Osobine Helijuma

Fazni dijagram 4He Helijuma

Spektralne linije helijuma

Termomehanički efekat

Mehanokalorični efekat

Helium film 

Helium film

Proboj u likvifakciji helijuma se dogodio početkom dvadesetog veka, koga obično nazivamo "vekom fizike".
Helijum (4He) pripada familiji inertnih plemenitih gasova, pošto inertni gasovi nestupaju u hemijske reakcije sa ostalim elementima i najlakši je među njima. Drugi članovi te familije su: neon, argon, kripton, i radon. Helijum ima najnižu tačku ključanja među njima, i zadnji je doveden u tečno stanje. Nakon vodonika drugi je najzastupljeniji gas u vidljivom svemiru.

Kada govorim o Helijumu u tekstu koji pišem govorim o izotopu Helijuma 4He. I ako je stabilniji izotop 3He, vazan za radioizotop detektore i istraživanje fusije, ovaj izotop je redak, tako da je istraživanje osnovnih termodinamičkih karakteristika odrađeno ali zbog manjka eksperimentalnih podataka nije publikovano.
Prvi put je otkriven u atmosferi Sunca 1868. godine, kada su rađene studije spektra sunčeve radijacije, pri solarnoj eklipsi (Pierre Jules Janssen, Joseph Norman Lockyer), narodski rečeno solarna eklipsa se naziva pomračenje Sunca, nastaje kada se Mesec nađe između Zemlje i Sunca, te na taj način zakloni sunčev disk. Jedan je od elemenata koji je prvo otkriven van Zemlje.
Prethodno nepoznata linija svetlo žute boje bila je otkrivena (talasne dužine 588 nm (tačnije 587,56 nm). Nov element je bio pronađen i nazvan je "helijum" po Grčkom bogu Titanu Heliosu, koji je svaki dan vodio Sunce preko neba, iza svojih zlatnih kočija.
Helijum je prvi put izolovan 1895. godine (Sir William Ramsay). Iste godine, odvojeno, dva naučnika su otkrila i izolovala iz uranijumske rude klevejta dovoljno gasa da se mogao odrediti njegov atomski broj 2 (Per Teodor Cleve, Abraham Langlet). Mineral je bio zagrejan u sumpornoj kiselini i ispuštao je gas helijuma.

Helijum nema ukus, boju, miris i ne sadrži toksine. Postoji nekoliko hemijskih jedinjenja helijuma i svi su nestabilni u standardnim uslovima. Skoro sav helijum nastaje iz vodonika kao rezultat termonuklearne fuzije koja se odvija u unutrašnjosti zvezda. Na našoj planeti helijum nastaje u procesu raspada teških elemenata (najviše iz uranijum 238, uranijum 235, torijum, nestabilnih produkata njihovog raspada, manjim delom iz samarija 147 i bizmuta). Onaj deo helijuma koji uspe prodreti kroz Zemljinu koru izlazi kao deo prirodnog gasa i može biti do 7% njegovog sastava. Za izvlačenje helijuma iz prirodnog gasa koristi se frakciona destilacija - proces niskotemperaturnog odvajanja elemenata. Ustanovljeno je da se helijum nalazi samo u onim mineralima koji sadrže radioaktivni uranijum i torij. Alfa zraci koje emituju neki radioaktivni elementi nisu ništa drugo do jezgra atoma helijuma. Drugi je po rasprostranjenosti u svemiru, posle vodonika i čini 23% kosmičke mase. Vazduh je 7,25 puta teži od helijuma. Ni jedna supstanca se primetno ne otapa u helijumu. Helijum, kao i vodonik, na temperaturama iznad -250°C, šireći se, ne hladi se, već se zagreva. Tečni helijum nema tačku očvršćavanja pri normalnom atmosferskom pritisku, da bi prešao u čvrsto stanje potrebno je 2,53MPa.

Helijum se kvalitativno određuje analizom emisionih spektra (karakteristične linije na 587,56 nm i 388,86 nm), kvantitativno metodom masene spektrometrijske i hromatografske analize, kao i metodama zasnovanim na merenju fizičkih svojstava (gustina, toplotna provodljivost itd.).

