Гелий

Шаблон:Не путать Шаблон:Перенаправление Шаблон:Дзт Шаблон:Карточка химического элемента Шаблон:Элемент периодической системы Ге́лий (химический символ — He, лат. helium) — химический элемент 18-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы восьмой группы, VIIIA)<ref name="Большая российская энциклопедия">Шаблон:БРЭ</ref> первого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 2 и атомной массой 4,002602(2) а. е. м.<ref name="iupac atomic weights"/>.

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

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<ref>Шаблон:Статья</ref><ref name="finkelstein1">Шаблон:Книга</ref>.

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»)<ref name="finkelstein1"/>.

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<ref name="finkelstein1"/>.

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<ref name="finkelstein1"/>.

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<ref name="finkelstein1"/>.

Шведские химики П. Клеве и Н. Ленгле смогли выделить из клевеита достаточно газа, чтобы установить атомный вес нового элемента<ref>Шаблон:Статья</ref><ref>Шаблон:Книга</ref>.

В 1896 году Генрих Кайзер, Зигберт Фридлендер, а в 1898 году Эдвард Бэли окончательно доказали присутствие гелия в атмосфере<ref name="finkelstein1"/><ref>Шаблон:Книга</ref><ref name="fast1">Шаблон:Книга</ref>.

Ещё до Рамзая гелий выделил также американский химик Фрэнсис Хиллебранд (англ. Шаблон:Lang-en2), однако он ошибочно полагал, что получил азот<ref name="fast1"/><ref>Шаблон:Статья</ref>, 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<ref>Шаблон:Книга</ref>. Эти исследования положили начало современной теории строения атома<ref>Шаблон:Книга</ref>.

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 в вакууме 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<ref name="finkelstein2">Шаблон:Книга</ref>.

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]]»<ref name="finkelstein2"/>. 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<ref name="finkelstein2"/>.

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<ref name="finkelstein2"/><ref>Шаблон:Статья</ref>. Вот что он писал в одном из своих докладов про открытие этого явления<ref>Шаблон:Статья</ref>:

Происхождение названия

Название произошло от греч. ἥλιος — «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»)<ref name="finkelstein1"/>. В современной науке название «гелион» закрепилось за ядром лёгкого изотопа гелия — гелия-3<ref>Шаблон:Статья</ref>.

Распространённость

Во Вселенной

Гелий занимает второе место по распространённости во Вселенной после водорода — около 23 % по массе<ref name="webelements_geo">Шаблон:Cite web</ref>. Однако на Земле этот элемент редок. Практически весь гелий Вселенной образовался в первые несколько минут после Большого взрыва<ref name="hawking">Шаблон:Книга</ref><ref name="vain">Шаблон:Книга</ref>, 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)<ref name="finkelstein3">Шаблон:Книга</ref>. 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)<ref name="abundance">Шаблон:Cite web</ref>.

Содержание гелия в атмосфере (образуется в результате распада тория, урана и их дочерних радионуклидов) — 5,27Шаблон:E % по объёму, 7,24Шаблон:E % по массе<ref name="ХЭ"/><ref name="fast1"/><ref name="finkelstein3"/>. Запасы гелия в атмосфере, литосфере и гидросфере оцениваются в Шаблон:Val<ref name="ХЭ"/>. Гелионосные природные газы содержат, как правило, до 2 % гелия по объёму. Исключительно редко встречаются скопления газов, гелиеносность которых достигает 8—16 %<ref name="finkelstein3"/>.

Среднее содержание гелия в земном веществе — Шаблон:Num, или Шаблон:Num<ref name="finkelstein3"/>. Наибольшая концентрация гелия наблюдается в минералах, содержащих уран, торий и самарий<ref>Самарий, как и уран и торий, является природным альфа-радиоактивным элементом.</ref>: клевеите, фергюсоните, самарските, гадолините, монаците (монацитовые пески в Индии и Бразилии), торианите. Содержание гелия в этих минералах составляет Шаблон:Nobr, а в торианите оно достигает Шаблон:Num<ref name="fast1"/><ref name="finkelstein3"/>. 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<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Значительные запасы гелия содержатся в восточносибирских газовых месторождениях в России. Запасы гелия в Ковыктинском месторождении оцениваются в 2,3 млрд кубометров<ref>Шаблон:Cite web</ref>, в Чаяндинском месторождении — в 1,4 млрд кубометров<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Мировой рынок гелия

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

Мировой рынок гелия — 170—190 млн м³/год<ref>Шаблон:Cite web</ref>. Основная доля мирового производства гелия приходится на США и Катар; с 2015 года доля Соединённых 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.<ref>Взлететь к солнцу: новое российское предприятие окажет влияние на мировой рынок гелия // Рамблер, 18 января 2020 </ref> До последнего времени практически весь гелий производился на гелиевом заводе ООО «Газпром добыча Оренбург»<ref>Шаблон:Cite web</ref> 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<ref>Шаблон:Cite web</ref>. 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 экспортёров гелия<ref>The New York Times: Шаблон:Cite web // ИноСМИ.ру, 9.12.2020</ref>.

