Русская Википедия:Гелий

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Шаблон:Не путать

  1. REDIRECT He

Шаблон:ЗначенияШаблон:Карточка химического элемента Шаблон:Элемент периодической системы Ге́лий (химический символ — He, Шаблон:Lang-la) — химический элемент 18-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы восьмой группы, VIIIA)[1] первого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 2.

Простое вещество, гелий — инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха.

По распространённости во Вселенной и по лёгкости занимает второе место после водорода. Его температура кипения — самая низкая среди всех известных веществ. Шаблон:-

История открытия

Гелий в ампуле
Гелий в ампуле

18 августа 1868 года французский учёный Пьер Жансен, находясь во время полного солнечного затмения в индийском городе Гунтур, впервые исследовал хромосферу Солнца. Жансену удалось настроить спектроскоп таким образом, чтобы спектр короны Солнца можно было наблюдать не только при затмении, но и в обычные дни. На следующий же день спектроскопия солнечных протуберанцев наряду с линиями водорода — синей, зелёно-голубой и красной — выявила очень яркую жёлтую линию, первоначально принятую Жансеном и другими наблюдавшими её астрономами за линию D натрия. Жансен немедленно написал об этом во Французскую академию наук. Впоследствии было установлено, что ярко-жёлтая линия в солнечном спектре не совпадает с линией натрия и не принадлежит ни одному из ранее известных химических элементов[2][3].

Спустя два месяца, 20 октября, английский астроном Норман Локьер, не зная о разработках французского коллеги, также провёл исследования солнечного спектра. Обнаружив неизвестную жёлтую линию с длиной волны Шаблон:Num (более точно — Шаблон:Num), он обозначил её D3, так как она была очень близко расположена к фраунгоферовым линиям D1 (Шаблон:Num) и D2 (Шаблон:Num) натрия. Спустя два года Локьер совместно с английским химиком Эдуардом Франклендом, в сотрудничестве с которым он работал, предложил дать новому элементу название «гелий» (от Шаблон:Lang-grc — «солнце»)[3].

Интересно, что письма Жансена и Локьера пришли во Французскую Академию наук в один день — 24 октября 1868 года, однако письмо Локьера, написанное им четырьмя днями ранее, пришло на несколько часов раньше. На следующий день оба письма были зачитаны на заседании Академии. В честь нового метода исследования протуберанцев Французская академия решила отчеканить медаль. На одной стороне медали были выбиты портреты Жансена и Локьера над скрещёнными ветвями лавра, а на другой — изображение мифологического бога света Аполлона, правящего в колеснице четвёркой коней, скачущей во весь опор[3].

В 1881 году итальянец Луиджи Пальмьери опубликовал сообщение об открытии им гелия в вулканических газах фумарол. Он исследовал светло-жёлтое маслянистое вещество, оседавшее из газовых струй на краях кратера Везувия. Пальмьери прокаливал этот вулканический продукт в пламени бунзеновской горелки и наблюдал спектр выделявшихся при этом газов. Учёные круги встретили это сообщение с недоверием, так как свой опыт Пальмьери описал неясно. Спустя многие годы в составе фумарольных газов действительно были найдены небольшие количества гелия и аргона[3].

Через Шаблон:Num после своего первоначального открытия гелий был обнаружен на Земле — в 1895 году шотландский химик Уильям Рамзай, исследуя образец газа, полученного при разложении минерала клевеита, обнаружил в его спектре ту же ярко-жёлтую линию, найденную ранее в солнечном спектре. Образец был направлен для дополнительного исследования известному английскому учёному-спектроскописту Уильяму Круксу, который подтвердил, что наблюдаемая в спектре образца жёлтая линия совпадает с линией D3 гелия. 23 марта 1895 года Рамзай отправил сообщение об открытии им гелия на Земле в Лондонское королевское общество, а также во Французскую академию через известного химика Марселена Бертло[3].

Шведские химики П. Клеве и Н. Ленгле смогли выделить из клевеита достаточно газа, чтобы установить атомный вес нового элемента[4][5].

В 1896 году Генрих Кайзер, Зигберт Фридлендер, а в 1898 году Эдвард Бэли окончательно доказали присутствие гелия в атмосфере[3][6][7].

Ещё до Рамзая гелий выделил также американский химик Фрэнсис Хиллебранд (Шаблон:Lang-en), однако он ошибочно полагал, что получил азот[7][8], и в письме Рамзаю признал за ним приоритет открытия.

