Гелий (от греческого : ἥλιος , латинизированного : helios , букв. «Солнце») — химический элемент ; у него есть символ He и атомный номер 2. Это бесцветный, без запаха, без вкуса, нетоксичный, инертный , одноатомный газ и первый в группе благородных газов в периодической таблице . [а] Его температура кипения самая низкая среди всех элементов , и он не имеет точки плавления при стандартном давлении. Это второй по легкости и распространенности элемент в наблюдаемой Вселенной после водорода . Его доля составляет около 24% от общей массы элемента, что более чем в 12 раз превышает массу всех более тяжелых элементов вместе взятых. Его содержание аналогично этому как на Солнце , так и на Юпитере из-за очень высокой энергии связи ядра (на нуклон ) гелия-4 по отношению к следующим трем элементам после гелия. Эта энергия связи гелия-4 также объясняет, почему он является продуктом как ядерного синтеза , так и радиоактивного распада . Самый распространенный изотоп гелия во Вселенной — гелий-4, подавляющее большинство которого образовалось во время Большого взрыва . Большое количество нового гелия создается в результате ядерного синтеза водорода в звездах .
Гелий был впервые обнаружен как неизвестная желтая спектральная линия солнечного света во время солнечного затмения в 1868 году Жоржем Райе , [14] капитаном К.Т. Хейгом, [15] Норманом Р. Погсоном , [16] и лейтенантом Джоном Гершелем, [17] и впоследствии было подтверждено французским астрономом Жюлем Янсеном . [18] Янссену часто приписывают открытие этого элемента вместе с Норманом Локьером . Янссен зафиксировал спектральную линию гелия во время солнечного затмения 1868 года, а Локьер наблюдал ее из Британии. Однако только Локьер предположил, что эта линия возникла благодаря новому элементу, который он назвал в честь Солнца. Формальное открытие элемента было сделано в 1895 году химиками сэром Уильямом Рамзи , Пером Теодором Клевом и Нильсом Абрахамом Ланглетом , которые обнаружили гелий, выделяющийся из урановой руды клевеита , который сейчас рассматривается не как отдельный минеральный вид, а как разновидность из уранинита. [19] [20] В 1903 году большие запасы гелия были обнаружены на месторождениях природного газа в некоторых частях Соединенных Штатов, которые на сегодняшний день являются крупнейшим поставщиком газа.
Жидкий гелий используется в криогенике (его крупнейшее разовое применение, потребляющее около четверти производства), а также для охлаждения сверхпроводящих магнитов , причем его основное коммерческое применение - в сканерах МРТ . На другие промышленные применения гелия — в качестве герметизирующего и продувочного газа, в качестве защитной атмосферы для дуговой сварки и в таких процессах, как выращивание кристаллов для изготовления кремниевых пластин — приходится половина производимого газа. Небольшое, но хорошо известное применение — в качестве подъемного газа в воздушных шарах и дирижаблях . [21] Как и в случае с любым газом, плотность которого отличается от плотности воздуха, вдыхание небольшого объема гелия временно меняет тембр и качество человеческого голоса . В научных исследованиях поведение двух жидких фаз гелия-4 (гелий I и гелий II) важно для исследователей, изучающих квантовую механику (в частности, свойство сверхтекучести ), а также для тех, кто изучает такие явления, как сверхпроводимость , возникающая в результате научных исследований. в материи около абсолютного нуля .
На Земле он относительно редок — в атмосфере 5,2 ppm по объёму . Большая часть присутствующего сегодня земного гелия создается в результате естественного радиоактивного распада тяжелых радиоактивных элементов ( тория и урана , хотя есть и другие примеры), поскольку альфа-частицы, испускаемые в результате таких распадов, состоят из ядер гелия-4 . Этот радиогенный гелий улавливается природным газом в концентрациях до 7% по объему, из которого его извлекают в коммерческих целях с помощью процесса низкотемпературного разделения, называемого фракционной перегонкой . Земной гелий является невозобновляемым ресурсом, поскольку, попав в атмосферу, он быстро улетучивается в космос . Считается, что его предложение быстро сокращается. [22] [23] Однако некоторые исследования показывают, что гелий, образующийся глубоко под землей в результате радиоактивного распада, может накапливаться в запасах природного газа в больших, чем ожидалось, количествах, [24] в некоторых случаях высвобождаясь в результате вулканической активности. [25]
Первое свидетельство присутствия гелия наблюдалось 18 августа 1868 года в виде ярко-жёлтой линии с длиной волны 587,49 нанометра в спектре хромосферы Солнца . Линия была обнаружена французским астрономом Жюлем Янсеном во время полного солнечного затмения в Гунтуре , Индия. [26] [27] Первоначально предполагалось, что эта линия представляет собой натрий . 20 октября того же года английский астроном Норман Локьер наблюдал желтую линию в солнечном спектре, которую он назвал D 3 , потому что она находилась рядом с известными линиями Фраунгофера D 1 и D 2 натрия. [28] [29] Он пришел к выводу, что это было вызвано элементом Солнца, неизвестным на Земле. Локьер назвал элемент греческим словом, обозначающим Солнце, ἥλιος ( гелиос ). [30] [31] Иногда говорят, что английский химик Эдвард Франкленд также участвовал в присвоении названия, но это маловероятно, поскольку он сомневался в существовании этого нового элемента. Окончание «-ium» необычно, поскольку обычно оно применяется только к металлическим элементам; вероятно, Локьер, будучи астрономом, не знал о химических соглашениях. [32]
В 1881 году итальянский физик Луиджи Пальмиери впервые обнаружил гелий на Земле по его спектральной линии D3 , когда он анализировал материал, сублимированный во время недавнего извержения Везувия . [33]
.jpg/1280px-Clevite_sample_(35321726345).jpg)
26 марта 1895 года шотландский химик сэр Уильям Рамзи выделил на Земле гелий, обработав минерал клевеит (разновидность уранинита , содержащая не менее 10% редкоземельных элементов ) минеральными кислотами . Рамзай искал аргон , но после отделения азота и кислорода от газа, выделяемого серной кислотой , заметил ярко-желтую линию, совпадающую с линией D3, наблюдаемой в спектре Солнца. [29] [35] [36] [37] Эти образцы были идентифицированы как гелий Локьером и британским физиком Уильямом Круксом . [38] [39] Он был независимо выделен из клевеита в том же году химиками Пером Теодором Клевом и Абрахамом Ланглетом в Уппсале , Швеция, которые собрали достаточно газа, чтобы точно определить его атомный вес . [40] [41] [27] [42] Гелий был также выделен американским геохимиком Уильямом Фрэнсисом Хиллебрандом еще до открытия Рамзи, когда он заметил необычные спектральные линии при тестировании образца минерала уранинита . Хиллебранд, однако, приписал эти линии азоту . [43] Его поздравительное письмо Рамзи представляет собой интересный случай открытия и почти открытия в науке. [44]
