Сегодня речь пойдет о втором по распространенности химическом элементе в нашей Вселенной. И если вся видимая масса этой вселенной на 76% состоит из водорода, то оставшиеся 23% приходятся на гелий. И один процент составляет вся остальная таблица Менделеева.
Гелий - бесцветный газ, не имеет ни запаха, ни вкуса, практически нерастворим в воде и иных жидкостях. И точно так же в жидком гелии заметно не растворяется ни одно вещество. Он настолько инертен в химическом отношении, что до сих пор не получено ни одного стабильного соединения, в которых гелий образовывал бы химические связи. Все его химические и физические свойства обуславливаются насыщенными внутриядерными и электронной оболочкой.
В природе существует два стабильных изотопа гелия - гелий-4 и гелий-3. Соответственно, гелий-4 содержит в себе 2 протона, 2 нейтрона и 2 электрона, тогда как гелий-3 - 2 протона, 1 нейтрон и 2 электрона. Существует и гелий-5 и гелий-6,7,8,9 10, однако они нестабильны и в нормальных условиях не живут более суток.
Большая часть гелия образовалась при рождении вещества во Вселенной, в так называемом первичном нуклеосинтезе, то есть от столкновения тех протонов, нейтронов и электронов, что родились в Большом взрыве. При этом в основном формировался гелий-4, с незначительной добавкой гелия-3.
Однако на Земле гелия мало - все дело в том, что этот легкий газ из-за своей инертности ни с чем не взаимодействует и со времен образования планеты уже улетел прочь. Земной гелий же это продукт радиационного распада урана и тория. Так, на гелий-4 приходится 3х10^-7 от массы коры и 7х10^-5 от массы атмосферы. Это приблизительно 99,999863 % гелия на Земле. Все остальное гелий-3 - в атмосфере содержится лишь 35 тысяч тонн этого изотопа.
Гелий - это единственный элемент, который сначала обнаружили в космосе, и только потом - на Земле. Независимо друг от друга, практически одновременно, с разницей в пару месяцев, в спектре солнечной короны Ж. Жансен и Дж. Н. Локьер обнаружили ярко-желтую полосу, принадлежавшую гелию. С разницей в несколько минут их письма были зачитаны на заседании Парижской Академии Наук. Академики, пораженные таким совпадением, приняли постановление выбить в честь этого события золотую медаль - с одной стороны портреты ученых, с другой - изображение бога света Аполлона.
После открытия гелия ни один химический элемент не принес исследователям столько нобелевских премий. Первым был Хейке Камерлинг-Оннес, который первый стал проводить опыты по сжижению гелия: в 1913 году он получил нобелевку за "исследования свойств вещества при низких температурах, которые привели к производству жидкого гелия". В то же время им был замечен странный эффект: холодный жидкий гелий сам собой вытекал из колбы, поднимаясь по ее стенкам.
Через четверть века этот секрет был разгадан П.Л. Капицей: при охлаждении гелия до 2,17 К он переходит в другое фазовое состояние - гелий II - которое характеризуется эффектом сверхтекучести, т.е. вязкость такого гелия стремится к 0. Открытие сверхтекучести принесло Капице Нобелевскую премию спустя сорок лет, в 1978 году за «фундаментальные эксперименты в области сверхтекучего гелия».
В 1962 году Л.Д.Ландау за созданную совместно с И.М. Халатниковым теорию, которая описала эффект сверхтекучести, получил нобелевку за «пионерские работы в области теории конденсированных сред, в особенности жидкого гелия».
Казалось бы, нобелевский потенциал гелия на этом исчерпан, но нет. Довольно быстро установили еще один необычный эффект сверхтекучего гелия - при быстром вращении сосуда, жидкость в нем тоже начинала вращаться. Однако это считалось невозможным, т.к. сверхтекучий гелий обладает нулевой вязкостью и просто не может "цепляться" за стенки сосуда. В качестве теории, объясняющей поведения гелия, Ларс Онзагер и Ричард Фейнман предположили, что в жидком гелии при вращении возникает система квантовых вихрей и в круговое движение приходит не сверхтекучая жидкость сама по себе, а вмороженные в нее вихри, оси которых состоят из нормальной жидкости.
