Ima već neko vreme od kako su naučnici shvatili da su najrasprostranjeniji elementi u kosmosu prosti gasovi poput vodonika i helijuma. Oni čine ogroman deo vidljive mase kosmosa, dok su ostali teži elementi zajedno daleko iza – njih ima samo oko 2%. Među pomenutim elementima, helijum je drugi najlakši i drugi najrasprostranjeniji, budući da čini oko 24% mase celokupnog vidljivog univerzuma.
Iako smo skloni da na helijum gledamo kao na urnebesni gas koji na čudan način menja naš glas i omogućava balonima da lete, zaboravljamo da je on zapravo bitan deo našeg postojanja. Pored toga što je ključna komponenta galaksija i zvezda, helijum je takođe i bitan sastojak planeta poznatih kao gasoviti džinovi[1]. To je delom zbog vrlo visoke nuklearne energije veze, ali i zbog činjenice da helijum nastaje u procesu nuklearne fuzije i pri radioaktivnom raspadanju[2]. Pa ipak, naučnici nisu bili svesni njegovog postojanja sve do kraja XIX veka.
OTKRIĆE I IMENOVANJE
Postojanje helijuma prvi je objavio 18. avgusta 1868. francuski astronom Jules Janssen. Dok je u Gunturu, u Indiji, posmatrao pomračenje Sunca kroz prizmu, zapazio je svetlu spektralnu liniju (na 587,49 nanometara) koja se isticala u hromosferi Sunca. Prvo je poverovao da se radi o natrijumu, budući da je ova bila blizu Fraunhoferovih linija D1 i D2.
Fraunhoferove linije predstavljaju tamne apsorbcione linije u spektru koje odgovaraju različitim hemijskim elementima.
20. oktobra iste godine, engleski astronom Norman Lockyer je zapazio žutu liniju u solarnom spektru (i nazvao je Frauhoferova D3 linija) i zaključio da je povezana sa nepoznatim elementom na Suncu. Lockier i engleski hemičar Edward Frankland su ga nazvali helios, po grčkoj reči za Sunce.
Tek 14 godina kasnije helijum je otkriven i na Zemlji. To je pošlo za rukom talijanskom fizičaru i meteorologu Luigiju Palmieriju, koji ga je detektovao prilikom analiziranja lave iz napuljskog vulkana Vezuv.
KARAKTERISTIKE
Kada se posmatra njegov atomski model, helijum ima drugi najprostiji atom, odmah iza vodonika. Poseduje jezgro sa dva protona i neutrona, i dva elektrona u atomskim orbitama. Najuobičajenija forma je helijum-4 (4He), za koga se veruje da je nastao tokom nukleosinteze posle Velikog praska. Taj događaj, koji je trajao od 10 sekundi do 20 minuta nakon Velikog Praska, karakterisao je nastanak ostalih nukleusa pored najlakšeg izotopa vodonika (tj. vodonika-1[3], koji ima 1 proton u jezgru).
Veruje se da je taj događaj proizveo najveći deo sveopšteg helijuma[4], zajedno sa manjom količinom izotopa vodonika, helijuma i litijuma. Svi ostali teži elementi su stvoreni mnogo kasnije, kao rezultat zvezdane nukleosinteze. Velika količina novog helijuma stvarana je sve vreme u istom tom procesu, gde su toplota i pritisak u srcu zvezda bili dovoljni da izazovu sjedinjavanje vodonikovih jezgara.
Prikaz građe helijumovog atoma. Angstrem je 10-10 metara.
Nukleus atoma helijuma-4 identičan je sa alfa česticom, dva vezana protona i neutrona koja nastaju u procesu α-raspada (u kome se neki elemenat transformiše, odn. „raspada“, oslobađajući masu i pretvarajući se u nešto drugo). Hemijska inertnost helijuma potiče iz stabilnosti i male energije stanja njegovog elektronskog oblaka[5], u kome su svi elektroni potpuno zauzeli orbitu 1su parovima, od kojih nijedan ne posedujući orbitni ugaoni momenat i svaki poništava unutrašnji spin ostalih.
