซึ่งจำเป็นสำหรับระบบตัวนำยิ่งยวดและการติดตั้งทุกประเภท (พลังงานจากความเย็นจัด) ฮีเลียมเหลวเป็นสารหล่อเย็นสำหรับการวิจัยทางวิทยาศาสตร์

ฮีเลียมเป็นองค์ประกอบทางเคมีที่มีเลขอะตอม 2 ในตารางธาตุขององค์ประกอบทางเคมี D.I. เมนเดเลเยฟ. สูตรเคมีเฮ ฮีเลียมเป็นก๊าซเฉื่อย ไม่มีสี และไม่มีกลิ่น

ฮีเลียมเป็นเรื่องธรรมดามากในจักรวาล เป็นอันดับสองรองจากไฮโดรเจน แต่มีฮีเลียมเพียงเล็กน้อยบนโลก

ฮีเลียมไม่ทำปฏิกิริยากับองค์ประกอบทางเคมีใดๆ อะตอมของมันไม่เชื่อมต่อกันด้วยซ้ำ ฮีเลียมไม่ไหม้

การค้นพบฮีเลียม

ฮีเลียมถูกค้นพบในปี พ.ศ. 2411 ระหว่างสุริยุปราคา ยิ่งกว่านั้น การค้นพบนี้เกิดขึ้นพร้อมๆ กันโดยนักดาราศาสตร์สองคน ได้แก่ ปิแอร์ จูลส์ แจนเซน ชาวฝรั่งเศส และโจเซฟ นอร์มัน ล็อกเยอร์ ชาวอังกฤษ ในสเปกตรัมของโคโรนาสุริยะ ทั้งคู่ค้นพบเส้นสีเหลืองอย่างอิสระซึ่งไม่ได้เป็นขององค์ประกอบใด ๆ ที่รู้จักในขณะนั้น ล็อกเยอร์ในปี พ.ศ. 2414 เสนอว่ามีองค์ประกอบทางเคมีใหม่อยู่ในดวงอาทิตย์ และในปี พ.ศ. 2438 นักเคมีชาวสก็อต วิลเลียม แรมซีย์ สามารถแยกก๊าซได้เป็นครั้งแรก จากแร่เคลวีต์กัมมันตภาพรังสี. สเปกตรัมของก๊าซนี้มีเส้นสีเหลืองเหมือนกันทุกประการ องค์ประกอบใหม่ได้รับการตั้งชื่อเฮลิออส - ดวงอาทิตย์

การผลิตฮีเลียม

ฮีเลียมได้มาจากก๊าซที่มีฮีเลียมตามธรรมชาติโดยใช้วิธีการทำความเย็นแบบลึก การปล่อยฮีเลียมจะดำเนินการในสองขั้นตอน ขั้นตอนแรกคือการผลิตฮีเลียมเข้มข้นโดยการควบแน่นที่อุณหภูมิต่ำ และขั้นตอนที่สองคือการทำให้ฮีเลียมเข้มข้นจากมีเทน ไฮโดรเจน ไนโตรเจน นีออน และอาร์กอนบริสุทธิ์

ปริมาณสำรองฮีเลียมที่สำคัญของโลกทั้งหมดตั้งอยู่ในแอลจีเรีย กาตาร์ สหรัฐอเมริกา และรัสเซีย ผู้ผลิตฮีเลียมรายใหญ่ที่สุดคือสหรัฐอเมริกา รัสเซียมีการขุดฮีเลียมไม่มากนัก เนื่องจากแหล่งสะสมหลักตั้งอยู่ในพื้นที่ที่ยังไม่พัฒนาของตะวันออกไกลและไซบีเรียตะวันออก

การใช้ฮีเลียม

ฮีเลียมมีค่าการนำไฟฟ้าและความร้อนสูง นอกจากนี้ยังมีจุดเดือดต่ำมาก ลบ 268.94 o C

ขอบเขตของฮีเลียมนั้นกว้างมาก

มีการใช้ส่วนผสมของก๊าซฮีเลียมและออกซิเจนเพื่อบรรเทาอาการหอบหืด ฮีเลียมละลายได้ในเลือดน้อยกว่าไนโตรเจนมาก ดังนั้นจึงถูกนำมาใช้ในการหายใจผสมที่จ่ายให้กับนักดำน้ำระหว่างการดำน้ำลึกเพื่อสร้างบรรยากาศเทียม ยานอวกาศและสถานี

กระบวนการทางเทคโนโลยีหลายอย่างในการผลิตไม่สามารถดำเนินการในสภาพแวดล้อมทางอากาศได้เนื่องจากความเป็นไปได้ที่วัตถุดิบเริ่มต้นหรือผลิตภัณฑ์ที่เป็นผลให้เกิดปฏิกิริยากับก๊าซอากาศ และที่นี่ ก๊าซฮีเลียมก็เข้ามาช่วยเหลือด้วยความช่วยเหลือในการสร้างสภาพแวดล้อมการป้องกันพิเศษ .

ขั้นตอนหนึ่งของการผลิตเชื้อเพลิงนิวเคลียร์เกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมที่มีการป้องกันฮีเลียม นอกจากนี้ ส่วนประกอบเชื้อเพลิงของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ยังถูกขนส่งและเก็บไว้ในภาชนะที่บรรจุเจลอีกด้วย ฮีเลียมใช้ในการตรวจจับการรั่วไหลที่อาจเกิดขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ฮีเลียมใช้ในเทอร์โมมิเตอร์แก๊ส สวิตช์ไฟฟ้าแรงสูง ในตัวนับนิวตรอน และสำหรับการหล่อลื่นแก๊สของตลับลูกปืน

ฮีเลียมถูกใช้เป็นสื่อเฉื่อยในการเชื่อมอาร์ก

เรือเหาะและลูกโป่งเต็มไปด้วยฮีเลียม

ฮีเลียมไม่เป็นพิษ และการสูดดมฮีเลียมในปริมาณเล็กน้อยพร้อมกับอากาศก็ไม่เป็นอันตราย