В 1907 году Эрнест Резерфорд и Томас Ройдс продемонстрировали, что альфа-частицы представляют собой ядра гелия , позволив частицам проникнуть через тонкую стеклянную стенку вакуумированной трубки , а затем создав в трубке разряд для изучения спектра нового газа внутри. [45] В 1908 году гелий был впервые сжижен голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом путем охлаждения газа до температуры менее 5 К (-268,15 °C; -450,67 °F). [46] [47] Он попытался затвердеть его, дополнительно снизив температуру, но ему это не удалось, поскольку гелий не затвердевает при атмосферном давлении. Студент Оннеса Виллем Хендрик Кесом в 1926 году смог затвердеть 1 см 3 гелия, приложив дополнительное внешнее давление. [48] [49]
В 1913 году Нильс Бор опубликовал свою «трилогию» [50] [51] об атомной структуре, которая включала пересмотр ряда Пикеринга-Фаулера в качестве центрального доказательства в поддержку его модели атома . [52] [53] Эта серия названа в честь Эдварда Чарльза Пикеринга , который в 1896 году опубликовал наблюдения ранее неизвестных линий в спектре звезды ζ Корма [54] (теперь известно, что они происходят с Вольфом-Райе и другими горячими звездами). ). [55] Пикеринг приписал это наблюдение (линии 4551, 5411 и 10123 Å ) новой форме водорода с полуцелыми переходными уровнями. [56] [57] В 1912 году Альфред Фаулер [58] сумел получить аналогичные линии из смеси водорода и гелия и поддержал вывод Пикеринга об их происхождении. [59] Модель Бора не допускает полуцелых переходов (как и квантовая механика), и Бор пришел к выводу, что Пикеринг и Фаулер были неправы, и вместо этого приписал эти спектральные линии ионизированному гелию He + . [60] Фаулер поначалу был настроен скептически [61] , но в конечном итоге был убежден [62] в правоте Бора, [50] и к 1915 году «спектроскописты окончательно перенесли [ряд Пикеринга-Фаулера] [от водорода] к гелию». [53] [63] Теоретическая работа Бора по ряду Пикеринга продемонстрировала необходимость «пересмотра проблем, которые, казалось, уже были решены в рамках классических теорий» и предоставила важное подтверждение его атомной теории. [53]
В 1938 году русский физик Петр Леонидович Капица обнаружил, что гелий-4 почти не имеет вязкости при температурах, близких к абсолютному нулю , — явление, которое теперь называется сверхтекучестью . [64] Это явление связано с конденсацией Бозе-Эйнштейна . В 1972 году то же явление наблюдали в гелии-3 , но при температурах гораздо ближе к абсолютному нулю, американские физики Дуглас Д. Ошерофф , Дэвид М. Ли и Роберт К. Ричардсон . Считается, что явление в гелии-3 связано с спариванием фермионов гелия-3 с образованием бозонов по аналогии с куперовскими парами электронов, создающими сверхпроводимость . [65]
В 1961 году Виньос и Фэрбенк сообщили о существовании другой фазы твердого гелия-4, названной гамма-фазой. Он существует в узком диапазоне давлений от 1,45 до 1,78 К. [66]
После бурения нефти в 1903 году в Декстере, штат Канзас, образовался несгораемый газовый гейзер, геолог штата Канзас Эразмус Хауорт собрал образцы выходящего газа и отвез их обратно в Канзасский университет в Лоуренсе, где с помощью химиков Гамильтона Кэди и Дэвидом МакФарландом он обнаружил, что газ по объему состоит из 72% азота, 15% метана ( горючий процент только при достаточном количестве кислорода), 1% водорода и 12% неопознанного газа. [27] [67] При дальнейшем анализе Кэди и МакФарланд обнаружили, что 1,84% образца газа составлял гелий. [68] [69] Это показало, что, несмотря на свою общую редкость на Земле, гелий был сконцентрирован в больших количествах под Американскими Великими равнинами и доступен для добычи в качестве побочного продукта природного газа . [70]
Это позволило Соединенным Штатам стать ведущим поставщиком гелия в мире. По предложению сэра Ричарда Трелфолла ВМС США спонсировали три небольших экспериментальных гелиевых завода во время Первой мировой войны. Целью было снабжать аэростаты заграждения негорючим газом, который легче воздуха. Всего в рамках программы было произведено 5700 м 3 (200 000 куб. футов) гелия с содержанием 92%, хотя ранее было получено менее кубического метра газа. [29] Часть этого газа была использована в первом в мире дирижабле, наполненном гелием, дирижабле C-класса ВМС США C-7, который совершил свой первый рейс из Хэмптон-Роудс, штат Вирджиния , в Боллинг-Филд в Вашингтоне, округ Колумбия, в декабре. 1 января 1921 года, [71] почти за два года до того, как в сентябре 1923 года поднялся в воздух первый жесткий дирижабль ВМФ , наполненный гелием, построенный на Военно-морском авиазаводе военный корабль США « Шенандоа ».
Хотя процесс добычи с использованием низкотемпературного сжижения газа не был разработан вовремя и не имел существенного значения во время Первой мировой войны, производство продолжалось. Гелий в основном использовался в качестве подъемного газа в кораблях легче воздуха. Во время Второй мировой войны возрос спрос на гелий для подъемного газа и для сварки в защитной среде . Гелиевый масс-спектрометр также сыграл жизненно важную роль в Манхэттенском проекте атомной бомбы . [72]
Правительство Соединенных Штатов создало Национальный резерв гелия в 1925 году в Амарилло, штат Техас , с целью снабжения военных дирижаблей во время войны и коммерческих дирижаблей в мирное время. [29] Из-за Закона о гелии 1925 года , который запретил экспорт дефицитного гелия, на производство которого тогда имели монополию США, а также из-за непомерно высокой стоимости газа, немецкие цеппелины были вынуждены использовать водород в качестве подъемного газа, что получить позорную славу в результате катастрофы в Гинденбурге . Рынок гелия после Второй мировой войны находился в депрессии, но в 1950-х годах резерв был расширен, чтобы обеспечить поставки жидкого гелия в качестве охлаждающей жидкости для создания кислородно-водородного ракетного топлива (помимо других применений) во время космической гонки и холодной войны . Использование гелия в Соединенных Штатах в 1965 году более чем в восемь раз превысило пиковое потребление гелия в военное время. [73]
После внесения поправок в Закон о гелии 1960 года (Публичный закон 86–777) Горное бюро США организовало пять частных заводов по извлечению гелия из природного газа. Для этой программы сохранения гелия Бюро построило трубопровод длиной 425 миль (684 км) из Буштона, штат Канзас , чтобы соединить эти заводы с государственным частично истощенным газовым месторождением Клиффсайд недалеко от Амарилло, штат Техас. Эту смесь гелия и азота закачивали и хранили на газовом месторождении Клиффсайд до тех пор, пока она не потребовалась, после чего она подвергалась дальнейшей очистке. [74]
К 1995 году было собрано миллиард кубометров газа, а задолженность резерва составила 1,4 миллиарда долларов США, что побудило Конгресс США в 1996 году прекратить резервирование. [27] [75] В результате Закона о приватизации гелия 1996 года [76] (публичный закон 104–273) предписывалось Министерству внутренних дел США опустошить резерв, а продажи начались к 2005 году. [77]