Исследуя различные вещества и минералы, Рамзай обнаружил, что гелий в них сопутствует урану и торию. В 1906 году Э. Резерфорд и Т. Ройдс установили, что альфа-частицы радиоактивных элементов представляют собой ядра гелия[9]. Эти исследования положили начало современной теории строения атома[10].

Файл:He liquid tbotevadobis damokidebuleba TemperaTurastan 350-ru.svg
График зависимости теплоёмкости жидкого гелия-4 от температуры

В 1908 году нидерландский физик Хейке Камерлинг-Оннес получил жидкий гелий. Он использовал дросселирование (см. Эффект Джоуля — Томсона), после того как газ был предварительно охлаждён в кипевшем под вакуумом жидком водороде. Попытки получить твёрдый гелий ещё долго оставались безуспешными даже при температуре в Шаблон:Num, которую достиг ученик Камерлинг-Оннеса — немецкий физик Виллем Хендрик Кеезом. В 1926 году, применив давление выше Шаблон:Num и охладив сжатый гелий в кипящем под разрежением жидком гелии, он выделил кристаллы[11].

В 1932 году Кеезом исследовал характер изменения теплоёмкости жидкого гелия с температурой. Он обнаружил, что около Шаблон:Num медленный и плавный подъём теплоёмкости сменяется резким падением, и кривая теплоёмкости приобретает форму греческой буквы [[Лямбда (буква)|Шаблон:Math]] (лямбда). Отсюда температуре, при которой происходит скачок теплоёмкости, присвоено условное название «[[Лямбда-точка|Шаблон:Math-точка]]»[11]. Более точное значение температуры в этой точке, установленное позднее, — Шаблон:Num. В Шаблон:Math-точке происходят глубокие и скачкообразные изменения фундаментальных свойств жидкого гелия — одна фаза жидкого гелия сменяется в этой точке на другую, причём без выделения скрытой теплоты; имеет место фазовый переход II рода. Выше температуры Шаблон:Math-точки существует так называемый гелий-I, а ниже её — гелий-II[11].

В 1938 году советский физик Пётр Леонидович Капица открыл явление сверхтекучести жидкого гелия-II, которое заключается в резком снижении коэффициента вязкости, вследствие чего гелий течёт практически без трения[11][12]. Вот что он писал в одном из своих докладов про открытие этого явления[13]:

«

… такое количество тепла, которое фактически переносилось, лежит за пределами физических возможностей, что тело ни по каким физическим законам не может переносить больше тепла, чем его тепловая энергия, помноженная на скорость звука. С помощью обычного механизма теплопроводности тепло не могло переноситься в таком масштабе, как это наблюдалось. Надо было искать другое объяснение.
И вместо того, чтобы объяснить перенос тепла теплопроводностью, то есть передачей энергии от одного атома к другому, можно было объяснить его более тривиально — конвекцией, переносом тепла в самой материи. Не происходит ли дело так, что нагретый гелий движется вверх, а холодный опускается вниз, благодаря разности скоростей возникают конвекционные токи, и таким образом происходит перенос тепла. Но для этого надо было предположить, что гелий при своем движении течет без всякого сопротивления. У нас уже был случай, когда электричество двигалось без всякого сопротивления по проводнику. И я решил, что гелий так же движется без всякого сопротивления, что он является не сверхтеплопроводным веществом, а сверхтекучим.
… Если вязкость воды равняется Шаблон:Val, то это в миллиард раз более текучая жидкость, чем вода …

»
— Анонимус

Происхождение названия

Название произошло от Шаблон:Lang-el — «Солнце» (см. Гелиос). В названии элемента было использовано характерное для металлов окончание «-ий» (на лат. «-um» — «Helium»), так как Локьер предполагал, что открытый им элемент является металлом. По аналогии с другими благородными газами логично было бы дать ему имя «гелион» («Helion»)[3]. В современной науке название «гелион» закрепилось за ядром лёгкого изотопа гелия — гелия-3[14].

Распространённость

Во Вселенной

Гелий занимает второе место по распространённости во Вселенной после водорода — около 23 % по массе[15]. Однако на Земле этот элемент редок. Практически весь гелий Вселенной образовался в первые несколько минут после Большого взрыва[16][17], во время первичного нуклеосинтеза. В современной Вселенной почти весь новый гелий образуется в результате термоядерного синтеза из водорода в недрах звёзд (см. протон-протонный цикл, углеродно-азотный цикл). На Земле он образуется в результате альфа-распада тяжёлых элементов (альфа-частицы, излучаемые при альфа-распаде, — это ядра гелия-4)[18]. Часть гелия, возникшего при альфа-распаде и просачивающегося сквозь породы земной коры, захватывается природным газом, концентрация гелия в котором может достигать 7 % от объёма и выше.

