هلیوم

واژهٔ هلیوم از واژهٔ یونانی هلیوس، به معنای «ایزد خورشید» گرفته شده‌است. زمانی که هنوز هلیوم شناخته نشده بود، ستاره‌شناس فرانسوی ژول ژانسن در جریان خورشیدگرفتگی سال ۱۸۶۸ برای نخستین بار در طیف‌بینی نور خورشید، خط زرد طیفی هلیوم را دید. در جریان همان خورشیدگرفتگی، نورمن لاکیر پیشنهاد کرد این خط زرد می‌تواند به دلیل یک عنصر تازه باشد. دو شیمی‌دان سوئدی با نام‌های پر تئودر کلیو و نیلز آبراهام لانگلت در سال ۱۸۹۵ این عنصر را شناسایی و اعلام کردند. آن‌ها هلیوم را از سنگ کلویت که کانی اورانیوم است، به‌دست آوردند. در سال ۱۹۰۳ منابع بزرگ هلیوم در میدان‌های گازی ایالات متحده پیدا شد.

هلیوم، بعد از هیدروژن، هم از نظر سبکی و هم از نظر فراوانی، دومین عنصر کیهان است، گرچه با وجود کاربردهای بسیار مهم و حیاتی که دارد، بر روی زمین بسیار کمیاب است. نزدیک به ۲۴٪ از جرم گیتی، سهم این عنصر است که این مقدار بیش از ۱۲ برابر ترکیب تمام عنصرهای سنگین است. هلیوم به همان صورت که در خورشید و مشتری یافت می‌شود، در جهان پیدا می‌شود و این به دلیل انرژی بستگی (به ازای هر هسته) بسیار بالای هلیوم-۴ نسبت به سه عنصر دیگر پس از آن، در جدول تناوبی است. بیشتر هلیوم موجود در کیهان، هلیوم-۴ است و گمان می‌رود که در جریان مه‌بانگ پدید آمده باشد. امروزه با کمک واکنش‌های همجوشی هسته‌ای در ستاره‌ها، گونه‌های تازه‌ای از هلیوم ساخته شده‌است. هلیوم در هواکُرهٔ زمین بسیار کمیاب است و بیشتر هلیومی که در خاک زمین پیدا می‌شود، در اثر واپاشی هسته‌ای طبیعی در عنصرهای سنگین پرتوزا مانند اورانیوم و توریوم پدید آمده‌است؛ به این ترتیب که در اثر واپاشی، ذره‌های بتا از عنصر تابیده شده و هستهٔ هلیوم-۴ به‌دست آمده‌است. هلیومِ به‌دست آمده از واپاشی، به‌آسانی به صورت فشرده با درصدی نزدیک به ۷٪ حجمی، در دام گاز طبیعی گرفتار می‌شود. سپس می‌توان با روش‌های صنعتی و به صورت تجاری با کاهش دمای آمیختهٔ هلیوم و گاز طبیعی، آن را از دیگر گازها به روش تقطیر جزء به جزء جدا ساخت.

هلیوم در بسیاری از صنایع در سطح جهانی استفاده می‌شود و استفاده از آن در همه زمینه‌های تحقیقات علمی و محیط‌های تجاری، از جمله داروسازی، پزشکی، جوشکاری، علوم رایانه، اکتشافات فضایی وجود دارد. یکی از کاربردهای مهم هلیوم در سرماشناسی است و نزدیک به یک-چهارم هلیوم تولیدی در این زمینه بکار می‌رود. در مواردی که دمای زیر ۲۶۱٫۱- درجه سانتیگراد (۴۲۹- درجه فارنهایت) مورد نیاز باشد هیچ جایگزینی برای آن وجود ندارد. قدرت خنک‌کنندگی هلیوم مایع به این معنی است که این عنصر یک عنصر حیاتی و غیرقابل تعویض در بسیاری از اجزای مهم و مدرن است. عمده‌ترین مصرف‌کنندگان صنعتی جهانی هلیوم مایع، صنایع پزشکی، هوافضا و الکترونیک هستند. صنعت پزشکی بزرگ‌ترین مصرف‌کننده است و عمدتاً از هلیوم برای حفظ خواص ابررسانایی آهن‌ربا در کاربردهایی مانند تصاویر تشدید مغناطیسی (MRI) و تجهیزات طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته‌ای (NMR) استفاده می‌کند.