Гелий, произведенный между 1930 и 1945 годами, имел чистоту около 98,3% (2% азота), что было достаточно для дирижаблей. В 1945 году небольшое количество гелия (99,9%) было произведено для использования в сварке. К 1949 году были доступны коммерческие количества гелия класса А с содержанием 99,95%. [78]
В течение многих лет Соединенные Штаты производили более 90% коммерчески используемого гелия в мире, а оставшуюся часть производили экстракционные заводы в Канаде, Польше, России и других странах. В середине 1990-х годов начал работу новый завод в Арзеве , Алжир, производящий 17 миллионов кубических метров (600 миллионов кубических футов), с достаточным объемом производства, чтобы покрыть весь спрос Европы. Между тем, к 2000 году потребление гелия в США выросло до более чем 15 миллионов кг в год. [79] В 2004–2006 годах были построены дополнительные заводы в Рас-Лаффане , Катар , и Скикде , Алжир. Алжир быстро стал вторым ведущим производителем гелия. [80] За это время увеличилось как потребление гелия, так и затраты на его производство. [81] С 2002 по 2007 год цены на гелий выросли вдвое. [82]
По состоянию на 2012 год на долю Национального запаса гелия США[обновлять] приходилось 30 процентов мировых запасов гелия. [83] Ожидалось, что в 2018 году в резерве закончится гелий. [83] Несмотря на это, законопроект, предложенный в Сенате США, позволит резерву продолжать продавать газ. Другие крупные запасы находились в Хьюготоне в Канзасе , США, а также в близлежащих газовых месторождениях Канзаса и в окрестностях Техаса и Оклахомы . Новые гелиевые заводы планировалось открыть в 2012 году в Катаре , России и американском штате Вайоминг , но не ожидалось, что они уменьшат дефицит. [83]
В 2013 году Катар запустил крупнейшую в мире установку по производству гелия [84] , хотя катарский дипломатический кризис 2017 года серьезно повлиял на производство гелия там. [85] 2014 год был широко признан годом избыточного предложения в гелиевом бизнесе после многих лет известного дефицита. [86] Nasdaq сообщила (2015 г.), что для Air Products , международной корпорации, которая продает газы для промышленного использования, объемы гелия остаются под экономическим давлением из-за ограничений поставок сырья. [87]
С точки зрения квантовой механики гелий является вторым простым атомом для моделирования после атома водорода . Гелий состоит из двух электронов на атомных орбиталях, окружающих ядро, содержащее два протона и (обычно) два нейтрона. Как и в ньютоновской механике, ни одна система, состоящая более чем из двух частиц, не может быть решена с помощью точного аналитического математического подхода (см. задачу трех тел ), и гелий не является исключением. Таким образом, требуются численные математические методы даже для решения системы одного ядра и двух электронов. Такие методы вычислительной химии использовались для создания квантовомеханической картины связывания электронов гелия с точностью до <2% от правильного значения за несколько вычислительных шагов. [88] Такие модели показывают, что каждый электрон в гелии частично экранирует ядро от другого, так что эффективный заряд ядра Z eff , который видит каждый электрон, составляет около 1,69 единиц, а не два заряда классического «голого» ядра гелия.
Ядро атома гелия-4 идентично альфа-частице . Эксперименты по рассеянию высокоэнергетических электронов показывают, что его заряд экспоненциально уменьшается от максимума в центральной точке, точно так же, как и плотность заряда собственного электронного облака гелия . Эта симметрия отражает схожую физику: пара нейтронов и пара протонов в ядре гелия подчиняются тем же квантово-механическим правилам, что и пара электронов гелия (хотя ядерные частицы подвержены разному потенциалу ядерной связи), так что все эти Фермионы полностью занимают 1s-орбитали парами, ни один из них не обладает орбитальным угловым моментом, и каждый из них компенсирует собственный спин другого. Добавление еще одной из этих частиц потребовало бы углового момента и высвободило бы значительно меньше энергии (фактически, ни одно ядро с пятью нуклонами не является стабильным). Таким образом, такое расположение энергетически чрезвычайно стабильно для всех этих частиц, и эта стабильность объясняет многие важные факты, касающиеся гелия в природе.
Например, стабильность и низкая энергия состояния электронного облака в гелии объясняют химическую инертность элемента, а также отсутствие взаимодействия атомов гелия друг с другом, что приводит к самым низким температурам плавления и кипения среди всех элементов.
Подобным же образом особая энергетическая стабильность ядра гелия-4, вызванная аналогичными эффектами, объясняет легкость производства гелия-4 в атомных реакциях, которые включают либо выброс тяжелых частиц, либо синтез. Некоторое количество стабильного гелия-3 (два протона и один нейтрон) образуется в реакциях синтеза из водорода, но это очень небольшая фракция по сравнению с весьма полезным гелием-4.
Необычайная стабильность ядра гелия-4 важна также с космологической точки зрения : она объясняет тот факт, что в первые несколько минут после Большого взрыва , как «суп» из свободных протонов и нейтронов, первоначально образовавшийся в соотношении примерно 6:1, охлаждено до такой степени, что стало возможным ядерное связывание, почти все первые образовавшиеся составные атомные ядра были ядрами гелия-4. Из-за относительно прочной связи ядер гелия-4 его производство уничтожило почти все свободные нейтроны за несколько минут, прежде чем они могли подвергнуться бета-распаду, и, таким образом, осталось мало нейтронов для образования более тяжелых атомов, таких как литий, бериллий или бор. Ядерная связь гелия-4 на нуклон сильнее, чем у любого из этих элементов (см. Нуклеогенез и энергия связи ), и, таким образом, как только гелий образовался, не было энергетического стимула для образования элементов 3, 4 и 5. [89 ] гелию едва ли энергетически выгодно сливаться со следующим элементом с более низкой энергией на нуклон — углеродом. Однако из-за отсутствия промежуточных элементов этот процесс требует почти одновременного удара трех ядер гелия (см. Тройной альфа-процесс ). Таким образом, не было времени для образования значительного количества углерода в течение нескольких минут после Большого взрыва, прежде чем ранняя расширяющаяся Вселенная остыла до точки температуры и давления, при которой синтез гелия с углеродом стал невозможен. Это оставило раннюю Вселенную с очень похожим соотношением водорода/гелия, которое наблюдается сегодня (3 части водорода на 1 часть гелия-4 по массе), при этом почти все нейтроны во Вселенной заперты в гелии-4.
Таким образом, все более тяжелые элементы (включая те, которые необходимы для каменистых планет, таких как Земля, а также для углеродной или другой жизни) были созданы после Большого взрыва в звездах, которые были достаточно горячими, чтобы расплавить сам гелий. Все элементы, кроме водорода и гелия, сегодня составляют лишь 2% массы атомной материи во Вселенной. Гелий-4, напротив, составляет около 23% обычного вещества Вселенной — почти всю обычную материю, не являющуюся водородом.