Земная кора

В рамках восемнадцатой группы гелий по содержанию в земной коре занимает второе место (после аргона)[19].

Содержание гелия в атмосфере (образуется в результате распада тория, урана и их дочерних радионуклидов) — 5,27Шаблон:E % по объёму, 7,24Шаблон:E % по массе[20][7][18]. Запасы гелия в атмосфере, литосфере и гидросфере оцениваются в Шаблон:Val[20]. Гелионосные природные газы содержат, как правило, до 2 % гелия по объёму. Исключительно редко встречаются скопления газов, гелиеносность которых достигает 8—16 %[18].

Среднее содержание гелия в земном веществе — Шаблон:Num, или Шаблон:Num[18]. Наибольшая концентрация гелия наблюдается в минералах, содержащих уран, торий и самарий[21]: клевеите, фергюсоните, самарските, гадолините, монаците (монацитовые пески в Индии и Бразилии), торианите. Содержание гелия в этих минералах составляет 0,8—3,5 л/кг, а в торианите оно достигает Шаблон:Num[7][18]. Этот гелий является радиогенным и содержит лишь изотоп Шаблон:SimpleNuclide2, он образуется из альфа-частиц, излучаемых при альфа-распаде урана, тория и их дочерних радионуклидов, а также других природных альфа-активных элементов (самарий, гадолиний и т. д.).

В 2016 году норвежские и британские ученые обнаружили залежи гелия в районе озера Виктория в Танзании. По примерным оценкам экспертов, объём запасов — 1,5 млрд кубических метров[22].

Значительные запасы гелия содержатся в восточносибирских газовых месторождениях в России. Запасы гелия в Ковыктинском месторождении оцениваются в 2,3 млрд кубометров[23] , в Чаяндинском месторождении — в 1,4 млрд кубометров[24].

Мировой рынок гелия

Гелий извлекают из природного и нефтяного газов; мировые запасы оцениваются в Шаблон:Num.

Мировой рынок гелия — 170—190 млн м³/год[25] Основная доля мирового производства гелия приходится на США и Катар; с 2015 года доля Соединенных Штатов в мировом производственном балансе снизилась с 67 % до примерно 56 % и продолжает сокращаться, Катар и Алжир занимают соответственно около 28 и 9 % рынка.

Добыча в России

Россия сама обеспечивает себя этим газом; внутренний спрос на 2020 год не превышал Шаблон:Num.[26] До последнего времени практически весь гелий производился на гелиевом заводе ООО «Газпром добыча Оренбург»[27] из газа с низким содержанием гелия (до 0,055 % об.), поэтому имел высокую себестоимость.

9 июня 2021 года возле города Свободный Амурской области состоялся запуск крупнейшего в мире по производству гелия Амурского газоперерабатывающего завода мощностью 60 млн м³ гелия в год[28]. Ресурсной базой для него служит газ Чаяндинского месторождения с содержанием гелия на порядок более высоким — что позволяет намного снизить его себестоимость. Россия с 2021 года планирует стать одним из крупнейших экспортеров гелия[29].

С 2018 года Иркутская нефтяная компания ведет строительство двух гелиевых заводов в Иркутской области.[30] Плановая мощность — 15-17 млн л гелия в год, запуск первого завода — 2022 год.

Актуальной проблемой является дальнейшее освоение и комплексная переработка природных газов крупных месторождений Восточной Сибири, отличающихся сходным с Чаяндинским высоким содержанием гелия (0,15—1 % об.).

Стоимость

  • В 2009 году цены частных компаний на газообразный гелий находились в пределах Шаблон:Num—Шаблон:Num[31].
  • В 2019 году цена гелия существенно выросла и составляет 30-32 долл./м³ за газ чистотой 99,995 %Шаблон:Нет АИ.

Производство гелия

Гелий добывается из природного газа процессом низкотемпературного разделения — фракционной дистилляцией либо путём мембранного газоразделения[32].

В промышленности гелий получают из гелийсодержащих природных газов (в настоящее время эксплуатируются главным образом месторождения, содержащие более 0,1 % гелия). От других газов гелий отделяют методом глубокого охлаждения, используя то, что он сжижается труднее всех остальных газов.

Охлаждение производят дросселированием в несколько стадий, очищая его от CO2 и углеводородов. В результате получается смесь гелия, неона и водорода. Эту смесь, так называемый сырой гелий (70—90 % гелия по объёму) очищают от водорода (4—5 %) с помощью CuO при 650—800 К.