С 2018 года Иркутская нефтяная компания ведет строительство двух гелиевых заводов в Иркутской области.<ref>Шаблон:Cite web</ref> 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<ref>Шаблон:Cite web. Теория и практика. 2009 (4) ISSN 2070-5379.</ref>.

Производство гелия

Гелий добывается из природного газа процессом низкотемпературного разделения — фракционной дистилляцией либо путём мембранного газоразделения<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

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 Шаблон:Nobr.

Окончательная очистка достигается охлаждением оставшейся смеси кипящим в вакууме 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.)<ref name="ХЭ"/>.

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:Nobr 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.

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.

Стандартная атомная масса гелия принята равной 4,002602(2) а. е. м., однако в различных природных источниках в связи с различным изотопным содержанием гелия-3 атомная масса может варьировать в пределах 4,0026 ± 0,0002 а. е. м.<ref name="iupac atomic weights"/>

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:Nobr<ref name=mc73>Шаблон:Cite doi</ref><ref>Шаблон:Cite web</ref>; для сравнения — для Н₂ она равна Шаблон:Num. Удельная теплоёмкость при постоянном объёме Шаблон:Nobr (ст.у.)<ref name=mc73/>. Скорость звука в гелии равна Шаблон:Nobr (ст.у.)<ref name=mc73/>. 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<ref name="enc">Шаблон:Cite book</ref>.

Коэффициент преломления гелия ближе к единице, чем у любого другого газа при равных условиях. Например, для излучения с длиной волны Шаблон:Nobr (спектральная линия натрия D) показатель преломления (ст.у.) у гелия равен Шаблон:Nobr, у водорода Шаблон:Nobr, у азота Шаблон:Nobr<ref>Шаблон:СвойстваЭлементов1</ref>.

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 Шаблон:Nobr в тлеющем разряде при давлении Шаблон:Nobr Наиболее интенсивная жёлтая линия с длиной волны Шаблон:Nobr 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<ref name="finkelstein2"/>. 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 (Шаблон:Nobr), 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 Шаблон:Nobr. Этот второй газ они предложили назвать астерием (Asterium) от греч. «звёздный». Однако Рамзай и Траверс показали, что спектр гелия зависит от условий: при давлении газа Шаблон:Nobr наиболее ярка жёлтая линия; при уменьшении давления увеличивается интенсивность зелёной линии. Спектры атома гелия были объяснены Гейзенбергом в 1926 году<ref>W. Heisenberg, Z. Physik 39, 499 (1926).</ref> (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<ref>Шаблон:Книга</ref>. 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 Шаблон:Nobr составляет Шаблон:Val, или Шаблон:Num<ref name="Drake">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).</ref>. Первые теоретические оценки<ref>G. Breit and E. Teller, Astrophys. J. 91, 215 (1940).</ref> показывали<ref>R.D.Knight. Lifetime of the Metastable 2³S₁ State in Stored Li⁺ Ions. — Ph.D.Thesis. Lawrence Berkeley Laboratory. — 1979. — 136 с.</ref>, 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<ref>A.H. Gabriel and C. Jordan. Шаблон:Cite web. Nature 221, 947 (1969).</ref>, было обнаружено<ref>H.R. Griem, Spontaneous single-photon decay of 2{{math&124;³S₁}} in Helium-like ions. Astrophys. J. 156, L103 (1969).</ref>, что однофотонный магнитно-дипольный распад 2Шаблон:Math-состояния значительно более вероятен; время жизни при распаде по этому каналу составляет «всего» Шаблон:Val<ref>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).</ref>.

Время жизни первого возбуждённого состояния атома парагелия 2Шаблон:Math также крайне велико по атомным масштабам. Правила отбора для этого состояния запрещают однофотонный переход Шаблон:Nobr<ref>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.</ref>, а для двухфотонного распада время жизни составляет Шаблон:Num<ref name="Drake"/>.

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.

Изотопы

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.

Любопытно, что в жидком виде изотопы гелия-4 и гелия-3 имеют ограниченную растворимость друг в друге ниже 0,88 К.

Химические свойства

Гелий — наименее химически активный элемент 18-й группы (инертные газы) и вообще всей таблицы Менделеева<ref>Шаблон:Книга</ref>. Для создания немногочисленных химических соединений гелия необходимы особые условия. Все химические соединения гелия (как и аргона, неона) существуют только в виде так называемых эксимерных молекул (крайне короткоживущих/нестабильных) и ионов. 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<ref>Шаблон:Cite web</ref><ref>Шаблон:Cite web</ref>.