Гелий является вторым наименее реакционноспособным благородным газом после неона и, следовательно, вторым наименее реакционноспособным из всех элементов. [90] Он химически инертен и одноатомен во всех стандартных условиях. Из-за относительно низкой молярной (атомной) массы гелия его теплопроводность , удельная теплоемкость и скорость звука в газовой фазе больше, чем у любого другого газа, за исключением водорода . По этим причинам, а также из-за небольшого размера одноатомных молекул гелия, гелий диффундирует через твердые тела со скоростью, в три раза превышающей скорость воздуха, и примерно на 65% быстрее, чем водород. [29]
Гелий является наименее растворимым в воде одноатомным газом [91] и одним из наименее растворимых в воде газов ( CF 4 , SF 6 и C 4 F 8 имеют более низкую растворимость мольных долей: 0,3802, 0,4394 и 0,2372 x 2) . /10 -5 соответственно по сравнению с 0,70797 x 2 /10 -5 у гелия [92] и показатель преломления гелия ближе к единице, чем у любого другого газа. [93] Гелий имеет отрицательный коэффициент Джоуля-Томсона при нормальной температуре окружающей среды, что означает, что он нагревается, когда ему позволяют свободно расширяться. Только ниже температуры инверсии Джоуля-Томсона (приблизительно от 32 до 50 К при 1 атмосфере) он охлаждается при свободном расширении. [29] После предварительного охлаждения ниже этой температуры гелий можно сжижать за счет охлаждения расширением.
Большая часть внеземного гелия представляет собой плазму звезд, свойства которой сильно отличаются от свойств атомарного гелия. В плазме электроны гелия не связаны с его ядром, что приводит к очень высокой электропроводности, даже когда газ ионизован лишь частично. Заряженные частицы находятся под сильным влиянием магнитных и электрических полей. Например, в солнечном ветре вместе с ионизированным водородом частицы взаимодействуют с магнитосферой Земли , порождая токи Биркеланда и полярные сияния . [94]
Гелий сжижается при охлаждении ниже 4,2 К при атмосферном давлении. Однако, в отличие от любого другого элемента, гелий остается жидким вплоть до температуры абсолютного нуля . Это прямой эффект квантовой механики: в частности, энергия нулевой точки системы слишком высока, чтобы ее можно было заморозить. Для его замораживания требуется давление выше 25 атмосфер. Существует две жидкие фазы: гелий I — обычная жидкость, а гелий II, возникающий при более низкой температуре, — сверхтекучий .
Ниже температуры кипения 4,22 К (-268,93 ° C; -452,07 ° F) и выше лямбда-точки 2,1768 К (-270,9732 ° C; -455,7518 ° F) изотоп гелий -4 существует в нормальном бесцветном жидком состоянии. , называемый гелием I. [29] Как и другие криогенные жидкости, гелий I кипит при нагревании и сжимается при понижении температуры. Однако ниже лямбда-точки гелий не кипит и расширяется при дальнейшем понижении температуры.
Гелий I имеет газоподобный показатель преломления 1,026, из-за чего его поверхность настолько трудно увидеть, что для того, чтобы показать, где находится поверхность, часто используются пенопластовые поплавки. [29] Эта бесцветная жидкость имеет очень низкую вязкость и плотность 0,145–0,125 г/мл (приблизительно от 0 до 4 К), [95] что составляет лишь одну четверть значения, ожидаемого в классической физике . [29] Для объяснения этого свойства необходима квантовая механика , и поэтому оба состояния жидкого гелия (гелий I и гелий II) называются квантовыми жидкостями , то есть они проявляют атомные свойства в макроскопическом масштабе. Это может быть следствием того, что его точка кипения настолько близка к абсолютному нулю, что не позволяет случайному молекулярному движению ( тепловой энергии ) маскировать атомные свойства. [29]
Жидкий гелий ниже своей лямбда-точки (называемый гелием II ) демонстрирует очень необычные характеристики. Благодаря высокой теплопроводности при кипении он не пузырится, а испаряется прямо со своей поверхности. Гелий-3 также имеет сверхтекучую фазу, но только при гораздо более низких температурах; в результате о свойствах изотопа известно меньше. [29]
Гелий II — это сверхтекучее квантовомеханическое состояние материи со странными свойствами. Например, когда он течет через капилляры толщиной от 10 до 100 нм , он не имеет измеримой вязкости . [27] Однако, когда измерения проводились между двумя движущимися дисками, наблюдалась вязкость, сравнимая с вязкостью газообразного гелия. Современная теория объясняет это с помощью двухжидкостной модели гелия II. В этой модели жидкий гелий ниже лямбда-точки рассматривается как содержащий часть атомов гелия в основном состоянии , которые являются сверхтекучими и текут с точно нулевой вязкостью, а также часть атомов гелия в возбужденном состоянии, которые ведут себя скорее как обычная жидкость. [96]
При эффекте фонтана создается камера, соединенная с резервуаром с гелием II спеченным диском, через который сверхтекучий гелий легко просачивается, но через который несверхтекучий гелий не может пройти. Если внутреннюю часть контейнера нагреть, сверхтекучий гелий превращается в несверхтекучий гелий. Чтобы поддерживать равновесную долю сверхтекучего гелия, сверхтекучий гелий просачивается и увеличивает давление, в результате чего жидкость фонтанирует из контейнера. [97]
Теплопроводность гелия II выше, чем у любого другого известного вещества, в миллион раз выше, чем у гелия I, и в несколько сотен раз выше, чем у меди . [29] Это связано с тем, что теплопроводность происходит по исключительному квантовому механизму. Большинство материалов, хорошо проводящих тепло, имеют валентную зону свободных электронов, которые служат для передачи тепла. Гелий II не имеет такой валентной зоны, но тем не менее хорошо проводит тепло. Поток тепла определяется уравнениями, аналогичными волновому уравнению , используемому для характеристики распространения звука в воздухе. Когда вводится тепло, оно движется со скоростью 20 метров в секунду при температуре 1,8 К через гелий II в виде волн в явлении, известном как второй звук . [29]
Гелий II также проявляет эффект ползучести. Когда поверхность выходит за пределы уровня гелия II, гелий II движется вдоль поверхности против силы тяжести . Гелий II выйдет из незапечатанного сосуда, ползая по бокам, пока не достигнет более теплой области, где испаряется. Он движется в пленке толщиной 30 нм независимо от материала поверхности. Этот фильм называется фильмом Роллина и назван в честь человека, впервые охарактеризовавшего эту черту, Бернарда В. Роллина. [29] [98] [99] В результате такого ползучего поведения и способности гелия II быстро просачиваться через крошечные отверстия, его очень трудно удержать. Если контейнер не будет тщательно сконструирован, гелий II будет ползти по поверхностям и через клапаны, пока не достигнет более теплого места, где и испарится. Волны, распространяющиеся по пленке Роллина, подчиняются тому же уравнению, что и гравитационные волны на мелкой воде, но восстанавливающей силой является не гравитация, а сила Ван-дер-Ваальса . [100] Эти волны известны как третий звук . [101]