Окончательная очистка достигается охлаждением оставшейся смеси кипящим под вакуумом N2 и адсорбцией примесей на активированном угле в адсорберах, также охлаждаемых жидким N2. Производят гелий технической чистоты (99,80 % гелия по объёму) и высокой чистоты (99,985 %).

Определение

Качественно гелий определяют с помощью анализа спектров испускания (характеристические линии Шаблон:Num и Шаблон:Num), количественно — масс-спектрометрическими и хроматографическими методами анализа, а также методами, основанными на измерении физических свойств (плотности, теплопроводности и др.)[20].

Физические свойства

Файл:Phase diagram of Helium-4-ru.svg
Фазовая диаграмма 4Не
Файл:Phasendiagramm He3log-ru.svg
Фазовая диаграмма 3Не. Фаза 2 твёрдого гелия состоит из кристаллов объёмно-центрированной кубической сингонии

Гелий — практически инертный химический элемент.

Простое вещество гелий нетоксично, не имеет цвета, запаха и вкуса. При нормальных условиях представляет собой одноатомный газ. Его точка кипения (Шаблон:Math = 4,215 K для Шаблон:SimpleNuclide2) наименьшая среди всех веществ; твёрдый гелий получен лишь при давлениях выше Шаблон:Num — при атмосферном давлении он не переходит в твёрдую фазу даже при абсолютном нуле. Экстремальные условия также необходимы для создания немногочисленных химических соединений гелия, все они нестабильны при нормальных условиях.

Гелий 3Не и 4Не не имеют основной тройной точки (в которой равновесные фазы находятся в различных агрегатных состояниях — твёрдом, жидком и газообразном) — в обоих случаях линии равновесия твёрдой фазы с жидкими (Не I и Не II) и жидких фаз с газообразной нигде не пересекаются: твёрдая фаза находится в равновесии только с жидкойШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:Sfn. Другие вещества с такой особенностью неизвестныШаблон:Sfn. Наличие на фазовой диаграмме гелия кривой сосуществования твёрдой и жидкой фаз и отсутствие на диаграмме кривой сосуществования твёрдой и газовой фаз означает, что твёрдый гелий может плавиться, но не может испарятьсяШаблон:Sfn.

Химические свойства

Гелий — наименее химически активный элемент 18-й группы (инертные газы) и вообще всей таблицы Менделеева[33]. Все химические соединения гелия (как и аргона, неона) существуют только в виде так называемых эксимерных молекул (крайне нестабильных), у которых устойчивы возбуждённые электронные состояния и неустойчиво основное состояние. Гелий образует двухатомные молекулы HeШаблон:Subsup, фторид HeF, хлорид HeCl (эксимерные молекулы образуются при действии электрического разряда или ультрафиолетового излучения на смесь гелия с фтором или хлором).

Также существует возможность связи атома гелия силами Ван-дер-Ваальса, например, с молекулой фуллерена или с атомом неона, однако в таких структурах другие атомы не влияют на электронную структуру атома гелия[34][35].

В 2013 году вышла работа международного коллектива учёных под руководством Артёма Романовича Оганова о теоретической возможности существования соединения гелия с натрием состава Na2He при давлениях выше 113 ГПа (наиболее стабильная структура Na2He обнаружена при 300 ГПа, доказана механическую стабильность этого соединения до 500 ГПа[36]), а так же на алмазных наковальнях на практике доказано существование данного соединения. Данное соединение представляет собой электрид, с локализованными в междоузлиях электронными парами, образующими восьмицентровые двухэлектронные связи внутри пустых кубов Na8. Также предсказано существование Na2HeO с аналогичной структурой при давлениях выше 15 ГПа[37]. Известны и иные соединения гелия, все они стабильны при сверхвысоких давлениях — Li5He2[38], соединения гелия с азотом[39]. Существуют теоретические работы, предсказывающие соединений гелия с железом (например FeHe2) в недрах планет-гигантов и белых карликов[40], а учёт устойчивости соединений гелия с кремнием (HeSiO2) при давлениях 600-4000 ГПа помогут создавать более сложные внутренние модели планет-гигантов[41].

Энергия связи молекулярного иона гелия HeШаблон:Subsup составляет Шаблон:Num, равновесное межъядерное расстояние — Шаблон:Num[42].

Свойства в газовой фазе

При нормальных условиях гелий ведёт себя практически как идеальный газ. При всех условиях гелий является моноатомным веществом. При стандартных условиях (ст.у.: 0 °C, 105 Па) его плотность составляет Шаблон:Num, он обладает теплопроводностью Шаблон:Num, а его удельная теплоёмкость чрезвычайно высока: Шаблон:Math = 5,193 кДж/(кг·К)[43][44]; для сравнения — для Н2 она равна Шаблон:Num. Удельная теплоёмкость при постоянном объёме Шаблон:Math = 3,116 кДж/(кг·К) (ст.у.)[43]. Скорость звука в гелии равна 972,8 м/с (ст.у.)[43]. Таким образом, теплопроводность, удельная теплоёмкость, скорость звука и удельный объём (величина, обратная плотности) у гелия больше, чем у всех других газов, за исключением водорода.

