أدرك العلماء لبعض الوقت أن أكثر العناصر وفرة في الكون هي غازات بسيطة مثل الهيدروجين والهيليوم. هذه تشكل الغالبية العظمى من كتلتها التي يمكن ملاحظتها ، وتقزم كل العناصر الثقيلة مجتمعة (وبهامش كبير). وبين الاثنين ، يعتبر الهيليوم ثاني أخف عنصر وثاني أكثر العناصر وفرة ، حيث يوجد في حوالي 24٪ من الكتلة الأولية للكون المرئي.
بينما نميل إلى التفكير في الهيليوم على أنه الغاز المضحك الذي يقوم بأشياء غريبة على صوتك ويسمح للبالونات بالطفو ، فهو في الواقع جزء مهم من وجودنا. بالإضافة إلى كونه مكونًا رئيسيًا للنجوم ، يعد الهيليوم أيضًا مكونًا رئيسيًا في عمالقة الغاز. ويرجع ذلك جزئيًا إلى طاقة الارتباط النووية العالية جدًا ، بالإضافة إلى حقيقة أنه ينتج عن كل من الاندماج النووي والانحلال الإشعاعي. ومع ذلك ، لم يدرك العلماء وجودها إلا منذ أواخر القرن التاسع عشر.
الاكتشاف والتسمية:
تم الحصول على أول دليل على الهيليوم في 18 أغسطس 1868 من قبل عالم الفلك الفرنسي جول يانسن. أثناء وجوده في جونتور ، الهند ، لاحظ يانسن كسوفًا للشمس من خلال منشور ، وعندها لاحظ وجود خط طيفي أصفر لامع (عند 587.49 نانومتر) ينبعث من الكروموسفير للشمس. في ذلك الوقت ، كان يعتقد أنه صوديوم ، لأنه قريب من D1 و D2 خطوط فراونهوفر .
خطوط فراونهوفر هي خطوط امتصاص داكنة في طيف تتوافق مع عناصر كيميائية مختلفة. الائتمان: eventbrite.com
في 20 أكتوبر من نفس العام ، لاحظ عالم الفلك الإنجليزي نورمان لوكير وجود خط أصفر في الطيف الشمسي (أطلق عليه اسم D3خط فراونهوفر) الذي خلص إلى أنه ناتج عن عنصر غير معروف في الشمس. قام لوكير والكيميائي الإنجليزي إدوارد فرانكلاند بتسمية العنصرهيليوس، بعد الكلمة اليونانية للشمس.
مميزات:
الهيليوم هو ثاني أبسط ذرة عندما يتعلق الأمر بنموذجه الذري ، بعد الهيدروجين. وتتكون من نواة مكونة من بروتونات ونيوترونين وإلكترونين في المدارات الذرية. الشكل الأكثر شيوعًا هو الهليوم -4 ، والذي يُعتقد أنه نتاج تخليق النواة Big Bang. تميز هذا الحدث ، الذي استمر من 10 ثوانٍ إلى 20 دقيقة بعد الانفجار العظيم ، بإنتاج نوى غير أخف نظير للهيدروجين (أي الهيدروجين -1 الذي يحتوي على بروتون ونواة واحد).
يُعتقد أن هذا الحدث أنتج غالبية الهليوم -4 ، إلى جانب كميات صغيرة من نظائر الهيدروجين والهيليوم والليثيوم. تم إنشاء جميع العناصر الأثقل الأخرى في وقت لاحق ، نتيجة لتخليق النواة النجمية. يتم إنشاء كميات كبيرة من الهيليوم الجديد طوال الوقت من خلال هذه العملية نفسها ، حيث تؤدي الحرارة والضغط في قلب النجوم إلى اندماج ذرات الهيدروجين.
تصوير التركيب الذري لذرة الهليوم. الائتمان: ويكيبيديا كومنز
تتطابق نواة ذرة الهليوم -4 مع جسيم ألفا ، وبروتونات مرتبطة ونيوترونات يتم إنتاجها في عملية تحلل ألفا (حيث يتحلل عنصر ما ، ويطلق كتلة ويصبح شيئًا آخر). يرجع خمول الهيليوم إلى الاستقرار والطاقة المنخفضة لحالة السحابة الإلكترونية الخاصة به ، حيث تشغل جميع إلكتروناته بالكامل مدارات 1 ثانية في أزواج ، ولا يمتلك أي منها زخمًا زاويًا ويلغي كل منهما الدوران الجوهري للآخر.
يفسر هذا الاستقرار أيضًا عدم تفاعل ذرات الهيليوم مع بعضها البعض ، مما يؤدي إلى واحدة من أدنى درجات الانصهار والغليان لجميع العناصر.
تاريخ الاستخدام:
لبعض الوقت ، كان يعتقد أن الهيليوم موجود فقط في الشمس. ومع ذلك ، في عام 1882 ، اكتشف الفيزيائي الإيطالي لويجي بالميري وجود الهيليوم على الأرض عند تحليل الحمم البركانية من جبل فيزوف بعد اندلاعه في ذلك العام. وفي عام 1895 ، أثناء البحث عن الأرجون ، تمكن الكيميائي الاسكتلندي السير ويليام رامزي من عزل الهيليوم عن طريق معالجة عينة من الكليفيت بالأحماض المعدنية. بعد معالجة العنصر بحمض الكبريتيك ، لاحظ نفس خط امتصاص D3.
