Helium - Wikipedia

Heliumun qalıqlarına ilk dəfə 18 Avqust 1868-ci ildə Günəşin xromosferinin spektrində 587.49 nanometr dalğa uzunluğu olan parlaq sarı bir xətt olaraq rast gəlindi. Xətt, Hindistanın Guntur şəhərində günəş tutulması zamanı fransız astronomu Jül Janssen tərəfindən aşkar edilmişdir.^[1][2] Bu xəttin əvvəlcə natrium olduğu ehtimal edildi. Elə həmin il oktyabrın 20-də İngilis astronomu Norman Lockyer günəş spektrində sarı bir xətt müşahidə etdi. O bu xəttə D ₃ adını verdi, çünki məlum D ₁ və D ₂ Fraunhofer xəttləri yaxınlığında idi.^[3][4] Bunun Yer kürəsində bilinməyən Günəşdəki bir elementin səbəb olduğu qənaətinə gəldi.İngilis kimyaçı Edward Frankland bu elementə Helium,(ἥλιος yunanca Helios- günəş titanı) ^[5] adını verdi.

1881-ci ildə, İtalyan fiziki Luigi Palmieri, Vezuvi vulkanının son püskürməsi zamanı sublimasiya edilmiş bir materialı təhlil edərkən ilk dəfə D ₃ spektral xətti ilə Yerdəki heliumu aşkar etdi.^[6]

26 mart 1895-ci ildə Şotlandiyalı kimyaçı ser William Ramsay, klivit mineralını( tərkibində ən azı 10% torpaq elementi olan uraninit mineralı ) mineral turşuları ilə reaksiyaya daxil edərək heliumu mineraldan təcrid etdi və yer üzündəki heliumu əldə etdi. Ramsay mineralda argon axtarırdı, amma azot və oksigen sulfat turşusu ilə qazdan ayrıldıqdan sonra Günəşin spektrində müşahidə olunan D ₃ xəttinə uyğun bir parlaq sarı xətt gördü.^[4][7][8][9] Bu nümunələr Lockyer və İngilis fiziki William Crookes helium olaraq təyin olundu.^[10][11] Eyni ildə kimyəvi maddələr, atom ağırlığını dəqiq müəyyənləşdirmək üçün kifayət qədər qaz toplayan İsveçin Uppsala şəhərində kimyaçılar Per Teodor Cleve və Abraham Langlet tərəfindən müstəqil şəkildə ayrıldı.^[2][12][13] Helium, amerikalı geokimyaçı William Francis Hillebrand tərəfindən, Ramsay'ın kəşfindən əvvəl, mineral uraninit nümunəsini sınayarkən qeyri-adi spektral xətləri görəndə kəşf edilmişdi. LakinHillebrand xətləri azotla əlaqələndirmişdi.

1907-ci ildə Ernest Rutherford və Tomas Royds, hissəciklərin boşaldılmış bir borunun nazik, şüşə divarına nüfuz etməsini və sonra boruda boşalma yaratmağa və içərisindəki yeni qazın spektrini öyrənməyə imkan verərək alfa hissəciklərinin helium nüvələr olduğunu nümayiş etdirdi.^[14] 1908-ci ildə helium ilk dəfə Hollandiyalı fizik Heike Kamerlingh Onnes tərəfindən qazı beş kelvin- dən az soyudaraq mayeləşdirildi.^[15][16] Temperaturu daha da azaltmaqla onu bərkitməyə çalışdı, lakin uğursuz oldu, çünki helium atmosfer təzyiqində qatılaşmırdı. Onnesin tələbəsi Willem Hendrik Keesom, 1926-cı ildə əlavə xarici təzyiq tətbiq edərək 1 sm³ heliumu bərkitməyə müvəffəq oldu.^[17][18]

1938-ci ildə rus fiziki Pyotr Leonidoviç Kapitsa, helium-4- in mütləq sıfıra yaxın olan temperaturda demək olar ki, heç bir viskoziteye malik olmadığını, artıq superflik fenomenini teoremini irəli sürdü.^[19] Bu fenomen Bose-Eynşteyn kondensasiyası ilə əlaqədardır. 1972-ci ildə eyni fenomen helium-3- də müşahidə edildi, lakin mütləq sıfıra daha yaxın olan temperaturda Amerika fizikləri Duqlas D. Osheroff, David M. Li və Robert C. Richardson tərəfindən edildi .