Файл:HeTube.jpg
Символ элемента, выполненный из газоразрядных трубок, наполненных гелием

Гелий менее растворим в воде, чем любой другой известный газ. В Шаблон:Num воды при Шаблон:Num растворяется около Шаблон:Num (Шаблон:Num при Шаблон:Num, Шаблон:Num при Шаблон:Num), в этаноле — Шаблон:Num при Шаблон:Num и Шаблон:Num при Шаблон:Num.

Скорость диффузии сквозь твёрдые материалы, которая в первом приближении обратно пропорциональна корню из молекулярной массы, у гелия в три раза выше, чем у воздуха, и составляет приблизительно 65 % от скорости диффузии водорода[45].

Коэффициент преломления гелия ближе к единице, чем у любого другого газа при равных условиях. Например, для излучения с длиной волны 589,6 нм (спектральная линия натрия D) показатель преломления (ст.у.) у гелия равен Шаблон:Math = 1 + 35·10−6, у водорода 1 + 132·10−6, у азота 1 + 298·10−6[46].

Этот газ имеет отрицательный коэффициент Джоуля — Томсона при нормальной температуре среды, то есть он нагревается при дросселировании через пористые перегородки или маленькие отверстия, но, как и все газы, охлаждается при любой температуре при адиабатическом расширении. Только ниже температуры инверсии Джоуля — Томсона (приблизительно Шаблон:Num при нормальном давлении) он остывает в процессе дросселирования.

После охлаждения ниже этой температуры гелий может быть превращён в жидкость при расширительном охлаждении. Такое охлаждение производится при помощи детандера.

Спектр нейтрального гелия

Файл:Helium spectrum.jpg
Спектральные линии гелия
Файл:Emissionslinien He I-ru.svg
Эмиссионный спектр нейтрального гелия в диапазоне длин волн 380—780 нм в тлеющем разряде при давлении ~10 торр. Наиболее интенсивная жёлтая линия с длиной волны 587,562 нм представляет собой очень тесный триплет
Файл:Helium-term-scheme-ru.svg
Схемы термов для пара- и ортогелия с одним электроном в основном состоянии 1s и одним возбуждённым электроном

При пропускании тока через заполненную гелием трубку наблюдаются разряды различных цветов, зависящих главным образом от давления газа в трубке. Обычно видимый свет спектра гелия имеет жёлтую окраску. По мере уменьшения давления происходит смена цветов на розовый, оранжевый, жёлтый, ярко-жёлтый, жёлто-зелёный и зелёный. Это связано с присутствием в спектре гелия нескольких серий линий, расположенных в диапазоне между инфракрасной и ультрафиолетовой частями спектра. Важнейшие линии гелия в видимой части спектра лежат между Шаблон:Num и Шаблон:Num[11]. Уменьшение давления приводит к увеличению длины свободного пробега электрона, то есть к возрастанию его энергии при столкновении с атомами гелия. Это приводит к переводу атомов в возбуждённое состояние с бо́льшей энергией, в результате чего и происходит смещение спектральных линий от красного к фиолетовому краю видимого спектра.