نخستین نشانهٔ هلیوم در ۱۸ اوت سال ۱۸۶۸ به صورت یک میلهٔ زرد رنگ در طول موج ۵۸۷٫۴۹ نانومتر در طیف‌سنجی فام‌سپهر خورشید دیده شد. این خط زرد رنگ را ستاره‌شناس فرانسوی ژول ژانسن در هنگام یک خورشیدگرفتگی کامل در گونتور هند شناسایی کرد.[۱۲][۱۳] نخست گمان برده شد که شاید این خط زرد، سدیم است. در ۲۰ اکتبر همان سال، ستاره‌شناس انگلیسی، نورمن لاکیر یک خط زرد رنگ در طیف‌سنجی نور خورشید پیدا کرد و چون این خط نزدیک به خط‌های شناخته شدهٔ D۱ و D۲ سدیم بود، آن را D۳ خط‌های فرانهوفر نامید.[۱۴] او حدس زد که این خط باید توسط یک عنصر درون خورشید که در زمین ناشناخته‌است، پدید آمده باشد. لاکیر و شیمی‌دان انگلیسی ادوارد فرانکلند واژهٔ یونانی ایلیوس[a] (یا هلیوس) به معنی «خورشید» را برای این عنصر برگزیدند.[۱۵][۱۶] در ۱۸۸۱، فیزیک‌دان ایتالیایی، لوئیجی پالمیری، هنگامی که خط‌های طیفی D۳ گدازه‌های آتشفشان وزوو را پردازش می‌کرد توانست برای نخستین بار هلیوم را در زمین شناسایی کند.[۱۷] در ۲۶ مارس ۱۸۹۵ شیمی‌دان اسکاتلندی ویلیام رمزی توانست، هلیوم کانی کلویت را با کمک اسیدهای معدنی به دام اندازد. کلویت، آمیخته‌ای از اورانینیت و دست کم ۱۰٪ عنصرهای خاکی کمیاب است. رمزی در جستجوی آرگون بود، اما پس از جداسازی نیتروژن و اکسیژن از گاز آزاد شده با کمک اسید سولفوریک، در طیف‌سنجی خود به یک خط زرد روشن رسید که با خط D۳ دیده شده در طیف‌سنجی خورشید هماهنگ بود.[۱۴][۱۸][۱۹][۲۰] این نمونه‌ها از سوی لاکیر و فیزیک‌دان بریتانیایی، ویلیام کروکز به عنوان هلیوم شناسایی شد. در همان سال به صورت مستقل، دو شیمی‌دان با نام‌های پر تئودر کلیو و نیلز آبراهام لانگلت، در اوپسالای سوئد توانستند هلیوم کلویت را به دام اندازند. اندازه گازی که آن‌ها جمع‌آوری کردند، برای اندازه‌گیری دقیق وزن اتمی آن کافی بود.[۱۳][۲۱][۲۲] دانشمند آمریکایی زمین‌شیمی، ویلیام فرانسیس هیله‌براند پیش از دست‌آورد رمزی، هنگام طیف‌سنجی نمونه کانی‌های اورانینیت دریافته بود که خط‌های طیفی غیرمعمولی در نتیجه‌هایش پیدا می‌شود. اما هیلبرند گمان کرد که این خط‌های طیفی مربوط به نیتروژن است. نامهٔ تبریک او به رمزی چیزی نزدیک به یک کشف علمی در نظر گرفته می‌شود.[۲۳] در سال ۱۹۰۷ ارنست رادرفورد و توماس رویدز نشان دادند که ذره‌های آلفا همان هستهٔ هلیوم‌اند. آن‌ها برای این کار، اجازه دادند تا ذره‌ها در دیوار شیشه‌ای نازک یک لولهٔ تهی نفوذ کند. سپس لوله را تخلیه کردند تا گاز تازهٔ جمع شده در آن را طیف‌سنجی کنند. در سال ۱۹۰۸ یک فیزیک‌دان هلندی به نام هایک کامرلینگ اونس توانست دمای هلیوم را به زیر یک کلوین برساند و آن را مایع کند.