1903-cü ildə Kanzasda bir qazma əməliyyatından sonra yanıcı olmayan bi qaz sızması baş verir, Kanzas əyalət geoloqu Erasmus Haworth sızan qazdan nümunə toplayaraq onları kimyaçı Hemmiltonun köməyi ilə Lourensdəki Kanzas Universitetinə apardı. Cady və David McFarland, qazın həcmi ilə 72% azotdan, 15% metandan (yalnız kifayət qədər oksigen ilə yanan bir faiz), 1% hidrogendən və 12% -i bilinməyən qazdan ibarət olduğunu kəşf etdi.^[2][20] Əlavə təhlillərlə, Cady və McFarland qaz nümunəsinin 1.84% -nin helium olduğunu tapdı.^[21] Bu, Yerdəki ümumi həcminə görə az olmasına baxmayaraq, heliumun Amerika Böyük Düzənliklərinin altında təbii qazın əlavə məhsulu kimi çıxarmaq üçün çox miqdarda cəmləşdiyini göstərdi.^[22]

Bu, Birləşmiş Ştatlara dünyada heliumun aparıcı istehsalçı olmağa zəmin yaratdı. Sir Richard Threlfallın bir təklifindən sonra Birləşmiş Ştatların Hərbi Dəniz Qüvvələri Birinci Dünya Müharibəsi dövründə üç kiçik eksperimental helium zavoduna sponsorluq etdi. Məqsəd baraj balonlarını hava olmayan, daha yüngül olan qazla təmin etmək idi. Əvvəllər bir kubmetrdən az qaz alınmasına baxmayaraq proqramda ümumilikdə 5.700 m³ (% 200,000 kub fut) 92% helium istehsal edildi.^[23] Bu qazın bir hissəsi dünyadakı ilk helium dolu havagəmisində istifadə edildi ^[24] Təxminən iki il əvvəl Hərbi Dəniz Qüvvələrinin ilk sərt helium dolu hava gəmisi olan Dəniz Təyyarə Zavodunda nşa edilmiş USS Shenandoah, 1923-cü ilin sentyabrında uçdu.

Birinci Dünya Müharibəsi dövründə aşağı temperaturlu qaz mayeləşdirməsindən istifadə etməklə hasilat prosesi vaxtında əhəmiyyətli olmasa da, istehsal davam etdi. Helium, ilk növbədə, havadan daha yüngül sənətkarlıqda qaldırıcı qaz kimi istifadə olunurdu. İkinci Dünya Müharibəsi dövründə qazın qaldırılması və ekranlı qövs qaynağı üçün heliuma tələbat artdı. Heliumun ilk nüvə silahı olan Manhetten Layihəsində də əhəmiyyətli rol oynayırdı.

Amerika Birləşmiş Ştatları hökuməti, sülh dövründə müharibə və ticarət təyyarələri ilə hərbi gəmilər təmin etmək məqsədi ilə , 1925-ci ildə Texas ştatının Amarillo şəhərində Milli Helium Qoruğu yaratdı.^[23] 1925-ci ildə Helium Qanununa görə, ABŞ-nin hasilat inhisarına sahib olduğu heliumun ixracını qadağan etdikdən sonra bütün Alman drijablları kimi Hindenburg da hidrogen istifadə etməyə məcbur oldu. İkinci Dünya Müharibəsindən sonra helium bazarı depressiyaya uğradı, ancaq 1950-ci illərdə Kosmik Yarış və Soyuq Müharibə dövründə oksigen / hidrogen raket yanacağını (digər istifadələr arasında) yaratmaq üçün soyuducu olaraq maye helium tədarükünü təmin etmək üçün ehtiyat genişləndirildi. 1965-ci ildə ABŞ-də Helium istifadəsi ən yüksək döyüş dövrü istehlakının səkkiz qatından çox idi.

Helium, iki proton və (adətən) iki neytrondan ibarət olan nüvəyə və onun ətrafında dönən iki elektrona sahipdir. Bir energetik səviyyəsi və bu səviyyədə yerləşən iki elektron orbitalı var. Hər iki orbitalda dolduğundan helium aşağı elektromənfiliyə sahipdir və nəcib (inert) qazlar qrupuna daxildir. Helium neondan sonra ikinci ən az aktiv elementdir və normal təsirdə heç bir elemetlə reaksiyaya girmir.