أرسل رامزي عينات من الغاز إلى السير ويليام كروكس والسير نورمان لوكير ، الذين تحققوا من أنه الهيليوم. تم عزله بشكل مستقل عن cleveite في نفس العام من قبل الكيميائيين Per Teodor Cleve و Abraham Langlet في أوبسالا ، السويد ، الذين تمكنوا من تحديد وزنه الذري بدقة. على مدار السنوات القليلة التالية ، أسفرت تجارب مماثلة عن نفس النتائج.
تخطيطي ثلاثي الأبعاد لذرة الهيليوم. الائتمان: ويكيبيديا كومنز / بروس بلاوس
تم اكتشاف العديد من الخصائص المثيرة للاهتمام للهيليوم في السنوات التالية. في عام 1907 ، أوضح إرنست رذرفورد وتوماس رويدز أن جسيم ألفا هو في الواقع نواة الهيليوم. في عام 1908 ، قام الفيزيائي الهولندي Heike Kamerlingh Onnes بتسييل الهيليوم لأول مرة عن طريق تبريد الغاز إلى أقل من واحد كلفن. تم ترسيخ العنصر في نهاية المطاف في عام 1926 من قبل تلميذه ويليم هندريك كيسوم ، الذي أخضع العنصر لضغط 25 جوًا.
كان الهيليوم أحد العناصر الأولى التي وجد أنها تحتوي على ميوعة فائقة. في عام 1938 ، اكتشف الفيزيائي الروسي بيوتر ليونيدوفيتش كابيتسا أن الهليوم -4 ليس له لزوجة تقريبًا عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق (السيولة الفائقة). في عام 1972 ، لوحظت الظاهرة نفسها في الهيليوم 3 من قبل الفيزيائيين الأمريكيين دوغلاس دي أوشيروف وديفيد إم لي وروبرت سي ريتشاردسون.
الاستخدامات الحديثة:
اليوم ، يستخدم غاز الهليوم في مجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية والتجارية والترفيهية. ربما يكون أكثرها شهرة هو الطيران ، حيث يوفر غاز الهليوم (كونه أخف من الهواء) طفوًا طبيعيًا للمنطاد والبالونات. بالمقارنة مع الهيدروجين ، الذي استخدم أيضًا في المناطيد ، يتمتع الهيليوم بفائدة إضافية تتمثل في كونه غير قابل للاشتعال ومثبط للحريق.
نظرًا لخصائصه الفريدة - التي تشمل نقطة غليان منخفضة ، وكثافة منخفضة ، وقابلية منخفضة للذوبان ، وموصلية حرارية عالية وخمول - يستخدم الهيليوم في مجموعة واسعة من التطبيقات العلمية والطبية. يتمثل أكبر استخدام في التطبيقات المبردة ، حيث يعمل الهيليوم السائل كمبرد للمغناطيسات فائقة التوصيل في ماسحات التصوير بالرنين المغناطيسي ومقاييس الطيف.
مصادم الهادرونات الكبير في سيرن. الائتمان: CERN / LHC
استخدام آخر في الصواريخ ، حيث يستخدم الهيليوم كمخزن لتحل محل الوقود والمؤكسدات في صهاريج التخزين. كما أنها تستخدم لتكثيف الهيدروجين والأكسجين في وقود الصواريخ والتبريد المسبق للهيدروجين السائل في المركبات الفضائية. ال مصادم هادرون كبير في CERN يعتمد أيضًا على الهيليوم السائل للحفاظ على درجة حرارة ثابتة تبلغ 1.9 كلفن.
بفضل معامل الانكسار المنخفض للغاية والطريقة التي يقلل بها من التأثيرات المشوهة لتغير درجات الحرارة ، يُستخدم الهيليوم أيضًا في التلسكوبات الشمسية وكروماتوغرافيا الغاز وفي 'تأريخ الهيليوم' - أي تحديد عمر الصخور التي تحتوي على مواد مشعة (مثل اليورانيوم والثوريوم). بالإضافة إلى خمولها وخصائصها الحرارية وسرعة الصوت العالية والقيمة العالية لحصة السعة الحرارية ، فهي تستخدم أيضًا في أنفاق الرياح الأسرع من الصوت ومرافق الاختبار الديناميكي الهوائي. كما أنها تستخدم في اللحام بالقوس الكهربائي وللكشف عن التسرب الصناعي.
لقد كتبنا العديد من المقالات الشيقة المتعلقة بالهيليوم هنا في Universe Today. هنا دمج الأقزام البيضاء يخلق نجوم الهيليوم ، و هل يمكن أن يحتوي كوكب المشتري وزحل على معدن الهيليوم السائل .
لدى Astronomy Cast أيضًا حلقة جيدة حول هذا الموضوع - الحلقة 139 .
