Газообразный гелий

ГАЗООБРАЗНЫЙ ГЕЛИЙ

Продолжим рассказ о свойствах гелия. Речь пойдет о природной смеси стабильных изотопов, в которой главной составляющей являются атомы с массовым числом 4, а примесью — Легкие атомы 3Не. Попутно отметим, что искусственно получают и другие изотопы гелия — Не, Не и Не. В природе эти изотопы наблюдать невозможно из-за их короткой жизни. Время полураспада Не равно всего 2,4 ·10²¹ сек, это самый короткоживущий среди изученных радиоизотопов. У 6Не время полураспада равно 0,85 сек, у Не — 0,12 сек. Распадаясь, Не излучает нейтроны, а Не — электроны и антинейтрино. Последняя реакция сыграла заметную роль в истории атомной физики: изучая ее, Э. Ферми получил ценные данные для разработки теории β-распада.
 
Большой научный интерес представляет сверхтяжелый гелий 8Не. Теоретически его существование предсказали в 1960 г. Я. Б. Зельдович и В. И. Гольданский, а впервые наблюдали 8Не О. В. Ложкин и А. А. Римский-Корсаков. Ядро Не перегружено нейтронами, на каждый протон здесь приходится 3 нейтрона. Распад ведет к образованию из одного атома Hе двух атомов обычного гелия:
          β          β
Не     Li    Ве     2 Не.    
 
Интересно, что изотоп 2Не, ядро которого состоит из двух протонов, практически не существует, так как ди-протон распадается на части в течение промежутка времени, меньшего 10²¹ сек. Но когда к двум протонам присоединяется нейтрон, то получается стабильный гелий-3.
Плотность гелия по отношению к воздуху составляет 0,138, удельный объем — 5,596 см3/г. Гелий мало растворим в воде (в 1 л воды при 20° растворяется 8,7 см3 газа) и других, в особенности полярных жидкостях и меньше, чем любой другой газ, склонен к адсорбции. Последнее свойство широко используется для выделения гелия из газовых смесей и для его очистки. Твердыми и расплавленными металлами, так же как и многими другими веществами, гелий вовсе не поглощается. Однако при тем-пературе, близкой к точке сжижения гелия, адсорбция его стеклом становится заметной, а адсорбция древесным углем достигает существенной величины: 1 атом гелия на 4 атома углерода.
 
Хорошо выражена у гелия способность диффундировать через твердые тела. Правда, железо и металлы платиновой группы, даже нагретые до красного каления, непроницаемы для него, но через другие материалы он проходит всего в 2—3 раза медленнее чем водород,—наиболее склонный к диффузии газ. В ты чение дня через 1 см² и резинового листа толщиной 1 мм просачивается при обычном давлении 3,5 см3 гелия.
 
Очень быстро проникает гелий сквозь тонкие перегородки из фарфора, кварца, кварцевого и боросиликатного стекла при повышенных температуре и давлении, а также через некоторые органические пленки. Установлено, что в этих условиях проницаемость гелия через кварц в 1000 раз выше, чем водорода.
 
На данном принципе основан заманчивый по простоте, но еще не нашедший промышленного воплощения способ извлечения гелия из природных метано-азотных газов. С этой целью англичанин Бронингер сконструировала аппарат, напоминающий пчелиные соты. Он состоит из пучка тончайших трубок (внешний диаметр 0,05 мм, толщина стенок 0,005 мм) из кварцевого стекла. Трубки вставлены в две решетки из эпоксидной смолы. Несмотря на ажурность аппарат выдерживает температуру до 400° и давление свыше 100 ат. Полагают, что удастся извлекай гелий непосредственно из скважины, поместив аппарат в газопровод перпендикулярно току газа. Под пластовым давлением сырой газ будет направляться в междутрубочное пространство, а гелий будет откачиваться из внутрен-него пространства трубок. Диффузии гелия способствует большая разность парциальных давлений по обе стороны стенки, а также нагрев до 400°, ускоряющий процесс в 100 раз по сравнению с комнатной температурой. Этот же способ предложен для разделения гелиево-неоновой смеси, выделяемой из воздуха. 
 
В настоящее время находят более выгодным применять вместо капиллярных трубок диффузионные ячейки из поливинилперхлоридной   пленки   толщиной не больше 0,02 мм, так как в этом случае нет необходимости в нагревании. Аппарат для разделения представляет собой пачку диффузионных элементов. Элемент состоит из металлической сетки, имеющей посредине узкую металлическую полоску. Сетка заключена в конверт из фильтровальной бумаги, а последний — в конверт из полимерной пленки, кромки которой завариваются.
Большая скрепленная пачка таких элементов помещается в металлическом цилиндре, куда направляется сжатый природный газ. Элементы соприкасаются металлическими полосками, отверстия в них образуют при совмещении каналы, по которым продиффундировавший газ движется к коллекторам. Аппарат компактен, элементы выдерживают перепад давления по обе стороны пленки в 70—90 ат.
 
Гелий — хороший проводник тепла; среди газов в этом отношении он уступает только водороду. Его теплопроводность почти в 6 раз превышает теплопроводность воздуха. По величине теплоемкости гелий уступает только водороду. Что касается электропроводности, то в этом отношении гелию нет равных среди газов. В одинаковых условиях водород и гелий дают искруна расстоянии между электродами соответственно 33 и 250—300 мм. Гелий слабо диамагнитен.
(Беспримерно низкая температура сжижения гелия свидетельствует, что взаимное влияние его атомов (вандер-ваальсовы и лондоновы силы) исключительно мало. Этим же объясняется неустойчивость твердого гелия под обычным давлением. Атом гелия является самым прочным во Вселенной.
 
При пропускании тока через заполненную гелием трубку наблюдаются разряды различных цветов, зависящих главным образом от давления в трубке. По мере уменьшения давления происходит смена цветов — розового, оранжевого, желтого, ярко-желтого, желто-зеленого и зеленого. Это объясняется присутствием в спектре гелия нескольких серий линий. Обычно видимый свет спектра гелия имеет желтую окраску.
Примечательная особенность гелиевого спектра заключается в том, что каждая серия представлена в двух экземплярах. В одном экземпляре линии всегда простые (сингулеты), а в другом каждая линия расщепляется на три (триплет). В частности, исторически знаменитая линия D3, ярко горящая в спектре хромосферы Солнца, является триплетом с различными длинами волн. Главная серия триплетов гелия лежит в инфракрасной части спектра, а сингулетов — в крайней ультрафиолетовой. Важнейшие линии гелия в видимой части спектра лежат между 7065,2 и 4471,4 А.
 
Почему же дублированы серии линий в спектре гелия? Эта особенность объясняется тем, что два электрона в оболочке атома гелия в какие-то моменты имеют не вполне одинаковые расположения орбит, а стало быть, и неодинаковые уровни энергии. Отсюда возможны два состояния элемента парагелий и ортогелий. У парагелия спектр состоит из одиночных линий вследствие противоположной направленности спинов обоих электронов. Состояние ортогелия характеризуется одинаковыми спинами электронов, и это дает строенные линии спектра.
Прежде чем перейти к положительному иону гелия, упомянем, что получен и отрицательный его ион Не-, представляющий собой атом с тремя электронами. Ближайшую к ядру орбиталь занимает обычный дублет, а на внешней орбитали находится третий возбужденный электрон, удерживаемый ею всего тысячную долю секунды.
Статья на тему Газообразный гелий