Heliumun nisbətən aşağı molyar (atom) kütləsi olduğundan, onun istilik keçiriciliyi, xüsusi istilik və qaz fazasında səs sürəti hidrogendən başqa bütün digər qazlardan daha yüksəkdir. Bu səbəblərə və helium monatomik molekulların kiçik ölçüsünə görə, helium bərk maddələrlə havadan üç qat və hidrogendən 65 qat nisbətində diffuziya edir .^[23]

Xaricdənkənar helium, plazma vəziyyətində olur, xassələri atom heliumundan çox fərqli olur. Bir plazmada, heliumun elektronları öz nüvəsinə bağlanmır, nəticədə qaz yalnız qismən ionlaşmış olsa belə, çox yüksək elektrik keçiriciliyi yaranır. Şarj edilmiş hissəciklər maqnit və elektrik sahələrinə yüksək təsir göstərir.

Hər hansı digər elementdən fərqli olaraq, helium normal təzyiqlərdə mütləq sıfıra qədər maye olaraq qalacaq. Bu kvant mexanikasının birbaşa təsiridir: konkret olaraq, sistemin sıfır nöqtəli enerjisi donmağı təmin etmək üçün çox yüksəkdir. Qatı helium 1-1.5 °K (-272 °C) temperatur və 2,5 MPa təyziq tələb edir. Tez-tez bərk və maye heliumu ayırmaq çətindir, çünki iki aqreqat halı refraktiv göstəricisi təxminən eyni olur. Qatı hal kəskin bir ərimə nöqtəsinə malikdir və kristal quruluşa malikdir, lakin yüksək sıxışdırıcıdır ; bir laboratoriyada təzyiq tətbiq etmək, həcmini 30% -dən çox azalda bilər. Təxminən 27 MPa ^[16] həcmli modul ilə sudan ~ 100 qat daha sıxışdırılır. Qatı heliumun 0.214± 0,006 sıxlığı var   .^[16] Daha yüksək temperaturda, helium kifayət qədər təzyiqlə qatılaşacaqdır. Otaq temperaturunda bunun üçün 114.000 atm tələb olunur.  

Heliumun 9 bilinən izotopu vardır. Ama ən geniş yayılanlar ³He və ⁴He-dür. Yer atmosferində bir ³He atomu bir milyon ⁴He atomuna uyğun gəlir. Ən geniş yayılmış izotop olan helium-4 yer üzündə daha ağır radioaktiv elementlərin alfa parçalanması ilə istehsal olunur; ortaya çıxan alfa hissəcikləri tam ionlaşmış helium-4 nüvələridir. Helium-4 qeyri-adi bir nüvədir, çünki onun nüvəsi tam qabıqlara yerləşdirilmişdir . Big Bang nukleosintezi zamanı da çox miqdarda əmələ gəlmişdir.

Helium-3 Yerdə yalnız iz miqdarında mövcuddur. Bəzi hissəsi Yerin yaranmasından bəri mövcuddur, baxmayaraq ki, bəziləri kosmik tozlar vasitəsilə yerə gəlir. Bir qismi tritiumun beta çürüməsi ilə də istehsal olunur. Helium-3 nüvə birləşməsinin məhsulu kimi ulduzlarda daha çoxdur.

Maye helium-4, 1 K-lik bir temperaturda buxarlandırıcı soyutma istifadə edərək təxminən 1 kelvine qədər soyudula bilər. Daha az qaynama nöqtəsi olan helium-3-in oxşar soyutması təxminən 0.2 K qədər çata bilər. 

Helium sıfır bir valentliliyə malikdir və bütün normal şəraitdə kimyəvi cəhətdən təsirsizdir.^[23] İonlaşmayan bir elektrik izolyatorudur. Helium, bir parıltı axıdılmasına məruz qaldıqda, elektron bombardmanına məruz qaldıqda və ya digər üsullarla plazmaya düşdükdə volfram, yod, flüor, kükürd və fosfor olan eksimerlər kimi tanınan qeyri-sabit birləşmələr yarada bilər. HeNe, HgHe¹⁰ və WHe² molekulyar birləşmələri bu şəkildə yaradılmışdır.