[۲۴] او در ادامه تلاش کرد تا دمای هلیوم را پایین‌تر آورد و آن را جامد کند، اما کامیاب نشد. دلیل ناکامی او این بود که هلیوم دارای نقطهٔ سه‌گانه نیست؛ یعنی دارای دمایی نیست که در آن حالت‌های جامد، مایع و گازی در تعادل باشند. پس از چند سال، در ۱۹۲۶ ویلم هندریک کیزوم که دانشجوی اونس بود توانست 1 cm۳ هلیوم را با افزودن فشار، جامد کند.[۲۵]

در ۱۹۳۸، فیزیک‌دان روس، پیوتر کاپیتسا دریافت که در دمای نزدیک به صفر مطلق، هلیوم-۴ تقریباً هیچ میزان گران‌روی ندارد که امروزه به این پدیده ابرشارگی گفته می‌شود.[۲۶] این پدیده با چگالش بوز-اینشتین مرتبط است. در سال ۱۹۷۲ همین پدیده در هلیوم-۳ اما این بار در دمایی بسیار نزدیک‌تر به صفر مطلق، دیده شد. دانشمندان آمریکایی داگلاس اوشروف، دیوید موریس لی و رابرت کلمن ریچاردسون کسانی بودند که به ابرروانروی در هلیوم-۳ پی بردند. با در نظر گرفتن جفت‌های کوپر الکترون‌ها که پدیدآورندهٔ ابررسانایی هستند، گمان می‌رود که ابرگرانروی دیده شده در هلیوم-۳ نیز به‌صورت قابل مقایسه‌ای به جفت‌شدن فرمیون‌های هلیوم-۳ در جهت تولید بوزون‌ها مرتبط است.[۲۷]

هلیوم یک گاز سبک، بی‌بو، بی‌رنگ، بی اثر، بدون سمیت و تک هسته‌ای است که می‌تواند مولکول‌های دواتمی ضعیف و در دمای نزدیک به صفر مطلق ایجاد کند. هلیوم کمترین نقطه ذوب را در بین عناصر دارد و نقطه جوش آن نزدیک به صفر مطلق و گرانرویش ۲۵ میکروپواز (آب = ۱۰ هزار) است. برخلاف هر عنصر دیگر، هلیوم جامد نمی‌شود اما تحت فشارهای معمولی به صورت مایع تا صفر مطلق باقی می‌ماند.[۲۸] در دمای حدود منفی ۲۷۱ درجه سانتیگراد (۴۵۶- درجه فارنهایت)، هلیوم دچار یک تغییر غیرمعمول می‌شود و به صورت یک مایع باقی می‌ماند که دارای ویژگی‌های منحصر به فردی است. اشکال هلیوم به قدری متفاوت است که به آنها نام‌های مختلفی داده می‌شود. بالاتر از ۲۷۱- درجه سانتیگراد، هلیوم مایع را هلیوم I و زیر آن دما، هلیوم II نامیده می‌شود.[۲۹] از هوا سبک‌تر است. قابل اشتعال نیست و فقط کمی در آب قابل حل است.[۳۰] هلیوم (He۲) با داشتن انحلال‌پذیری ۰٫۰۷۰۷۹۷ مول از هلیوم در هر ۵-۱۰ از مجموع مول هلیوم (حل شونده) و آب (حلال)، به‌عنوان یکی از گازهایی شناخته می‌شود که دارای کم‌ترین میزان انحلال در آب است (به‌عنوان مقایسه کسر مولی حلالیت برای گازهای CF۴ و SF۶ و C۴F۸ به ترتیب برابر با ۰٫۳۸۰۲، ۰٫۴۳۹۴ و ۰٫۲۳۷۲ به ازای هر ۵-۱۰ مول گاز حل شونده و حلال آب است).