Основное ГелийТекст на темуСоли, минералы
ГЕЛИЙ (Helium; от греч — Солнце), Не — хим. элемент VIII группы периодической системы элементов; ат. н. 2, ат. м. 4,00260. При обычных условиях инертный газ без цвета, запаха и вкуса. Природный гелий состоит из стабильных изотопов ³Не и Не. Получены изотопы Не, Не и Не с периодами полураспада соответственно  2,4 • 10⁻²¹   , 0,83 и 0,18 сек. Гелий открыли в 1868 франц. астроном Ж. Жансен и независимо от него англ. астрофизик Дж. Н. Локьер в атмосфере Солнца. Содержание Г. в  атмосфере Земли 5,24 • 10⁻⁴   об.%,   в коре   (преим .в природных газах   недр   и в различных минералах)  10⁻⁶ —10⁻⁷%.
Обычно употребляемый термин «гелий» относится к изотопу 4Не, к-рый больше всего распространен в природе.  Гелий лучше других газов следует идеальным газовым законам. Плотность изотопа Не (т-ра 0° С, давление 760 мм рт. ст.) 0,17846 г/дм3. Теплоемкость при постоянном давлении Ср практически не зависит от  т-ры   (0—1000° С)   и   давления t (1—200 am) и равна 1,24 ± ±0,1 кал/г граду a Cp/Cv = 1,67. Вязкость Г.  (при  комнатной т-ре)
1,96 • 10       г/см •сек, коэфф.   теплопроводности   (т-ра   20   К)    5 X 10-5  кал/см • град   сек и растет с увеличением т-ры по закону T0,73. Г. мало растворим в воде и в  ожиженных газах.
При комнатной т-ре; отличается плохой адсорбцией, в области гелиевых т-р она резко возрастает, достигая сотен кубических сантиметров на 1 г адсорбента. Для гелия характерна высокая способность проникать через различные стекла и органические  вещества.   Газообразный изотоп ³Не по физическим свойствам мало отличается от изотопа 4Не. Гелий жидкий — легкая     прозрачная бесцветная жидкость. Изотопы ³Не и 4Не остаются жидкими под давлением насыщенных паров вплоть до сколь угодно низкой т-ры, что связано   со  слабым   взаимодействием атомов Г, и большой амплитудой ил нулевых колебаний. Для перевода Г, в твердое состояние   жидкость связаны с его квантовой природой.
Поскольку при т-ре около 1—2 К дебройлевская длина волны атомов Г. сравнима с их межатомным расстоянием, Не II является не классической, а квантовой жидкостью, состоящей из бозе-частиц.  Все др. жидкости успевают затвердеть раньше, чем в них существенно проявятся квантовые эффекты. Изотоп ³Не при низкой т-ре также образует квантовую жидкость, к-рая, в отличие от изотопа 4Не, состоит из ферми-частиц. К специфическим св-вам изотопа ³Не как ферми-жидкости относится т. и. нулевой звук — своеобразный волновой процесс, распространяющийся при достаточно низкой т-ре, когда из-за большой длины свободного   пробега   возбуждений обычный звук (первый звук) распространяться не может. При определенных условиях существуют сверхтекучие фазы жидкого изотопа ³Не. Еще один класс квантовых жидкостей образуют растворы изотопов ³Не—Не,   в   которых одновременно существуют   возбуждения,    подчиняющиеся бозевской и фермиевской статистике. В жидкой фазе растворы расслаиваются, причем критическая точка расслоения соответствует температуре, равной 0,872 К,  и концентрации 66,9% 3Не.
При концентрации изотопа³ Не, меньшей 66,9%, растворы отличаются сверхтекучестью в широком интервале температур, ограниченном снизу т-рой расслоения, а сверху — Я-т-рой. В растворах, содержащих меньше 6,37% 3Не, расслоения нет, что дает возможность достигать т-р, при которых примесные частицы испытывают сильное фермиевское вырождение. В этом случае образуется    своеобразный    раствор    двух квантовых жидкостей — ферми-жидкости   в   сверхтекучей   бозе-жидкости. Гелий твердый — бесцветная прозрачная масса. Изотопы ³Не и Не в твердой фазе испытывают полиморфные переходы и в зависимости от давления и  т-ры  могут   иметь  структуры: объемноцентрированную кубическую, гранецентрированную кубическую и гексагональную плотноупакованную. Изотопы 3Не и Не имеют минимум на кривой плавления (у изотопа 3Не минимум соответствует т-ре 0,318 К и давлению 28,94 am, у изотопа Не соответственно 0,775 К и 24,952 ат). Св-ва твердого Г. изучены не столь детально, как жидкого.
Кристаллы гелия характеризуются высокой сжимаемостью, что связано с разрыхлением кристаллической решетки под влиянием больших нулевых колебаний. Подобное обстоятельство приводит к появлению существенных квантовых эффектов. Одним из проявлений квантовых св-в кристаллов Г. является необычный характер поведения дефектов и примесей, к-рые вследствие квантового туннелирования перестают быть локализованными частицами и приобретают св-ва квазичастиц, способных двигаться по всему кристаллу. Это приводит к т. н. квантовой диффузии изотопа ³Не в слабых растворах изотопов³Не — Не, не зависящей от т-ры и возрастающей при уменьшении концентрации изотопа ³Не. В кристаллах Г. легче, чем в др. твердых диэлектриках, реализуется  второй звук — слабо затухающие тепловые волны, распространяющиеся в фононном газе. Осн. источники пром.  добычи Г.— свободные и растворенные в нефти гелионосные природные газы. От др. газов Г. отделяют глубоким охлаждением (он сжижается труднее всех остальных газов).
 