Ima toplotnu provodljivost (0,1437 W/(m K) na N.C.) veću od ostalih gasova osim vodonika, a njegov specifični toplotni kapacitet je izuzetno visok (c p = 5,23 kJ/(kg K) na n.o., za poređenje - 14,23 kJ / (kg K) za H 2)

Kada se struja propušta kroz cev napunjenu helijumom, uočavaju se praznjenja različitih boja, zavisno uglavnom o pritisku gasa u cevi. Spektar vidljive svetlosti helijuma je obično žute boje. Kako pritisak opada, boje se menjaju - ružičasta, narandžasta, žuta, svetlo žuta, žuto-zelena i zelena. To je zbog prisustva u spektru helijuma nekoliko serija linija koje se nalaze u rasponu između infracrvenog i ultraljubičastog dijela spektra, a najvažnije linije helijuma u vidljivom dijelu spektra leže između 706,52 nm i 447,14 nm. Smanjenje pritiska dovodi do povećanja srednjeg slobodnog puta elektrona, odnosno do povećanja njegove energije pri sudaru sa atomima helijuma. To dovodi do prelaza atoma u pobuđeno stanje s visom energijom, zbog čega se spektralne linije pomiču od infracrvenog prema ultraljubičastom rubu.

Helijum je manje rastvorljiv u vodi nego bilo koji drugi poznati gas. Oko 8,8 ml otopi se u 1 litru vode na 20°C (9,78 na 0°C, 10,10 na 80°C), u etanolu - 2,8 (15°C), 3,2 (25°C). Njegova brzina difuzije kroz čvrste materijale je tri puta veća od vazduha i oko 65% brža od one u vodoniku.

Indeks prelamanja helijuma je bliži jedinici nego kod bilo kog drugog gasa. Ovaj gas ima negativan Joule-Thomsonov koeficijent pri normalnoj temperaturi okoline, što znači da se zagreva kada mu se dozvoli da se slobodno širi. Samo ispod temperature Joule-Thomson inverzije (otprilike 40 K pri normalnom pritisku) se hladi tokom slobodnog širenja. Nakon hlađenja ispod ove temperature, helijum može biti likvifikovan ekspanzionim hlađenjem. Takvo hlađenje se radi uz pomoć ekspandera.

Godine 1908. H. Kamerling-Onnes je po prvi put uspeo dobiti tečni helijum. Čvrsti helijum se dobija samo pod pritiskom od 25 atmosfera na temperaturi od oko 1K (V. Keesom, 1926). Keesom je takođe otkrio prisustvo faznog prelaza helijuma-4 (4He) na temperaturi od 2,17 K; nazvane faze helijum-I (normalni tečni helijum) i helijum-II (ispod 2,17K, supertečni helijum), koji se vide na faznom dijagramu helijuma, te dve zone su razdvojene lambda linijom. Oblast helijum II stanja ima specifične karakteristike, širi se pri hlađenju, prenošenje toplote je ogromno, toplotna provodljivost i viskozitet se ne ponašaju po normalnim pravilima. 1938. P. L. Kapitsa je otkrio da helijum-II nema viskoznost (fenomen superfluidnosti). U helijumu-3, superfluidnost se javlja samo na temperaturama ispod 0,0026K. Superfluidni helijum pripada klasi takozvanih kvantnih tečnosti, čije se makroskopsko ponašanje može opisati samo pomoću kvantne mehanike. Godine 2004. pojavio se izveštaj o otkriću superfluidnosti čvrstog helijuma, ali tumačenje ovog fenomena nije u potpunosti shvaćeno.

Hemijski element helijum proizvode se iz prirodnih gasova koji sadrže helijum (trenutno se uglavnom eksploatišu nalazišta koja sadrže >0,1% helijuma). Helijum se od drugih gasova odvaja dubokim hlađenjem, koristeći činjenicu da se teže pretvara u tečnost od svih drugih gasova. Hlađenje se vrši prigušivanjem u nekoliko faza, čišćenjem sa CO 2 i ugljovodonicima. Rezultat je mešavina helijuma, neona i vodonika. Sirovi helijum (70-90% helijuma po zapremini) se prečišćava od vodonika (4-5%) upotrebom CuO na 650-800K. Završno prečišćavanje se postiže hlađenjem sirovog helijuma uz ključanje N 2 u vakuumu i adsorpcijom nečistoća na aktivnom ugljeniku u adsorberima, takođe hlađen tečnim N 2 . Proizvodi se helijum tehničke čistoće (99,80% zapreminskog helijuma) i visoke čistoće (99,985%).