[۳۱] از نظر شیمیایی بی‌اثر است. هنگامی که به صورت مایع حمل می‌شود، بسیار سرد است و تمام گازهای دیگر را جامد می‌کند. تماس با مایع باعث یخ زدگی شدید می‌شود. هلیوم مایع دارای خصوصیات ترمودینامیکی منحصر به فردی است و مایع کوانتومی نامیده می‌شود زیرا خصوصیات اتمی را در مقیاس ماکروسکوپی از خود نشان می‌دهد.[۳۲][۳۳] هلیوم، پس از نئون، کم واکنش‌ترین گاز نجیب و البته دومین عنصر کم واکنش پذیر در میان همه عنصرهاست.[۳۴] این گاز کم واکنش در همهٔ شرایط استاندارد به صورت تک‌اتمی باقی می‌ماند. هلیوم به دلیل داشتن جرم مولی نسبتاً پایین، دارای رسانش گرمایی و ظرفیت گرمایی بالایی است و سرعت صدا هم در آن، در حالت گازی، از هر گاز دیگری به جز هیدروژن، بالاتر است. همچنین به دلیل کوچکی اندازهٔ اتم هلیوم، نرخ واپخش در اجسام جامد، سه برابر بیشتر از نرخ واپخش هوا و برابر با ۶۵٪ نرخ واپخش هیدروژن است.[۱۴]

بیشتر هلیوم فرازمینی در حالت پلاسما یافت می‌شود. در این حالت، ویژگی‌های ماده از ویژگی‌های حالت اتمی آن بسیار متفاوت است. در حالت پلاسما، الکترون‌ها دیگر در بند هسته نیستند در نتیجه دارای رسانایی الکتریکی بسیار بالایی خواهد بود حتی اگر تنها بخشی از آن یونی شده باشد. ذره‌های باردار به شدت از میدان مغناطیسی و الکتریکی پیرامون تأثیر می‌پذیرند. برای نمونه در بادهای خورشیدی با هیدروژن یونی، ذره‌ها با مغناطیس‌سپهر اندرکنش پیدا می‌کند و باعث پدید آمدن شفق قطبی و جریان برکلند می‌شود.[۳۶]

صفر مطلق، مایع باقی می‌ماند. دلیل این پدیده را می‌توان با مکانیک کوانتوم توضیح داد: انرژی نقطهٔ صفر بسیار بالای این سامانه اجازه نمی‌دهد هلیوم جامد شود. هلیوم برای جامد شدن باید به دمایی بین ۱ تا ۱٫۵ کلوین (۴۵۷- فارنهایت یا ۲۷۲- سلسیوس) و فشاری نزدیک به ۲٫۵ مگاپاسکال برسد.[۳۷] معمولاً شناسایی هلیوم جامد از مایع کمی دشوار است؛ چون ضریب شکست هر دو بسیار نزدیک است. هلیوم در حالت جامد دارای نقطهٔ ذوب دقیق است، ساختار بلوری دارد و بسیار تراکم پذیر است تا حدی که با وارد کردن فشار بر آن می‌توان تا بیش از ۳۰ درصد حجم آن را کاهش داد.[۳۸] مدول حجمی آن نزدیک به ۲۷ مگاپاسکال است؛[۳۹] یعنی تقریباً ۱۰۰ برابر بیشتر از آب تراکم‌پذیر است. چگالی هلیوم جامد در دمای ۱٫۱ کلوین و فشار ۶۶ اتمسفر، ۰٫۲۱۴ ± ۰٫۰۰۶ g/cm۳ و در دمای صفر کلوین و فشار ۲۵ بار (۲٫۵ مگاپاسکال)، ۰٫۱۸۷ ± ۰٫۰۰۹ g/cm۳ است.[۴۰] هلیوم I ایزوتوپ هلیوم-۴ به‌صورت یک مایع بی‌رنگ در زیر دمای نقطه جوش در ۴٫۲۲ درجه کلوین و بالای نقطه لاندا در دمای ۲٫۱۷۶۸ درجه کلوین وجود دارد که به آن هلیوم I گفته می‌شود.