الهيليوم

الهيليوم

الهيليوم (من اليونانية: ἥλιος ، روماني: helios ، مضاءة. "الشمس") هو عنصر كيميائي برمز هو والرقم الذري 2. إنه غاز عديم اللون ، عديم الرائحة ، لا طعم له ، غير سام ، خامل ، أحادي الذرة. في مجموعة الغازات النبيلة في الجدول الدوري [أ] وتكون نقطة غليانها وانصهارها هي الأدنى بين جميع العناصر. إنه ثاني أخف عنصر وثاني أكثر العناصر وفرة في الكون الذي يمكن ملاحظته (الهيدروجين هو العنصر الأخف وزناً والأكثر وفرة). يوجد في حوالي 24٪ من الكتلة الكلية للعنصر ، أي أكثر من 12 ضعف كتلة العناصر الأثقل. تتشابه وفرته في كل من الشمس والمشتري ، بسبب طاقة الارتباط النووية العالية جدًا (لكل نواة) للهيليوم 4 ، أعلى من العناصر الثلاثة التالية بعد الهيليوم. إن طاقة الربط للهيليوم -4 هي أيضًا سبب كونه نتاج اندماج نووي وانحلال إشعاعي. معظم الهيليوم في الكون هو الهليوم -4 ، وتشكلت الغالبية العظمى منه خلال الانفجار العظيم. يتم إنشاء كميات كبيرة من الهيليوم الجديد من الاندماج النووي للهيدروجين في النجوم.

الاكتشافات العلمية لوحظ أول دليل على الهيليوم في 18 أغسطس 1868 كخط أصفر لامع بطول موجي 587.49 نانومتر في طيف كروموسفير الشمس. رصد عالم الفلك الفرنسي جول يانسن هذا الخط خلال كسوف كلي للشمس في جونتور بالهند. كان من المفترض في البداية أن هذا الخط هو الصوديوم. في 20 أكتوبر من نفس العام ، لاحظ عالم الفلك الإنجليزي نورمان لوكير وجود خط أصفر في الطيف الشمسي ، والذي سماه D3 لأنه كان قريبًا من خطوط الصوديوم المعروفة لدى فراونهوفر D1 و D2. وخلص إلى أن سبب ذلك هو عنصر موجود في الشمس غير معروف على الأرض ، وقد أطلق لوكير والكيميائي الإنجليزي إدوارد فرانكلاند على هذا العنصر بعد الكلمة اليونانية للشمس ، ἥλιος (هيليوس).