Ta stabilnost se ogleda u vrlo slaboj međusobnoj interakciji helijumovih atoma, što dovodi do jedne od najnižih tačaka topljenja (0,95 K; -172,2° C) i ključanja (4,2 K; -168,9° C)među svim elementima.
ISTORIJA KORIŠĆENJA
Prvih godina se čvrsto verovalo da helijum postoji samo na Suncu. Međutim, talijanski profesor fizike L. Palmieri je uspeo da, na iznenađenje svih, 1882. godine da detektuje helijum i u lavi Vezuva koji je te godine proradio. A 1895, tragajući za argonom, škotski hemičar ser William Ramsay je uspeo da izoluje helijum tretiranjem uzoraka uranijumove rude kleveita mineralnim kiselinama. Tretirajući elemenat sumpornom kiselinom, uočio je istu D3 apsorbcionu liniju.
43-godišnji Ramsey[6] je poslao uzorke gasa seru Williamu Crookesu i seru Normanu Lockyeru, koji su potvrdili da se radi o helijumu. Nezavisno od ovog, helijum su iste godine izolovali hemičari Per Teodor Cleve i Abraham Langlet iz Uppsale u Švedskoj, koji su uspeli da sakupe dovoljno gasa da bi mu precizno odredili atomsku težinu. tokom nekoliko narednih godina slični eksperimenti du dali iste rezultate.
Tokom narednih godina otkriveno je nekoliko interesantnih svojstava helijuma. 1907. Ernest Rutherford i Thomas Royds su nepobitno konstatovali da su alfa čestice zapravo helijumova jezgra. 1908, holandski fizičar Heike Kamerlingh Onnes je uspeo da ga pretvori u tečno stanje hladeći ga na ispod jednog Kelvina. Elemenat je pretvoren u čvrsto stanje 1926. kada je njegov učenik Williem Hendrik Keesom izložio gas pritisku od 25 atmosfera.
Helijum je bio jedan od prvih elemenata za koje je otkriveno da poseduje fenomen superfluidnosti. 1938, ruski fizičar i nobelovac Pjotr Leonidovič Kapica[7] otkrio je da na temperaturama u blizini apsolutne nule helijum-4 skoro uopšte nema viskoznost (superfluidnost). 1972, isti fenomen su otkrili i kod helijuma-3 američki fizičari Douglas Osheroff, David Lee i Robert Richardson.
SAVREMENA UPOTREBA
U Zemljinoj atmosferi, zapreminska koncentracija helijuma je samo 5,2 delova od milion (0,0005%). Koncentracija je mala i konstantna uprkos neprestanom stvaranju novog helijuma zato što najveći deo helijuma u Zemljinoj atmosferi odleti u kosmos putem različitih procesa. U heterosferi, delu gornje atmosfere, helijum i ostali laki gasovi su najrasprostranjeniji elementi. Većina helijuma kojeg imamo na Zemlji potiče od prirodnoh radioaktivnog raspada radioaktivnih elemenata (torijuma, uranijuma i sl.).
Danas, helijumski gas ima široku industrijsku, komercijalnu i rekreativnu primenu. Prva asocija za većinu je letenje, jer helijumski gas (budući lakši od vazduha) prirodno omogućava lebdenje dirižabla i balona. Za razliku od vodonika, koji se takođe koristi za dirižable, helijum ima veliku prednost jer je nezapaljiv i sprečava širenje vatre.
Zahvaljujući svojim osobinama – koje uključuju nisku tačku ključanja, malu gustinu, slabu rastvorljivost, veliku termičku provodljivost i inertnost – helijum ima veliku naučnu i medicinsku primenu. Najčešće ima kriogenu primenu (oko četvrtinu ukupne svetske proizvodnje), gde se tečni helijum koristi za hlađenje superprovodničkih magneta u MRIskenerima i spektrometrima.
Helijumski baloni mogu da odlete do samih granica kosmosa. Nasin „Ultra Long Duration Baloons“ (ULDBs) mogu da podignu 3 tone na visinu od 33.500 metara. Baloni su veliki – visine preko 150 m i površine preko 80.000 m2 mogu da nose različite teške instrumente za, naprimer, proučavanje kosmičkog zračenja.