Хорошо изученный спектр гелия имеет два резко различных набора серий линий — единичных (Шаблон:Math) и триплетных (3S1), поэтому в конце XIX века Локьер, Рунге и Пашен предположили, что гелий состоит из смеси двух газов; один из них, по их предположению, имел в спектре жёлтую линию Шаблон:Num, другой — зелёную 501,6 нм. Этот второй газ они предложили назвать астерием (Шаблон:Lang-la2) от греч. «звёздный». Однако Рамзай и Траверс показали, что спектр гелия зависит от условий: при давлении газа 7—8 мм рт. ст. наиболее ярка жёлтая линия; при уменьшении давления увеличивается интенсивность зелёной линии. Спектры атома гелия были объяснены Гейзенбергом в 1926 году[47] (см. Обменное взаимодействие). Шаблон:Якорь2. Линии парагелия — одиночные, линии ортогелия — весьма тесные триплеты. Атом гелия в нормальных условиях находится в одиночном (синглетном) состоянии. Чтобы атом гелия перевести в триплетное состояние, нужно затратить работу в Шаблон:Num. Переход атома гелия из триплетного состояния в синглетное сам по себе осуществляется чрезвычайно редко. Такое состояние, из которого переход в более глубокое сам по себе маловероятен, носит название метастабильного состояния. Вывести атом из метастабильного состояния в стабильное можно, подвергая атом внешнему воздействию, например, электронным ударом или при столкновении с другим атомом с передачей последнему непосредственно энергии возбуждения[48]. В атоме парагелия (синглетного состояния гелия) спины электронов направлены противоположно и суммарный спиновый момент равен нулю. В триплетном состоянии (ортогелий) спины электронов сонаправлены, суммарный спиновый момент равен единице. Принцип Паули запрещает двум электронам находиться в состоянии с одинаковыми квантовыми числами, поэтому электроны в низшем энергетическом состоянии ортогелия, имея одинаковые спины, вынуждены иметь различные главные квантовые числа: один электрон находится на 1Шаблон:Math-орбитали, а второй — на более удалённой от ядра 2Шаблон:Math-орбитали (состояние оболочки 1Шаблон:Math2Шаблон:Math). У парагелия оба электрона находятся в 1Шаблон:Math-состоянии (состояние оболочки 1Шаблон:Math2).

Спонтанный интеркомбинационный (то есть сопровождающийся изменением суммарного спина) переход с излучением фотона между орто- и парагелием чрезвычайно сильно подавлен, однако возможны безызлучательные переходы при взаимодействии с налетающим электроном или другим атомом.

В бесстолкновительной среде (например, в межзвёздном газе) спонтанный переход из нижнего состояния ортогелия 2Шаблон:Math в основное состояние парагелия 1Шаблон:Math возможен путём излучения одновременно двух фотонов или в результате однофотонного магнитно-дипольного перехода Шаблон:Math В этих условиях расчётное время жизни атома ортогелия за счёт двухфотонного распада 2Шаблон:Math 1Шаблон:Math + 2Шаблон:Math составляет Шаблон:Val, или Шаблон:Num[49]. Первые теоретические оценки[50] показывали[51], что время жизни за счёт магнитно-дипольного перехода на порядки больше, то есть что доминирует двухфотонный распад. Лишь через три десятилетия, после неожиданного открытия запрещённых триплетно-синглетных переходов некоторых подобных гелию ионов в спектрах солнечной короны[52], было обнаружено[53], что однофотонный магнитно-дипольный распад 2Шаблон:Math-состояния значительно более вероятен; время жизни при распаде по этому каналу составляет «всего» Шаблон:Val[54].

Время жизни первого возбуждённого состояния атома парагелия 2Шаблон:Math также крайне велико по атомным масштабам. Правила отбора для этого состояния запрещают однофотонный переход 2Шаблон:Math 1Шаблон:Math + Шаблон:Math[55], а для двухфотонного распада время жизни составляет Шаблон:Num[49].

Свойства конденсированных фаз

Шаблон:Main В 1908 году Х. Камерлинг-Оннес впервые смог получить жидкий гелий. Твёрдый гелий удалось получить лишь под давлением Шаблон:Num при температуре около Шаблон:Num (В. Кеезом, 1926). Кеезом также открыл наличие фазового перехода гелия-4 при температуре Шаблон:Num; он назвал фазы гелий-I и гелий-II (ниже Шаблон:Num). В 1938 году П. Л. Капица обнаружил, что у гелия-II отсутствует вязкость (явление сверхтекучести). В гелии-3 сверхтекучесть возникает лишь при температурах ниже Шаблон:Num. Сверхтекучий гелий относится к классу так называемых квантовых жидкостей, макроскопическое поведение которых может быть описано только с помощью квантовой механики.

В 2004 году появилось сообщение об открытии сверхтекучести твёрдого гелия (т. н. эффект суперсолид) при исследовании его в торсионном осцилляторе, однако многие исследователи сходятся во мнении, что обнаруженный в 2004 году эффект не имеет ничего общего со сверхтекучестью кристалла. В настоящее время продолжаются многочисленные экспериментальные и теоретические исследования, целью которых является понимание истинной природы данного явления.Шаблон:Нет АИ

Изотопы

Шаблон:Main

Природный гелий состоит из двух стабильных изотопов: Шаблон:SimpleNuclide2 (изотопная распространённость — 99,99986 %) и гораздо более редкого Шаблон:SimpleNuclide2 (0,00014 %; содержание гелия-3 в разных природных источниках может варьироваться в довольно широких пределах). Известны ещё шесть искусственных радиоактивных изотопов гелия.