تاريخ
في عام 1907 ، أظهر إرنست رذرفورد وتوماس رويدز أن جسيمات ألفا هي نوى هيليوم من خلال السماح للجسيمات باختراق الجدار الزجاجي الرقيق للأنبوب المفرغ ثم إنشاء تفريغ في الأنبوب لدراسة طيف الغاز الجديد داخل الأنبوب. في عام 1908 ، تم تسييل الهيليوم لأول مرة بواسطة الفيزيائي الهولندي Heik Kamerling Ons عن طريق تبريد الغاز إلى درجة حرارة أقل من 5 كلفن (−268.15 درجة مئوية ؛ −450.67 درجة فهرنهايت). حاول ترسيخه عن طريق خفض درجة الحرارة أكثر ، لكنه فشل لأن الهيليوم لا يتصلب عند الضغط الجوي. تمكن ويليم هندريك كيسوم ، طالب أونس ، أخيرًا من ترسيخ سنتيمتر مكعب واحد من الهيليوم في عام 1926 عن طريق تطبيق ضغط خارجي إضافي. في عام 1913 ، نشر نيلز بور "ثلاثية" حول التركيب الذري ، والتي تضمنت مراجعة لسلسلة بيكرينغ فاولر كدليل رئيسي لدعم نموذجه للذرة. تمت تسمية المجموعة على اسم إدوارد تشارلز بيكرينغ ، الذي نشر في عام 1896 ملاحظات لخطوط لم تكن معروفة من قبل في طيف النجم ζ Puppis. مستويات إرسال نسب نصف صحيحة. في عام 1912 ، نجح ألفريد فاولر في إنتاج خطوط مماثلة من خليط من الهيدروجين والهيليوم ، مما يدعم استنتاج بيكرينغ حول أصلها. لم يسمح نموذج بوهر بانتقالات نصف صحيحة (وكذلك ميكانيكا الكم) ، وخلص بور إلى أن بيكرينغ وفاولر كانا مخطئين ، وبدلاً من ذلك عزا هذه الخطوط الطيفية إلى الهيليوم المتأين He +. كان فاولر متشككًا في البداية ولكنه أصبح مقتنعًا في النهاية بأن بور كان على حق ، وبحلول عام 1915 "نقل مصممو الطيف سلسلة [بيكرينغ فاولر] نهائيًا [من الهيدروجين] إلى الهيليوم. أظهر العمل النظري لبوهر في سلسلة بيكرينغ الحاجة إلى "إعادة فحص المشاكل التي بدت أنها حُلت بالفعل في النظريات الكلاسيكية" وقدمت تأكيدًا مهمًا لنظريته الذرية. في عام 1938 ، اكتشف الفيزيائي الروسي بيوتر ليونيدوفيتش كابيتسا أن الهليوم -4 ليس له لزوجة تقريبًا عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق ، وهي ظاهرة تسمى الآن السوائل الفائقة. ترتبط هذه الظاهرة بكثافة بوز-آينشتاين. في عام 1972 ، قام الفيزيائيون الأمريكيون دوغلاس د. أوشروف ، ديفيد م. لاحظ لي وروبرت سي.ريتشاردسون نفس الظاهرة في الهيليوم 3 ، ولكن عند درجة حرارة قريبة جدًا من الصفر المطلق. يُعتقد أن ظاهرة الهليوم -3 مرتبطة بإقران فرميونات الهليوم 3 لتكوين البوزونات ، على عكس أزواج كوبر الإلكترونية التي تنتج الموصلية الفائقة.

الاستخراج والتطبيق
بعد عملية التنقيب عن النفط في عام 1903 في دكستر ، كانساس أنتجت نبعًا غازيًا لم يحترق ، جمع الجيولوجي بولاية كانساس إيراسموس هاورث عينات من الغاز الهارب وأخذها إلى جامعة كانساس في لورانس ، حيث بمساعدة الكيميائي هاملتون كادي وديفيد ماكفارلاند ، اللذان اكتشفا أن الغاز يتكون من حجم 72٪ نيتروجين ، و 15٪ ميثان (نسبة قابلة للاحتراق فقط بأكسجين كافٍ) ، و 1٪ هيدروجين ، و 12٪ غاز غير معروف.

بعد إجراء مزيد من التحليل ، اكتشف كادي ومكفارلاند أن 1.84٪ من العينة كانت عبارة عن غاز الهيليوم. أظهر هذا أنه على الرغم من ندرته الإجمالية على الأرض ، إلا أن الهيليوم كان يتركز بكميات كبيرة تحت السهول الأمريكية الكبرى وكان متاحًا للاستخراج كمنتج ثانوي للغاز الطبيعي. مكن هذا الولايات المتحدة من أن تصبح المورد الرئيسي للهيليوم في العالم. بناءً على اقتراح السير ريتشارد ثريلفال ، رعت البحرية الأمريكية ثلاثة مصانع تجريبية صغيرة للهيليوم خلال الحرب العالمية الأولى. كان الهدف هو تزويد البالونات بغاز غير قابل للاشتعال وأخف من الهواء. تم إنتاج ما مجموعه 5700 متر مكعب (200000 قدم مكعب) من 92 ٪ من الهيليوم في البرنامج ، على الرغم من أنه تم بالفعل استرداد أقل من متر مكعب واحد من الغاز.

تم استخدام بعض من هذا الغاز في أول منطاد في العالم مليء بالهيليوم ، البحرية الأمريكية C-7 ، والتي قامت برحلتها الأولى من هامبتون رودز ، فيرجينيا ، إلى الحقل ب.