Tečni helijum ima mnoga jedinstvena svojstva. Jedna od prvih svojstava koje je privuklo pažnju odsustvo trostruke tačke čvrsto-tečnost-para. Fazni dijagram helijuma-4 razlikuje se od bilo kojeg drugog poznatih supstanci. Međutim, najupečatljivija svojstva su ona kada se tečni helijum izloži temperaturama ispod 2,17K. Kako se tečnost hladi ispod ove temperature, umesto da očvrsne, prelazi u novu tečnu fazu. Fazni dijagram helijuma tako poprima dodatnu prelaznu liniju razdvajanja dvije faze u tečni HeI na temperaturama iznad linije i tečni HeII na nižim temperaturama. Niskotemperaturna tečna faza, nazvana tečnost helijum II, ima svojstva koja ne pokazuje nijedna druga tečnost. Helijum II se širi prilikom hlađenja; njegova toplotna provodljivost je ogromna; a ni njegova toplotna provodljivost niti viskoznost ne zadovoljava normalna pravila. Fazni prelaz između dvije tečne faze se identificira kao lambda linija, a presek lambda linije sa krivom parnog pritiska je poznat kao lambda tačka. Lambda tačka i lambda linija su dobili taj naziv zbog sličnosti krive specifične toplote sa grčkim slovom lambda.

Prenos toplote u helijumu II je spektakularan. Kada se pritisak iznad tečnost u posudi sa tečnim helijumom II redukuje pumpanjem, tečnost snažno ključa kako se pritisak na tečnost smanjuje. U toku rada pumpe, temperatura tečnosti opada kako se pritisak smanjuje i deo tečnosti isparava. Kada temperatura dostigne lambda tačku i tečnost postane tečni helijum II, sve ključanje iznenada prestaje. Tečnost postaje bistra i tiha, iako isparava prilično brzo na površini. Toplotna provodljivost tečnog helijum II je toliko velika da mehurići pare nemaju vremena da se formiraju u sadržaju tečnosti prije nego što se toplina brzo prenese na površinu tečnosti. Velika je razlika između toplotne provodljivosti HeI i HeII, dok tečni helijum II ima mnogo veću toplotnu provodljivost od čistog bakra na sobnoj temperaturi.

Helijum II se često naziva "superfluid". Odmah ispod lambda tačke, protok tečnosti kroz uske proreze ili kanale postaje veoma brz. Protok helijuma II kroz vrlo tanke kanala prate dva vrlo zanimljiva termalna efekta tzv. "termomehanički efekat" i "mehanokalorični efekat".

Termomehanički efekat je otkriven 1938. godine i prikazan je na slici. Kada se toplota primeni na fluid u unutrašnjem kontejneru, superfluid komponenta (pošto je hladna) ima tendenciju da se pomeri prema oblasti sa višom temperaturom. Superfluid može vrlo brzo teći kroz uski kanal, dok je

protok normalne komponente je inhibiran otporom kanala. 

Mehanokalorični efekat, na slici, uočen je 1939. Kada se tečnost helijum II pusti da teče kroz fini prah, kod preostale tečnosti je primećen porast temperature. Ovaj efekat se može objasniti pretpostavkom da skoro sva tečnost koja teče iz posude superfluidna, tako da nosi nultu entropiju. Koncentracija normalne tečnosti u tečnosti iznad prah se vremenom povećava, što rezultira porastom temperature.

Još jedan zanimljiv fenomen, helijumskog filma, prikazan je na slici. Površina u kontaktu sa helijumom II biće prekrivena filmom tečnosti. Ako se čaša spusti u balon sa He II, ona će se postepeno puniti, kao što je prikazano na slici. Kada se podigne iznad tečnosti, isprazniće se, kao što je prikazano na slici. Brzina protoka se odvija konstantnom brzinom (pri konstantnoj temperaturi) i nezavisna je od razlike u nivou, dužine puta i visine barijere preko koje se odvija. Brzina prijenosa filma raste sa smanjenjem temperature, jednaka je nuli u lambda tački i gotovo temperaturno nezavisna ispod 1,5 K.

Simbol: He
Atomski broj: 2
Atomska masa: 4.0026 amu
Normalna temperatura ključanja: 4.213K ili  -268.934°C

 

Iz faznog dijagrama 4He sve vide jedinstvene karakteristike:
- 4He ne prelazi u čvrsto stanje pri normalnom pritisku čak ni na 0K
- 4He prelazi u čvrsto stanje pri minimum 25 atm na niskim temperaturama
- Prelaz iz gasne faze u tečnu se događa na 4,2K pri normalnom (1atm) pritisku
- Helijum nema trojnu tačku
- 4He ima kritičnu temperaturu od 5,19K. Helijum nema tečnu fazu iznad kritične temperature čak ni na visokim pritiscima.