А.А. Абрикосов, использовавший такие квантовые вихри для объяснения свойств другой сверхтекучей жидкости — электронных пар в сверхпроводнике, — получил Нобелевскую премию за «основополагающие работы по теории сверхпроводников и сверхтекучих жидкостей» в 2003 году; такие вихри в сверхпроводнике называют «абрикосовскими».
Самая свежая, связанная с гелием Нобелевская премия присуждена в 2016 году Дэвиду Таулессу, Майклу Костерлицу и Дункану Холдейну за «теоретическое обоснование топологических фазовых переходов топологических фаз материи».
Зачем же непосредственно человечеству нужен гелий?
- Причина № 1: гелий-3 является максимально перспективным топливом для термоядерного синтеза. Так, на данный момент топливом для запуска термоядерной реакции могут служить тритий и гелий-3. И если тритий сам по себе радиоактивен, да и к тому же является основой термоядерной бомбы, то гелий-3 представляет собой более практичный и безопасный вариант. Проблема заключается только в его дефиците на планете Земля. Именно по этому разрабатывали и разрабатываются программы по добыче гелия-3, например, на Луне.
- Причина № 2: гелий используют как маркер при датировке всевозможных геологических пород. Поскольку гелий образуется при распаде радиоактивных элементов, по его накоплению можно судить о возрасте минерала.
- Причина № 3: С 20х годов прошлого века дыхательные смеси с гелием стали использоваться повсеместно. Например, водолазами гелий-кислородные смеси используются регулярно, т.к. при высоком давлении (более 50 м в глубину) азот в составе обычной воздушной смеси для дыхания начинает растворяться в крови водолаза, вызывая опьянение.
- Причина № 4: Похожа на причину №3. Гелий-кислородные смеси являются перспективными заменами обычного воздуха при космических перелетах. Так, при сколько-нибудь длительном космическом перелете при бомбардировке корабля космическими а-частицами азот в воздушной смеси приобретает наведенную радиацию и сам становится радиоактивным. Гелий же в таких условиях не порождает радиоактивных изотопов.
- Причина № 5: Использование в медицине. В магнитно-резонансной томографии используется именно ценный гелий-3. Так как с помощью МРТ можно "просвечивать" только мягкие ткани, то с заполненными воздухом легкими все оказывается намного сложнее. Для того, чтобы провести МРТ легких, необходимо, чтобы в них оказался намагниченный газ. Так обычно в смеси с кислородом гелий-3 позволяет увидеть максимально четкую картинку интересующего нас органа дыхания.
- Причина № 6: Использование гелия как хладагента. Например, это обслуживание таких сооружений как Большой Адронный Коллайдер, в котором жидкий гелий охлаждает сверхпроводящие магниты, или другие гигантские приборы, где нужно охлаждать детекторы. Пятую часть мирового производства гелия расходуют в клиниках: он поддерживает низкую температуру установленных в томографах электромагнитов, чтобы перевести их в сверхпроводящее состояние.
Кроме всего этого существует огромное количество самых разных производственных причин для использования гелия в тех или иных целях. Это аргонно-дуговая сварка — добавка гелия в газ для создания дуги повышает качество швов при сварке. Это использование гелия в надувных шариках и т.д.
Человечество, на самом деле, весьма расточительно относится к использованию гелия. По сути это невозобновляемый ресурс на планете Земля, так как объем скопившегося в земной коре газа неуклонно уменьшается, как и количество радиоактивных элементов, которые продуцируют гелий. Отечественные специалисты не первый год бьют тревогу и требуют принять программу по более полному извлечению гелия из природного газа с тем, чтобы расширять рынок, а заодно формировать запас на черный день.