1. ↑ Kochhar, R. K. "French astronomers in India during the 17th – 19th centuries". 1991: 95–100.
2. ↑ ^{1 2 3} Emsley, John. Nature's Building Blocks. Oxford: Oxford University Press. 2001. 175–179. ISBN 978-0-19-850341-5.
3. ↑ Lockyer, J. N. "Notice of an observation of the spectrum of a solar prominence". October 1868: 91–92.
4. ↑ ^{1 2} (#empty_citation)
5. ↑ Thomson, William. "Inaugural Address of Sir William Thomson". August 3, 1871: 261–278 [268]. Frankland and Lockyer find the yellow prominences to give a very decided bright line not far from D, but hitherto not identified with any terrestrial flame. It seems to indicate a new substance, which they propose to call Helium
6. ↑ Palmieri, Luigi. "La riga dell'Helium apparsa in una recente sublimazione vesuviana". 1881. Raccolsi alcun tempo fa una sostanza amorfa di consistenza butirracea e di colore giallo sbiadato sublimata sull'orlo di una fumarola prossima alla bocca di eruzione. Saggiata questa sublimazione allo spettroscopio, ho ravvisato le righe del sodio e del potassio ed una lineare ben distinta che corrisponde esattamente alla D₃ che è quella dell'Helium. Do per ora il semplice annunzio del fatto, proponendomi di ritornare sopra questo argomento, dopo di aver sottoposta la sublimazione ad una analisi chimica. (I collected some time ago an amorphous substance having a buttery consistency and a faded yellow color which had sublimated on the rim of a fumarole near the mouth of the eruption. Having analyzed this sublimated substance with a spectroscope, I recognized the lines of sodium and potassium and a very distinct linear line which corresponds exactly to D₃, which is that of helium. For the present, I'm making a mere announcement of the fact, proposing to return to this subject after having subjected the sublimate to a chemical analysis.)
7. ↑ Ramsay, William. "On a Gas Showing the Spectrum of Helium, the Reputed Cause of D₃, One of the Lines in the Coronal Spectrum. Preliminary Note". 1895: 65–67.
8. ↑ Ramsay, William. "Helium, a Gaseous Constituent of Certain Minerals. Part I". 1895: 81–89.
9. ↑ Ramsay, William. "Helium, a Gaseous Constituent of Certain Minerals. Part II – Density". 1895: 325–330.
10. ↑ Lockyer, J. Norman. "On the new gas obtained from uraninite. Preliminary note, part II". 1895: 67–70.
11. ↑ See:
12. ↑ Langlet, N. A. "Das Atomgewicht des Heliums". 1895: 289–292.
13. ↑ Weaver, E. R. Industrial & Engineering Chemistry. 1919.
14. ↑ (#empty_citation)^{[ölü keçid]}
15. ↑ Onnes, H. Kamerlingh (1908) "The liquefaction of helium," Communications from the Physical Laboratory at the University of Leiden, 9 (108) : 1–23.
16. ↑ ^{1 2 3} (#empty_citation)
17. ↑ See:
18. ↑ (#empty_citation)
19. ↑ Kapitza, P. "Viscosity of Liquid Helium below the λ-Point". Nature. 141 (3558). 1938. doi:10.1038/141074a0. ISSN 0028-0836.
20. ↑ McFarland, D. F. "Composition of Gas from a Well at Dexter, Kan". Transactions of the Kansas Academy of Science. 19. 1903. doi:10.2307/3624173.
21. ↑ Cady, H. P. "Helium in Natural Gas". Science. 24 (611). 1906. doi:10.1126/science.24.611.344.
22. ↑ Cady, H. P. "Helium in Kansas Natural Gas". Transactions of the Kansas Academy of Science. 20. 1906. doi:10.2307/3624645.
23. ↑ ^{1 2 3 4} Hampel. The Encyclopedia of the Chemical Elements. New York: Van Nostrand Reinhold. 1968. 256–268. ISBN 978-0-442-15598-8.
24. ↑ Aeronautics and Astronautics: An American Chronology of Science and Technology in the Exploration of Space, 1915–1960. 1961.