Транспортировка

Файл:250l helium dewar.jpg
Два сосуда Дьюара по Шаблон:Num с жидким гелием

Для транспортировки газообразного гелия используются стальные баллоны (ГОСТ 949-73) коричневого цвета, помещаемые в специализированные контейнеры. Для перевозки можно использовать все виды транспорта при соблюдении соответствующих правил перевозки газов.

Для перевозки жидкого гелия применяются специальные транспортные сосуды Дьюара типа СТГ-10, СТГ-25 и т. п. светло-серого цвета объёмом 10, 25, 40, 250 и Шаблон:Num, соответственно. При выполнении определённых правил транспортировки может использоваться железнодорожный, автомобильный и другие виды транспорта. Сосуды с жидким гелием обязательно должны храниться в вертикальном положении.

Применение

Гелий широко используется в промышленности и народном хозяйстве:

Кроме того, нуклид Шаблон:SimpleNuclide2 используется как рабочее вещество газовых нейтронных детекторов, в том числе позиционно-чувствительных, в технике нейтронного рассеяния в качестве поляризатора. Гелий-3 является также перспективным топливом для термоядерной энергетики. Растворение гелия-3 в гелии-4 используется для получения сверхнизких температур.

В геологии

Гелий — удобный индикатор для геологов. При помощи гелиевой съёмки[56] можно определять на поверхности Земли расположение глубинных разломов. Гелий как продукт распада радиоактивных элементов, насыщающих верхний слой земной коры, просачивается по трещинам, поднимается в атмосферу. Около таких трещин и особенно в местах их пересечения концентрация гелия более высокая. Это явление было впервые установлено советским геофизиком И. Н. Яницким во время поисков урановых руд. Эта закономерность используется для исследования глубинного строения Земли и поиска руд цветных и редких металлов[57].

Также гелий может использоваться для выявления геотермальных источников. Согласно опубликованным исследованиям, концентрации гелия в почвенном газе над геотермальными источниками превышает фоновые значения в 20—200 раз[58].

Повышенные концентрации гелия в почвенном газе могут указывать на наличие залежей урана[59]

Военное применение

В астрономии

В честь гелия назван астероид (895) Гелио, открытый в 1918 году.

Биологическая роль

Гелий, насколько это известно, не несёт какой-либо биологической функции.

Физиологическое действие

  • Хотя инертные газы обладают наркозным действием, это воздействие у гелия и неона при атмосферном давлении не проявляется, в то время как при повышении давления раньше возникают симптомы «нервного синдрома высокого давления» (НСВД)[61].
  • Содержание гелия в высоких концентрациях (более 80 %) во вдыхаемой смеси может вызвать головокружение, тошноту, рвоту, потерю сознания и смерть от асфиксии (в результате кислородного голодания и газовой эмболии)[62]. Аналогичный эффект часто оказывает единоразовый вдох чистого гелия, например, из шарика с гелием. Как и при вдыхании других инертных газов, ввиду отсутствия вкуса и запаха часто происходит неожиданная потеря сознания при вдохе больших концентраций.
  • При вдыхании гелия тембр голоса становится тонким, похожим на кряканье утки[63]. Более высокая, чем в воздухе, скорость звука в гелии при прочих равных условиях (например, температуре) увеличивает значение частоты резонанса голосового тракта (как ёмкости, наполненной газом).

Риски для здоровья

Вдыхание гелия может быть опасно для здоровья в связи с тем, что в лёгкие не попадает кислород, однако гелиокс и тримикс (кислород, азот, гелий) считаются относительно безопасными дыхательными смесями[64][65][66].