Гелий остается жидким вплоть до абсолютного нуля при атмосферном давлении, но замерзает при высоком давлении. Твердый гелий требует температуры 1–1,5 К (около -272 ° C или -457 ° F) при давлении около 25 бар (2,5 МПа). [102] Часто бывает трудно отличить твердый гелий от жидкого, поскольку показатели преломления двух фаз почти одинаковы. Твердое вещество имеет острую температуру плавления и имеет кристаллическую структуру, но обладает высокой сжимаемостью ; применение давления в лаборатории может уменьшить его объем более чем на 30%. [103] При модуле объемного сжатия около 27 МПа [104] он примерно в 100 раз более сжимаем, чем вода. Твердый гелий имеет плотность0,214 ± 0,006 г/см 3 при 1,15 К и 66 атм; прогнозируемая плотность при 0 К и 25 бар (2,5 МПа) равна0,187 ± 0,009 г/см 3 . [105] При более высоких температурах гелий затвердевает при достаточном давлении. При комнатной температуре для этого требуется около 114 000 атм. [106]
Гелий-4 и гелий-3 образуют несколько кристаллических твердых фаз, для каждой из которых требуется давление не менее 25 бар. Они оба образуют α-фазу, которая имеет гексагональную плотноупакованную (ГПУ) кристаллическую структуру, β-фазу, которая является гранецентрированной кубической (ГЦК), и γ-фазу, которая является объемноцентрированной кубической (ОЦК). [107]
Известно девять изотопов гелия, два из которых, гелий-3 и гелий-4 , стабильны . В атмосфере Земли один атом3
Он за каждый миллион, который4
Он . [27] В отличие от большинства элементов, изотопное содержание гелия сильно варьируется в зависимости от происхождения из-за различных процессов образования. Самый распространенный изотоп, гелий-4, образуется на Земле в результате альфа-распада более тяжелых радиоактивных элементов; возникающие альфа-частицы представляют собой полностью ионизированные ядра гелия-4. Гелий-4 — необычайно стабильное ядро, поскольку его нуклоны расположены в полные оболочки . Он также образовался в огромных количествах во время нуклеосинтеза Большого взрыва . [108]
Гелий-3 присутствует на Земле лишь в следовых количествах. Большая часть его присутствовала с момента образования Земли, хотя некоторые падают на Землю, запертые в космической пыли . [109] Следовые количества также образуются в результате бета-распада трития . [110] Породы земной коры имеют соотношение изотопов, варьирующееся в десять раз, и эти соотношения можно использовать для исследования происхождения горных пород и состава мантии Земли . [109] 3
Его гораздо больше в звёздах как продукта ядерного синтеза. Таким образом, в межзвездной среде доля3
Он, чтобы4
Он примерно в 100 раз выше, чем на Земле. [111] Внепланетный материал, такой как лунный и астероидный реголит , содержит следовые количества гелия-3 в результате бомбардировки солнечными ветрами . Поверхность Луны содержит гелий-3 в концентрации порядка 10 частей на миллиард , что намного выше, чем примерно 5 частей на миллиард , обнаруженных в атмосфере Земли. [112] [113] Ряд людей, начиная с Джеральда Кульчински в 1986 году, [114] предлагали исследовать Луну, добывать лунный реголит и использовать гелий-3 для термоядерного синтеза .
Жидкий гелий-4 можно охладить примерно до 1 К (-272,15 ° C; -457,87 ° F), используя испарительное охлаждение в сосуде с температурой 1 К. Аналогичное охлаждение гелия-3, имеющего более низкую температуру кипения, позволяет добиться примерно0,2 Кельвина в холодильнике с гелием-3 . Равные смеси жидкостей3
Он и4
Он ниже0,8 К разделяются на две несмешивающиеся фазы из-за их несходства (они следуют разной квантовой статистике : атомы гелия-4 являются бозонами , а атомы гелия-3 являются фермионами ). [29] Холодильники с разбавлением используют эту несмешиваемость для достижения температуры в несколько милликельвинов. [115]
Можно производить экзотические изотопы гелия , которые быстро распадаются на другие вещества. Самый короткоживущий тяжелый изотоп гелия — несвязанный гелий-10 с периодом полураспада2,6(4 ) × 10-22 с . [6] Гелий-6 распадается с испусканием бета-частиц и имеет период полураспада 0,8 секунды. Гелий-7 и гелий-8 образуются в результате определенных ядерных реакций . [29] Известно, что гелий-6 и гелий-8 обладают ядерным ореолом . [29]
Таблица теплофизических свойств газообразного гелия при атмосферном давлении: [116] [117]
Гелий имеет нулевую валентность и химически инертен при всех нормальных условиях. [103] Это электрический изолятор, если он не ионизирован . Как и другие благородные газы, гелий имеет метастабильные энергетические уровни , которые позволяют ему оставаться ионизированным в электрическом разряде с напряжением ниже его потенциала ионизации . [29] Гелий может образовывать нестабильные соединения , известные как эксимеры , с вольфрамом, йодом, фтором, серой и фосфором, когда он подвергается тлеющему разряду , бомбардировке электронами или восстанавливается до плазмы другими способами. Молекулярные соединения HeNe, HgHe 10 и WHe 2 , а также молекулярные ионы He+
2, Он2+
2, ХеХ+и HeD+
были созданы таким образом. [118] HeH + также стабилен в своем основном состоянии, но чрезвычайно реакционноспособен — это самая сильная из известных кислот Бренстеда , и поэтому он может существовать только изолированно, поскольку он будет протонировать любую молекулу или противоанион, с которым он контактирует. С помощью этого метода также были получены нейтральная молекула He 2 , имеющая большое количество зонных систем , и HgHe, которая, по-видимому, удерживается вместе только силами поляризации. [29]
Соединения гелия Ван-дер-Ваальса также могут образовываться с криогенным газообразным гелием и атомами некоторых других веществ, например LiHe и He 2 . [119]
Теоретически возможны и другие настоящие соединения, такие как фторгидрид гелия (HHeF), который был бы аналогом HArF , открытого в 2000 году. [120] Расчеты показывают, что два новых соединения, содержащие связь гелий-кислород, могут быть стабильными. [121] Две новые молекулярные разновидности, предсказанные с помощью теории, CsFHeO и N(CH 3 ) 4 FHeO, являются производными метастабильного аниона FHeO - , впервые теоретизированного в 2005 году группой из Тайваня. Если это будет подтверждено экспериментом, единственным оставшимся элементом без известных стабильных соединений будет неон . [122]
Атомы гелия были внедрены в молекулы полого углеродного каркаса ( фуллерены ) путем нагревания под высоким давлением. Образующиеся эндоэдральные молекулы фуллеренов стабильны при высоких температурах. При образовании химических производных этих фуллеренов гелий остается внутри. [123] Если используется гелий-3 , его можно легко наблюдать с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса гелия . [124] Сообщалось о многих фуллеренах, содержащих гелий-3. Хотя атомы гелия не связаны ковалентными или ионными связями, эти вещества, как и все стехиометрические химические соединения, обладают четкими свойствами и определенным составом.