В 2013 году вышла работа международного коллектива учёных под руководством А. Р. 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 механическая стабильность этого соединения до 500 ГПа<ref>Шаблон:Статья</ref>), а также на алмазных наковальнях на практике доказано существование данного соединения, которое представляет собой электрид (без образования химической связи с атомом гелия), 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<ref>Шаблон:Статья</ref>. Известны и подобные соединения гелия, все они стабильны только при сверхвысоких давлениях — Li₅He₂<ref>Шаблон:Статья</ref>, соединения гелия с азотом<ref>Шаблон:Статья</ref>.

Существуют также теоретические работы, предсказывающие существование соединений гелия с железом (например FeHe₂) в недрах планет-гигантов и белых карликов<ref>Шаблон:Статья</ref>, а учёт устойчивости соединений гелия с кремнием (HeSiO₂) при давлениях 600—4000 ГПа поможет создавать более сложные внутренние модели планет-гигантов<ref>Шаблон:Статья</ref>.

Энергия связи молекулярного иона гелия HeШаблон:Subsup составляет Шаблон:Num, равновесное межъядерное расстояние — Шаблон:Num<ref>Шаблон:Книга </ref>.

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:

• в качестве защитного инертного газа в металлургии для выплавки чистых металлов (в частности, титана и циркония), при выращивании монокристаллов кремния и германия, для дуговой сварки<ref name=crc90>Шаблон:CRC90</ref>;
• в пищевой промышленности (зарегистрирован в качестве пищевой добавки E939) как пропеллент и упаковочный газ;
• в качестве хладагента для получения сверхнизких температур (в частности, для перевода металлов в сверхпроводящее состояние). Растворение гелия-3 в гелии-4 используется для получения сверхнизких температур;
• в дыхательных смесях для глубоководного погружения (см. Баллон для дайвинга);
• для наполнения воздушных шариков и оболочек метеорологических зондов;
• для заполнения газоразрядных трубок;
• в качестве теплоносителя в некоторых типах ядерных реакторов;
• в качестве носителя в газовой хроматографии;
• для поиска утечек в трубопроводах и котлах (см. Гелиевый течеискатель);
• как компонент рабочего тела в гелий-неоновых лазерах;
• в качестве наполнителя в некоторых современных моделях накопителей на жёстких магнитных дисках;
• для наполнения колб филаментных светодиодных ламп, что позволяет эффективно отводить тепло от светодиодных нитей.
• Кроме того, нуклид Шаблон:SimpleNuclide2 используется как рабочее вещество газовых нейтронных детекторов, в том числе позиционно-чувствительных, в технике нейтронного рассеяния в качестве поляризатора.

• Стальной баллон с гелием

  Баллон с гелием

  Гелий-3 является также перспективным топливом для термоядерной энергетики.

В геологии

Гелий — удобный индикатор для геологов. При помощи гелиевой съёмки<ref name="ngnews">Шаблон:Cite web</ref> 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<ref>Государственный реестр открытий СССР. Яницкий И. Н. Научное открытие № 68 «Закономерность распределения концентрации гелия в земной коре»</ref>.

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<ref>Шаблон:Статья</ref>.

Повышенные концентрации гелия в почвенном газе могут указывать на наличие залежей урана<ref>Шаблон:Cite web.</ref><ref>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.</ref>. Против этого ещё в 1911 году выступала М. Склодовская-Кюри.

Военное применение

• Первая мировая война — для наполнения воздухоплавающих судов (дирижабли и аэростаты) — при незначительной по сравнению с водородом потере в подъёмной силе гелий в силу негорючести абсолютно безопасен.
• С 1950-х годов — для создания рабочего давления в баках жидкостных ракетных двигателей<ref name=crc90/>.

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)<ref>Шаблон:Cite web</ref>.
• 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)<ref>Шаблон:Публикация</ref>. 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<ref>Шаблон:Cite web</ref>. 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<ref name="Grass">Шаблон:Статья</ref><ref name="sptimes.com">Шаблон:Cite news</ref><ref name="cbc.ca">Шаблон:Cite news</ref>.

В астрономии

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

См. также

• Изотопы гелия: гелий-2 (дипротон), гелий-3, гелий-4.
• Агрегатные состояния: жидкий гелий, твёрдый гелий.
• Гелиеметрия — наука, изучающая прохождение гелия через различные среды.
• Гелиевая съёмка — один из методов геохимических геологоразведочных работ.
• Эффект Померанчука — аномальный характер плавления (или затвердевания) лёгкого изотопа гелия Шаблон:SimpleNuclide2.

Литература

• Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга
• Шаблон:Статья

Ссылки

• Шаблон:Cite web.
• Шаблон:Cite web.
• Шаблон:Cite web.
• Шаблон:Cite web.

	1	2															3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
1
2
3
4
5
6
7