[۱۴] همانند دیگر مایعات سرمازا،[d] هلیوم I نیز زمانی که گرم شود، به جوش می‌آید و زمانی دمایش کاهش پیدا کند، دچار انقباض می‌شود. در زیر نقطه لاندا، با این‌حال، هلیوم نمی‌جوشد و هرچه دما کاهش پیدا کند، منبسط می‌شود. هلیوم I دارای ضریب شکست برابر با ۱٫۰۲۶ است که موجب می‌شود سطح آن به‌قدری سخت شود که شناوری یونولیت بر روی آن ممکن شود و اغلب از این روش، به‌عنوان روشی برای پیدا کردن سطح هلیوم I به‌کار می‌رود.[۱۴] هلیوم I گران‌روی بسیار کمی دارد و چگالی آن در گستره دمایی صفر تا چهار درجه کلوین بین ۰٫۱۴۵ تا ۰٫۱۲۵ گرم بر میلی‌لیتر است[۴۱] که این مقدار، یک چهارم مقداری است که توسط فیزیک کلاسیک پیش‌بینی می‌شود.[۱۴] برای توضیح این خاصیت هلیوم I، به مکانیک کوانتومی نیاز است و در نتیجه هر دو حالت هلیوم مایع شناخته شده (هلیوم I و هلیوم II)، مایعات کوانتومی نامیده می‌شوند؛ به این معنی که آنها در سطح ماکروسکوپی، خواص اتمی از خود نشان می‌دهند. این موضوع ممکن است به‌خاطر نزدیکی بیش از حد نقطه جوش هلیوم به صفر مطلق باشد که موجب می‌شود جنبش تصادفی مولکولی نتواند بر روی ویژگی اتمی سایه افکند و مانع از بروز آن‌ها شود

هلیوم مایع در دمای پایین‌تر از نقطه لاندا هلیوم II نامیده می‌شود، رفتار بسیار عجیب و غیرمعمولی از خود نشان می‌دهد. به‌علت هدایت گرمایی بالا، زمانی‌که به نقطه جوش می‌رسد، به‌جای این که شروع به جوشیدن و تولید حباب کند، مستقیماً از سطح خود تبخیر می‌شود. هلیوم-۳، دارای یک فاز ابرشارگی اما فقط در دماهای خیلی کمتر است. در نتیجه، اطلاعات کمی در مورد خواص ایزوتوپ شناخته شده‌است.[۱۴] هلیوم II یک ابرشاره است؛ حالتی از ماده در مکانیک کوانتومی (برای اطلاعات بیش‌تر به پدیده‌های کوانتومی در مقیاس ماکروسکوپی رجوع کنید) که دارای خواص غیرمعمول و عجیبی است. به‌عنوان مثال زمانی که درون یک لوله موئین به ضخامت ۷-۱۰ تا ۸-۱۰ متر جاری می‌شود، هیچ میزان گران‌روی قابل اندازه‌گیری از خود نشان نمی‌دهد.[۱۳] با این‌حال، موقعی‌که اندازه‌گیری گران‌روی هلیوم قرار گرفته میان دو دیسک متحرک انجام می‌شود، مقدار گران‌روی به‌دست آمده با مقدار گران‌روی برای هلیوم گازی، قابل مقایسه است. با استفاده از مدل دوجریانی[e] برای هلیوم II این پدیده را می‌توان به‌طور نظری توضیح داد. در این مدل، در نظر گرفته می‌شود که هلیوم مایع در زیر نقطه لاندا دارای نسبتی از اتم‌های هلیوم در حالت پایه است که ابرشاره هستند و دقیقاً با گران‌روی صفر جریان پیدا می‌کنند و همچنین دارای نسبتی از اتم‌های هلیوم در حالت برانگیخته است که مانند یک سیال معمولی رفتار می‌کنند.