Под высоким давлением гелий может образовывать соединения с различными другими элементами. Кристаллы гелий-азотного клатрата (He(N 2 ) 11 ) были выращены при комнатной температуре и давлениях ок. 10 ГПа в ячейке с алмазной наковальней . [125] Показано, что изолирующий электрид Na 2 He термодинамически стабилен при давлениях выше 113 ГПа. Имеет структуру флюорита . [126]
Хотя гелий на Земле встречается редко, он является вторым по распространенности элементом в известной Вселенной, составляя 23% ее барионной массы. Только водорода больше. [27] Подавляющее большинство гелия образовалось в результате нуклеосинтеза Большого взрыва через одну-три минуты после Большого взрыва. Таким образом, измерения его численности способствуют созданию космологических моделей. В звездах он образуется в результате ядерного синтеза водорода в протон-протонных цепных реакциях и CNO-цикле , являющемся частью звездного нуклеосинтеза . [108]
В атмосфере Земли объемная концентрация гелия составляет всего 5,2 части на миллион. [127] [128] Концентрация низкая и довольно постоянная, несмотря на непрерывное производство нового гелия, поскольку большая часть гелия в атмосфере Земли уходит в космос в результате нескольких процессов. [129] [130] [131] В гетеросфере Земли , части верхних слоев атмосферы, гелий и другие более легкие газы являются наиболее распространенными элементами.
Большая часть гелия на Земле является результатом радиоактивного распада . Гелий в больших количествах содержится в минералах урана и тория , включая уранинит и его разновидности клевеит и настуран , [19] [132] карнотит и монацит (название группы; «монацит» обычно относится к монациту-(Ce) ), [ 133] [134] , потому что они испускают альфа-частицы (ядра гелия, He 2+ ), к которым немедленно присоединяются электроны, как только частицу останавливает камень. Таким образом, в литосфере ежегодно образуется около 3000 тонн гелия . [135] [136] [137] В земной коре концентрация гелия составляет 8 частей на миллиард. В морской воде концентрация составляет всего 4 части на триллион. Также в небольших количествах содержатся минеральные источники , вулканический газ и метеоритное железо . Поскольку гелий задерживается в недрах в условиях, в которых также задерживается природный газ, наибольшие природные концентрации гелия на планете обнаруживаются в природном газе, из которого добывается большая часть коммерческого гелия. Концентрация варьируется в широком диапазоне от нескольких частей на миллион до более чем 7% на небольшом газовом месторождении в округе Сан-Хуан, штат Нью-Мексико . [138] [139]
По состоянию на 2021 год [обновлять]мировые запасы гелия оцениваются в 31 миллиард кубических метров, треть из которых находится в Катаре . [140] В 2015 и 2016 годах было объявлено, что дополнительные вероятные запасы находятся под Скалистыми горами в Северной Америке [141] и в Восточно-Африканском рифте . [142]
Для крупномасштабного использования гелий извлекают путем фракционной перегонки из природного газа, который может содержать до 7% гелия. [143] Поскольку гелий имеет более низкую температуру кипения , чем любой другой элемент, низкая температура и высокое давление используются для сжижения почти всех других газов (в основном азота и метана ). Полученный сырой газообразный гелий очищается последовательным воздействием пониженных температур, при котором почти весь оставшийся азот и другие газы осаждаются из газовой смеси. Активированный уголь используется на последнем этапе очистки, в результате чего обычно получается гелий класса А с чистотой 99,995%. [29] Основной примесью в гелии класса А является неон . На заключительном этапе производства большая часть производимого гелия сжижается с помощью криогенного процесса. Это необходимо для применений, требующих жидкого гелия, а также позволяет поставщикам гелия снизить затраты на транспортировку на большие расстояния, поскольку самые большие контейнеры с жидким гелием более чем в пять раз превышают вместимость самых больших прицепов с газообразным гелием. [80] [144]
В 2008 году около 169 миллионов стандартных кубических метров (СКМ) гелия было извлечено из природного газа или изъято из запасов гелия, причем примерно 78% - из США, 10% - из Алжира, а большая часть оставшейся части - из России, Польши и Катара. [145] К 2013 году увеличение производства гелия в Катаре (под управлением компании Qatargas , управляемой Air Liquide ) увеличило долю Катара в мировом производстве гелия до 25% и сделало его вторым по величине экспортером после США. [146] В 2016 году в Танзании было обнаружено месторождение гелия объемом примерно 54 миллиарда кубических футов (1,5 × 10 9 м 3 ) . [147] В 2020 году в Нинся , Китай , был открыт крупномасштабный гелиевый завод. [148]
В США большая часть гелия добывается из природного газа месторождения Хьюготон и близлежащих газовых месторождений в Канзасе, Оклахоме и месторождения Панхандл в Техасе. [80] [149] Большая часть этого газа когда-то направлялась по трубопроводу в Национальный гелиевый запас , но с 2005 года этот запас истощается и распродается, и, как ожидается, он будет в значительной степени истощен к 2021 году, [146] в соответствии с октябрьским соглашением 2013 года. Закон об ответственном управлении и управлении гелием (HR 527). [150] Гелиевые поля на западе США становятся альтернативным источником поставок гелия, особенно в регионе « Четыре угла » (штаты Аризона, Колорадо, Нью-Мексико и Юта). [151]
Еще одним методом извлечения и очистки гелия является диффузия сырого природного газа через специальные полупроницаемые мембраны и другие барьеры. [152] В 1996 году в США были доказаны запасы гелия в таких комплексах газовых скважин примерно в 147 миллиардов стандартных кубических футов (4,2 миллиарда кубических футов). [153] При темпах использования в то время (72 миллиона SCM в год в США; см. круговую диаграмму ниже) этого гелия было бы достаточно примерно на 58 лет использования в США, и меньше этого (возможно, в 80% случаев ) с мировыми темпами использования, хотя факторы сбережения и переработки влияют на эффективные объемы запасов.
Гелий обычно добывают из природного газа, поскольку в воздухе он присутствует лишь в незначительной степени по сравнению с неоном, однако потребность в нем гораздо выше. Подсчитано, что если бы все производство неона было переоборудовано для экономии гелия, было бы удовлетворено 0,1% мировой потребности в гелии. Аналогичным образом, только 1% мировой потребности в гелии можно удовлетворить за счет переоснащения всех установок по перегонке воздуха. [154] Гелий можно синтезировать бомбардировкой лития или бора высокоскоростными протонами или бомбардировкой лития дейтронами , но эти процессы представляют собой совершенно неэкономичный метод производства. [155]
Гелий коммерчески доступен как в жидкой, так и в газообразной форме. В жидком виде он может поставляться в небольших изолированных контейнерах, называемых дьюарами , которые вмещают до 1000 литров гелия, или в больших контейнерах ISO номинальной емкостью до 42 м 3 (около 11 000 галлонов США ). В газообразной форме небольшие количества гелия поставляются в баллонах высокого давления емкостью до 8 м 3 (около 282 стандартных кубических футов), тогда как большие количества газа высокого давления поставляются в трубчатых прицепах емкостью до как 4860 м 3 (около 172 000 стандартных кубических футов).