См. также

Примечания

Шаблон:Примечания

Литература

Ссылки

Шаблон:Вс Шаблон:Изотопы гелия Шаблон:Периодическая система элементов

Партнерские ресурсы
Криптовалюты
Магазины
Хостинг
Разное

  1. ↑ Шаблон:БРЭ
  2. ↑ Шаблон:Статья
  3. ↑ 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6 Шаблон:Книга
  4. ↑ Шаблон:Статья
  5. ↑ Шаблон:Книга
  6. ↑ Шаблон:Книга
  7. ↑ 7,0 7,1 7,2 7,3 Шаблон:Книга
  8. ↑ Шаблон:Статья
  9. ↑ Шаблон:Книга
  10. ↑ Шаблон:Книга
  11. ↑ 11,0 11,1 11,2 11,3 11,4 Шаблон:Книга
  12. ↑ Шаблон:Статья
  13. ↑ Шаблон:Статья
  14. ↑ Шаблон:Статья
  15. ↑ Шаблон:Cite web
  16. ↑ Шаблон:Книга
  17. ↑ Шаблон:Книга
  18. ↑ 18,0 18,1 18,2 18,3 18,4 Шаблон:Книга
  19. ↑ Шаблон:Cite web
  20. ↑ 20,0 20,1 20,2 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок ХЭ не указан текст
  21. ↑ Самарий, как и уран и торий, является природным альфа-радиоактивным элементом.
  22. ↑ Шаблон:Cite web
  23. ↑ Шаблон:Cite web
  24. ↑ Шаблон:Cite web
  25. ↑ Шаблон:Cite web
  26. ↑ Взлететь к солнцу: новое российское предприятие окажет влияние на мировой рынок гелия // Рамблер, 18 января 2020
  27. ↑ Шаблон:Cite web
  28. ↑ Шаблон:Cite web
  29. ↑ The New York Times: Шаблон:Cite web // ИноСМИ.ру, 9.12.2020
  30. ↑ Шаблон:Cite web
  31. ↑ Шаблон:Cite web. Теория и практика. 2009 (4) ISSN 2070-5379.
  32. ↑ Шаблон:Cite web
  33. ↑ Шаблон:Книга
  34. ↑ Шаблон:Cite web
  35. ↑ Шаблон:Cite web
  36. ↑ Шаблон:Статья
  37. ↑ Шаблон:Статья
  38. ↑ Шаблон:Статья
  39. ↑ Шаблон:Статья
  40. ↑ Шаблон:Статья
  41. ↑ Шаблон:Статья
  42. ↑ Шаблон:Книга
  43. ↑ 43,0 43,1 43,2 Шаблон:Cite doi
  44. ↑ Шаблон:Cite web
  45. ↑ Шаблон:Cite book
  46. ↑ Шаблон:СвойстваЭлементов1
  47. ↑ W. Heisenberg, Z. Physik 39, 499 (1926).
  48. ↑ Шаблон:Книга
  49. ↑ 49,0 49,1 G. W. F. Drake, G. A. Victor, A. Dalgarno. Two-Photon Decay of the Singlet and Triplet Metastable States of Helium-like Ions. Phys. Rev. 180, 25-32 (1969).
  50. ↑ G. Breit and E. Teller, Astrophys. J. 91, 215 (1940).
  51. ↑ R.D.Knight. Lifetime of the Metastable 23S1 State in Stored Li+ Ions. — Ph.D.Thesis. Lawrence Berkeley Laboratory. — 1979. — 136 с.
  52. ↑ A.H. Gabriel and C. Jordan. Шаблон:Cite web. Nature 221, 947 (1969).
  53. ↑ H.R. Griem, Spontaneous single-photon decay of 2{{math&124;3S1}} in Helium-like ions. Astrophys. J. 156, L103 (1969).
  54. ↑ G. Feinberg, J. Sucher. Calculation of the Decay Rate for 2{{math&124;3S1}} → 1{{math&124;1S0}} + One Photon in Helium. Phys. Rev. Lett. 26, 681—684 (1971).
  55. ↑ Это объяснимо из соображений симметрии. Как начальное, так и конечное состояние атома сферически симметричны и не имеют выделенного направления — оба электрона находятся в Шаблон:Math-состоянии, и суммарный спиновый момент также нулевой. Излучение фотона с определённым импульсом требует нарушения этой симметрии.
  56. ↑ Шаблон:Cite web
  57. ↑ Государственный реестр открытий СССР. Яницкий И. Н. Научное открытие № 68 «Закономерность распределения концентрации гелия в земной коре»
  58. ↑ Helium Survey, A Possible Technique For Locating Geothermal Reservoirs. Alan A. Roberts, Irving Friedman, Terrence J. Donovan, Edward H. Denton. US Geological Survey, Denver, Colorado 80225.
  59. ↑ Шаблон:Cite web.
  60. ↑ Мусиченко Н. И. Закономерности распределения гелия в земной коре и их значение при поисках геохимическими методами месторождений газа, нефти и радиоактивных элементов [Текст] : (Метод. рекомендации) / Н. И. Мусиченко, В. В. Иванов ; М-во геологии СССР. Всесоюз. науч.-исслед. ин-т ядерной геофизики и геохимии «ВНИИЯГГ». — Москва : [б. и.], 1970. — 228 с., 1 л.
  61. ↑ Шаблон:Cite web
  62. ↑ Шаблон:Публикация
  63. ↑ Шаблон:Cite web
  64. ↑ Шаблон:Статья
  65. ↑ Шаблон:Cite news
  66. ↑ Шаблон:Cite news
Источник — http://wikihandbk.com/ruwiki/index.php?title=Русская_Википедия:Гелий&oldid=9523916