[۴۲] در اثر چشمه،[f][توضیح ۱] محفظه‌ای ساخته می‌شود که به یک مخزن هلیوم II متصل است و از طریق یک دیسک تف‌جوش شده[g] هلیوم ابرشاره به‌آسانی از آن چکیده می‌شود، اما هلیوم غیرشاره نمی‌تواند از آن عبور کند. اگر قسمت داخلی محفظه حرارت داده شود، هلیوم ابرشاره به هلیوم غیرابرشاره تبدیل می‌شود. به‌منظور حفظ کسر تعادل هلیوم ابرشاره، آن را از محفظه عبور داده و فشار افزایش داده می‌شود که موجب ایجاد یک چشمه به سمت بیرون محفظه نگهدارنده می‌شود.[۴۳]

رسانش گرمایی آن بیشتر از هر نوع ماده شناخته شده دیگری است، به‌طوری که مقدار به یک میلیون برابر هدایت گرمایی هلیوم I و چندصد برابر فلزی مانند مس می‌رسد.[۱۴] این ویژگی به این دلیل رخ می‌دهد که هدایت گرمایی از طریق سازوکارهای کوانتومی انجام می‌شود. اغلب موادی که رسانای خوب گرما هستند، دارای یک نوارهای هدایت و ظرفیت از الکترون‌های آزادند که به انتقال گرما کمک می‌کنند. هلیوم II فاقد چنین لایه ظرفیتی است، اما با این‌حال، گرما را به‌خوبی هدایت می‌کند. جریان گرما از معادله‌ای پیروی می‌کند که مشابه معادله موجی است که برای توصیف نحوه انتشار صوت در هوا استفاده می‌شود. زمانی که گرما آغاز می‌شود، با سرعتی برابر با ۲۰ متر بر ثانیه در دمای ۱٫۸ کلوین در هلیوم II، همانند انتقال امواج در پدیده‌ای معروف به‌نام موج دوم[h][توضیح ۲] منتقل می‌شود.[۱۴] زمانی‌که سطح هلیوم II از تراز آن پیشی بگیرد برخلاف نیروی جاذبه وارده به نمونه، در امتداد سطح حرکت می‌کند. چنان‌چه ظرف نمونه روباز باشد به‌شکل عجیبی از کناره‌ها از ظرف خارج می‌شود تا اینکه خود را به نواحی با دمای بالاتر برساند و در آن‌جا شروع به تبخیر شدن می‌کند. نمونه هلیوم II فارغ از سطح ماده، در یک فیلم دارای ضخامت ۳۰ نانومتری حرکت می‌کند. به این فیلم، اصطلاحاً فیلم رولین[i] گفته می‌شود و به افتخار برنارد وی. رولین،[j] کسی که برای اولین‌بار این ویژگی را شرح داد، نام‌گذاری شده‌است.[۱۴][۴۴][۴۵] در نتیجه این رفتار هلیوم می‌تواند به سرعت از طریق روزنه‌های کوچک تراوش کند و بر همین مبنا، نگهداری هلیوم مایع بسیار دشوار است. اگر محفظه‌های نگهداری هلیوم با دقت بالایی ساخته نشوند و دارای روزنه حتی در ابعاد کوچک باشند، هلیوم می‌تواند از طریق آن‌ها خارج شود تا به سطوح گرم‌تر برسد و در آن‌جا تبخیر شود. امواج منتشر شونده در طول فیلم رولینگ از همان معادله‌ای که برای توصیف موج گرانشی در آب کم عمق به‌کار می‌رود، پیروی می‌کنند، اما برخلاف جاذبه، عامل پیش‌برنده نیروی واندروالسی است.[۴۶] این امواج به صوت سوم[k] معروفند.[۴۷]