По словам защитников гелия, таких как лауреат Нобелевской премии по физике Роберт Коулман Ричардсон , написавших в 2010 году, свободная рыночная цена гелия способствовала «расточительному» использованию (например, для гелиевых шаров ). Цены в 2000-х годах были снижены решением Конгресса США распродать большие запасы гелия в стране к 2015 году. [156] По мнению Ричардсона, цену необходимо было умножить на 20, чтобы исключить чрезмерную трату гелия. В статье «Стоп растрачивать гелий» , опубликованной в 2012 году, также предлагалось создать Международное агентство по гелию, которое бы построило устойчивый рынок для «этого драгоценного товара». [157]
Предполагаемое дробное использование гелия в США в 2014 г. по категориям. Общий объем использования составляет 34 миллиона кубических метров. [158]
Хотя воздушные шары, пожалуй, являются самым известным способом использования гелия, они составляют незначительную часть всего использования гелия. [75] Гелий используется для многих целей, которые требуют некоторых его уникальных свойств, таких как низкая температура кипения , низкая плотность , низкая растворимость , высокая теплопроводность или инертность . Из общего мирового производства гелия в 2014 году, составившего около 32 миллионов кг (180 миллионов стандартных кубических метров) гелия в год, наибольшее его использование (около 32% от общего объема в 2014 году) приходится на криогенные применения, большая часть которых связана с охлаждением сверхпроводящих магнитов в медицинские МРТ- сканеры и ЯМР- спектрометры. [159] Другими основными сферами применения были системы создания давления и продувки, сварка, поддержание контролируемой атмосферы и обнаружение утечек. Другие виды использования по категориям были относительно незначительными. [158]
Гелий используется в качестве защитного газа при выращивании кристаллов кремния и германия , при производстве титана и циркония , а также в газовой хроматографии [103] , поскольку он инертен. Благодаря своей инертности, термической и калорической совершенству , высокой скорости звука и высокому значению коэффициента теплоемкости он также полезен в сверхзвуковых аэродинамических трубах [160] и импульсных установках . [161]
Гелий используется в качестве защитного газа в процессах дуговой сварки материалов, которые при температурах сварки загрязняются и ослабляются воздухом или азотом. [27] При газовой вольфрамовой дуговой сварке используется ряд инертных защитных газов, но вместо более дешевого аргона используется гелий , особенно для сварочных материалов с более высокой теплопроводностью , таких как алюминий или медь .
Одним из промышленных применений гелия является обнаружение утечек . Поскольку гелий диффундирует через твердые тела в три раза быстрее, чем воздух, его используют в качестве индикаторного газа для обнаружения утечек в оборудовании с высоким вакуумом (например, криогенных резервуарах) и контейнерах высокого давления. [162] Испытываемый объект помещается в камеру, которая затем вакуумируется и заполняется гелием. Гелий, который выходит через утечки, обнаруживается чувствительным устройством ( гелиевый масс-спектрометр ) даже при скорости утечки всего 10 -9 мбар·л/с (10 -10 Па·м 3 /с). Процедура измерения обычно автоматическая и называется интегральным тестом с гелием. Более простая процедура — заполнить испытуемый объект гелием и вручную выполнить поиск утечек с помощью ручного прибора. [163]
Утечку гелия через трещины не следует путать с проникновением газа через сыпучий материал. Хотя гелий имеет документально подтвержденные константы проникновения (таким образом, рассчитываемую скорость проникновения) через стекла, керамику и синтетические материалы, инертные газы, такие как гелий, не проникают в большинство объемных металлов. [164]
Поскольку он легче воздуха , дирижабли и воздушные шары наполняются гелием для подъемной силы . В то время как газообразный водород обладает большей плавучестью и выходит через мембрану с меньшей скоростью, гелий имеет то преимущество, что он негорючий и даже огнестойкий . Еще одно незначительное применение - в ракетной технике , где гелий используется в качестве незаполненной среды для заправки баков ракетного топлива в полете и для конденсации водорода и кислорода для производства ракетного топлива . Он также используется для очистки топлива и окислителя из наземного вспомогательного оборудования перед запуском и для предварительного охлаждения жидкого водорода в космических аппаратах . Например, ракете «Сатурн-5» , использовавшейся в программе «Аполлон», для запуска потребовалось около 370 000 м 3 (13 миллионов кубических футов) гелия. [103]
Гелий как дыхательный газ не обладает наркотическими свойствами , поэтому смеси гелия, такие как тримикс , гелиокс и гелиаир, используются при глубоких погружениях для уменьшения последствий наркоза, которые ухудшаются с увеличением глубины. [165] [166] Поскольку давление увеличивается с глубиной, плотность дыхательного газа также увеличивается, и обнаружено, что низкий молекулярный вес гелия значительно снижает усилие дыхания за счет снижения плотности смеси. Это уменьшает число Рейнольдса потока, что приводит к уменьшению турбулентного потока и увеличению ламинарного потока , что требует меньше работы дыхания. [167] [168] На глубинах ниже 150 метров (490 футов) у водолазов, дышащих гелий-кислородными смесями, начинают наблюдаться тремор и снижение психомоторных функций, симптомы нервного синдрома высокого давления . [169] Этому эффекту можно в некоторой степени противостоять, добавляя в гелий-кислородную смесь определенное количество наркотического газа, такого как водород или азот. [170]
Гелий-неоновые лазеры , тип маломощного газового лазера, излучающего красный луч, имели различные практические применения, включая считыватели штрих-кодов и лазерные указки , прежде чем они были почти повсеместно заменены более дешевыми диодными лазерами . [27]
Благодаря своей инертности и высокой теплопроводности , нейтронной прозрачности, а также тому, что он не образует радиоактивных изотопов в реакторных условиях, гелий используется в качестве теплоносителя в некоторых ядерных реакторах с газовым охлаждением . [162]
Гелий, смешанный с более тяжелым газом, таким как ксенон, полезен для термоакустического охлаждения из-за высокого коэффициента теплоемкости и низкого числа Прандтля . [171] Инертность гелия имеет экологические преимущества перед обычными холодильными системами, которые способствуют истощению озонового слоя или глобальному потеплению. [172]
Гелий также используется в некоторых жестких дисках . [173]
Использование гелия уменьшает искажающее воздействие колебаний температуры в пространстве между линзами в некоторых телескопах благодаря чрезвычайно низкому показателю преломления . [29] Этот метод особенно используется в солнечных телескопах, где вакуумонепроницаемая труба телескопа была бы слишком тяжелой. [174] [175]
Гелий – широко используемый газ-носитель в газовой хроматографии .