Гелий применяют для создания защитной инертной среды при плавке, резке и сварке металлов, для хранения и транспортирования легковоспламеняющихся веществ .   С  помощью гелия   получают низкие т-ры (4,2 К и ниже), необходимые для практического использования, напр., сверхпроводимости. Откачиванием паров над жидкими изотопами
³Не и Не создают т-ры соответственно 0,2 и 0,7 К. Более низкие т-ры получают при растворении изотопа 3Не в изотопе Не, а также при кристаллизации изотопов ³Не. Кроме того, изотопы 3Не и Не являются осн. термометрическими веществами в газовых и конденсационных термометрах в интервале т-р от 80 К до ниже 1 К.
 
Лит.: Ялуцеин  В. II.   Геология гелия. Л.,
 
Характеристика элемента. Электронная структура и свойства гелия типичны для элементов, завершающих периоды. В его атоме имеется заполненный s-уровень электронов, близко расположенный к ядру. Это придает всей структуре атома особую устойчивость. По сравнению с другими элементами гелий обладает наименьшей поляризуемостью атома и наибольшей энергией ионизации (24,58 эВ). Электронные орбитали атомов полностью заняты электронами и поэтому между атомами гелия невозможно образование химической связи: на две связывающие молекулярные орбитали в таком случае приводится две разрыхляющие и никакого выигрыша не получается, так как энергия связывающих и разрыхляющих орбиталей взаимно компенсируется. Взаимодействие атомов гелия происходит за счет межмолекулярных сил. Эти силы слабые и проявляются лишь при очень низкой температуре или высоком давлении, поэтому гелий труднее всех веществ переводится в жидкое состояние. Он становится жидким при таких температурах (около 2 К), когда межатомные расстояния становятся сравнимы с волнами де Бройля. Жидкий гелий следует квантовым законам и его называют «квантовой жидкостью», потому что ведет она себя иначе, чем обычные. Энергии квантовых переходов хватает, чтобы нагреть жидкий гелий, и он поднимается вверх по стенке сосуда, в котором происходит охлаждение.
 
Свойства простого вещества. Никаких соединений гелий не образует, а в виде простого вещества по своим физическим свойствам ближе всего к водороду. Гелий труднее всех переходит в жидкое состояние и легче всего переходит в газ. Теплота его парообразования чрезвычайно мала и составляет всего 0,092 кДж/моль. У гелия tпл = —269° С. Ниже этой температуры образуются две разновидности: гелий-1 и гелий-П. Первая разновидность существует при температуре выше 2,172 К, а вторая — ниже этой температурной точки. Превращение одной модификации в другую сопровождается удивительными аномалиями в теплоемкости и других свойствах. Так, теплопроводность у гелия-П вдруг резко возрастает и становится в 3• 106 больше, чем у гелия-1. Его вязкость в 104 раза больше, чем у газообразного водорода. Гелий способен образовывать сверхтонкие пленки, скользящие как бы без трения. Твердым он может быть получен при низкой температуре 1К (—272° С) и обязательно при довольно большом давлении ( ~2 500 ООО Па), в виде кристалла имеет гексагональную решетку (как и у водорода). Твердый гелий устойчив лишь при высоком давлении.
 
Гелий хуже других газов растворяется в воде и других растворителях. В 1 л воды при 0° С растворяется менее-10 мл Не (водород растворяется в два с половиной раза лучше). Плохая растворимость этого газа в любых растворах используется в водолазном деле. Гелий заменяет азот в дыхательных смесях, которыми пользуются при погружении на большую глубину. Адсорбируется гелий очень плохо и лишь при —185° С. В обычных условиях гелий существует в виде устойчивого атома, но при электрических разрядах возникают ионизированные двухатомные ионы Не . В них два электрона занимают связывающую орбиталь молекулы и лишь один занимает разрыхляющую. Выигрыш энергии позволяет этому иону существовать некоторое время. Однако как только частицы Не захватывают электрон, то мгновенно распадаются на два нейтральных атома гелия. Известно существование ионизированных молекул НеН соединения гелия с водородом, где связь между ядрами гелия и водорода (протоном) осуществляется парой электронов, находящихся на связывающей молекулярной орбитали.
 
Получение и использование. Гелий — второй после водорода элемент по распространенности во Вселенной. Накопление ядер гелия в больших количествах вызвано тем, что он используется как «горючее», превращение которого служит источником энергии для звезд (в том числе для звезды нашей планетной системы — Солнца) Образуются ядра гелия и на Земле за счет ядерных реакций, вызываемых космическим излучением. Сами ядра гелия чрезвычайно устойчивы и используются при тонких исследованиях атома как снаряды, разбивающие мишени — ядра других атомов. Следует заметить, что именно эти ядра (а-частицы) помогли раскрыть сложную внутреннюю структуру атомов.
 
В промышленности гелий выделяют из природных газов методом глубокого охлаждения. При этом он, как самое низкокипящее вещество, остается газообразным, тогда как все другие вымораживаются. Применяется гелий для создания инертной атмосферы, при сварке металлов, при консервировании пищевых продуктов, в кислородно-воздушных смесях для водолазов и др. Жидкий гелий — хладоагент, использующийся в химии и физике низких температур.
 
В основном с этим также ищут .
Вы читаете, статья гелий