Возраст горных пород и минералов, содержащих уран и торий , можно оценить, измеряя уровень гелия с помощью процесса, известного как гелиевое датирование . [27] [29]
Гелий при низких температурах используется в криогенике и в некоторых криогенных приложениях. В качестве примера применения можно привести жидкий гелий для охлаждения некоторых металлов до чрезвычайно низких температур, необходимых для сверхпроводимости , например, в сверхпроводящих магнитах для магнитно-резонансной томографии . Большой адронный коллайдер в ЦЕРН использует 96 метрических тонн жидкого гелия для поддержания температуры на уровне 1,9 К (-271,25 ° C; -456,25 ° F). [176]
Гелий был одобрен для медицинского использования в США в апреле 2020 года для людей и животных. [177] [178]
Несмотря на химическую инертность, загрязнение гелием ухудшает работу микроэлектромеханических систем (МЭМС), в результате чего iPhone может выйти из строя. [179]
Нейтральный гелий в стандартных условиях нетоксичен, не играет биологической роли и в следовых количествах содержится в крови человека.
Скорость звука в гелии почти в три раза превышает скорость звука в воздухе. Поскольку собственная резонансная частота газонаполненной полости пропорциональна скорости звука в газе, при вдыхании гелия происходит соответствующее увеличение резонансных частот речевого тракта , который является усилителем речевого звука. [27] [180] Такое увеличение резонансной частоты усилителя (голосового тракта) дает повышенное усиление высокочастотной составляющей звуковой волны, создаваемой прямой вибрацией голосовых связок, по сравнению со случаем, когда голосовой ящик наполнен воздухом. Когда человек говорит после вдыхания газообразного гелия, мышцы, управляющие голосовым аппаратом, по-прежнему движутся так же, как если бы голосовой аппарат был наполнен воздухом, поэтому основная частота (иногда называемая высотой тона ), создаваемая прямой вибрацией голосовых связок, не не изменить. [181] Однако усиление, предпочитаемое на высоких частотах, вызывает изменение тембра усиливаемого звука, что приводит к пронзительному, утиному качеству голоса. Противоположный эффект, понижение резонансных частот, можно получить, вдыхая плотный газ, например гексафторид серы или ксенон .
Вдыхание гелия в чрезмерном количестве может быть опасным, поскольку гелий является простым удушающим веществом и поэтому вытесняет кислород, необходимый для нормального дыхания. [27] [182] Зарегистрированы смертельные случаи, в том числе молодой человек, задохнувшийся в Ванкувере в 2003 году, и двое взрослых, задохнувшиеся в Южной Флориде в 2006 году. [183] [184] В 1998 году австралийская девочка из Виктории потеряла сознание и временно обратилась в сознание. синий после вдыхания всего содержимого воздушного шара. [185] [186] [187] Вдыхание гелия непосредственно из баллонов под давлением или даже клапанов наполнения баллонов чрезвычайно опасно, поскольку высокая скорость потока и давление могут привести к баротравме , приводящей к смертельному разрыву легочной ткани. [182] [188]
Смерть, вызванная гелием, встречается редко. Первым случаем, зарегистрированным в СМИ, стал случай с 15-летней девочкой из Техаса, которая умерла в 1998 году от отравления гелием на вечеринке у друга; точный тип смерти гелия неизвестен. [185] [186] [187]
В Соединенных Штатах в период с 2000 по 2004 год было зарегистрировано только два смертельных случая, в том числе мужчина, который умер в Северной Каролине от баротравмы в 2002 году . В 2000 году в Австралии случилась эмболия после дыхания из баллона. [183] С тех пор в Южной Флориде в 2006 году двое взрослых задохнулись, [183] [184] [189] и были случаи в 2009 и 2010 годах, один из молодых калифорнийцев, который был найден с мешком на голове, прикрепленным к баллону с гелием, [190] и еще один подросток в Северной Ирландии умер от удушья. [191] В Игл-Пойнт, штат Орегон, в 2012 году от баротравмы на вечеринке умерла девочка-подросток. [192] [193] [194] Позже в том же году от гипоксии умерла девочка из Мичигана. [195]
4 февраля 2015 года выяснилось, что во время записи основного телешоу 28 января 12-летняя участница (имя не разглашается) японской женской певческой группы 3B Junior пострадала от воздушной эмболии и потеряла сознание. и впал в кому из-за того, что пузырьки воздуха блокировали приток крови к мозгу после вдыхания огромного количества гелия в рамках игры. Об инциденте стало известно только неделю спустя. [196] [197] Сотрудники TV Asahi провели экстренную пресс-конференцию, чтобы сообщить, что участницу доставили в больницу и у нее наблюдаются признаки реабилитации, такие как движение глаз и конечностей, но ее сознание еще не восстановилось в достаточной степени. Полиция начала расследование из-за пренебрежения мерами безопасности. [198] [199]
Проблемы безопасности криогенного гелия аналогичны проблемам безопасности жидкого азота ; его чрезвычайно низкие температуры могут привести к холодным ожогам , а степень расширения жидкости и газа может вызвать взрывы, если не установлены устройства сброса давления. С контейнерами с газообразным гелием при температуре от 5 до 10 К следует обращаться так, как если бы они содержали жидкий гелий, из-за быстрого и значительного теплового расширения , которое происходит, когда газообразный гелий при температуре менее 10 К нагревается до комнатной температуры . [103]
При высоких давлениях (более примерно 20 атм или двух МПа ) смесь гелия и кислорода ( гелиокс ) может привести к нервному синдрому высокого давления , своего рода обратному анестезирующему эффекту; добавление небольшого количества азота в смесь может облегчить проблему. [200] [169]
Франкланд и Локьер обнаружили, что желтые протуберанцы образуют очень четкую яркую линию недалеко от D, но до сих пор не отождествляемую ни с каким земным пламенем.
Кажется, это указывает на новое вещество, которое они предлагают назвать Гелием.
Raccolsi alcun tempo fa una sostanza amorfa di Constenza 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 and del potassio ed una lineare ben distinta che corrisponde esattamente alla D
3
che è quella dell'Helium.
Для того, чтобы сделать простое объявление о жире, предложите повторить этот аргумент, сделайте сублимацию и химическое исследование.
(Некоторое время назад я собрал аморфное вещество маслянистой консистенции и блекло-желтого цвета, сублимировавшее на краю фумаролы вблизи устья извержения. Проанализировав это сублимированное вещество с помощью спектроскопа, я распознал линии натрия и калия и очень отчетливую линейную линию, которая точно соответствует D
3
, то есть линии гелия. Пока же я просто констатирую факт, предлагая вернуться к этому вопросу после того, как подвергнут сублимат химическому анализу. .)
У истоков метода обнаружения утечек гелия лежал Манхэттенский проект и беспрецедентные требования к герметичности, предъявляемые заводами по обогащению урана.
Требуемая чувствительность, необходимая для проверки утечек, привела к выбору масс-спектрометра, разработанного доктором А.О.Ц. Ниером, настроенного на массу гелия.
{{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}: CS1 maint: unfit URL (link)Общий
Более детально
Разнообразный
Дефицит гелия