Najveći akcelerator na svetu: Veliki hadronski kolajder u CERN-u. Njemu treba oko 95 metričkih tona tečnog helijuma za održavanje neophodne temperature od 1,9 K.
Helijum se upotrebljava i u raketnoj industriji, gde se koristi kao bafer koji potiskuje gorivo i oksidatore u rezervoarima. Koristi se i za kondenzovanje vodonika i kiseonika u raketno gorivo. Koristi se i za čišćenje zemaljske raketne opreme od goriva i oksidanta pre lansiranja i za hlađenje tečnog vodonika u kosmičkim letilicama. Npr. raketa „Saturn V“ iz „Apollo“ programa zahtevala je oko 370.000 m3 helijuma za lansiranje. Veliki hadronski kolajder u CERN-u takođe upotrebljava veliku količinu tečnoh helijuma za održavanje konstantne temperature od 1,9 kelvina.
Zahvaljujući svom izuzetno malom indeksu refrakcije (prelamanja) i sposobnosti smanjenja efekata temperaturnih varijacija, helijum se koristi i kod solarnih teleskopa, za gasnu hromatografiju, i „delijumsko datiranje“ – određivanje starosti stena koje sadrže radioaktivne supstance. Uz to, zbog svoje inertnosti, termičkih svojstava, visoke brzine zvuka, i velikog adijabatskog odnosa,koristi se unadzvučnim aero-tunelima i postrojenjima za aerodinamička testiranja. Takođe je našao primenu kod lučnog zavarivanja i industrijskog detektovanja curenja[8], a služi i kao zaštitni gasu u industriji rasta silicijumskih i germanijumskih kristala.
Podatak od pre 15 godina kako je SAD trošila helijum. 71,9 mil. kubnih metara iznosi oko 13,8 miliona kg.
Trenutno, svet proizvodi preko 40 miliona kg helijuma godišnje, a najveći deo (oko 22% ukupne proizvodnje iz 2008.) ima kriogenu primenu, od čega najveći deo otpada na hlađenje magneta u medicinskim skenerima. Ostalo (oko 78%) odlazi za sisteme za pročišćavanje, održavanje kontrolisanih atmosfera i zavarivanje.
Godinama su SAD proizvodile 90% svetskog helijuma, dok su ostatak prouvodili Kanada, Poljska, SSSR i ostali. Do pred kraj milenijuma, Alžir je proizvodio oko 17 milioma m3, što je bilo dovoljno za čitavu tadašnju Evropu. Ubrzo, početkom veka, SAD je povećala potrebe za helijumom na preko 15 miliona kg godišnje a od 2002. do 2007. cena mu je na tržištu udvostručena.
Danas Amerika poseduje u rezervi 30% svetskog helijuma, ali politika im je takva da će ga do 2018. potrošiti ili rasprodati. Drugi najveći proizvođač je Katar.
10 ZANIMLJIVOSTI
- Ako ne računamo neprikosnoveni, vodonik, helijum je najrasprostranjeniji elemenat u kosmosu.
- Od 1928. helijum je moguće kupiti.
- Helijum je toliko lak da ga Zemljina gravitacija ne može da zadrži. Kadaatomi helijuma dospeju u atmosferu, oni se dužu sve više. sve dok ne pobegnu u kosmos.
- Helijum je samo jedan od dva prirodna elementa koji nikada nije posmatran u vezanom stanju sa drugim elementima u jedinjenju. Drugi elemenat je neon. Međutim, helijumova plazma može da formira privremene (kratkoživuće) excimer[9] molekule sa elementima kao što su natrijum, fluor i sumpor.
- Na temperaturama bliskim apsolutnoj nuli helijum se kondenzuje u tečnost čusnovatih svojstava – svojstava superfluida, koja može da teče bez otpora uzbrdo i da puzi preko rubova kontejnera.
- Pri normalnom atmo-pritisku helijum je nemoguće pretvoriti u čvrsto stanje. Pri pritisku od 25 atm helijum se pretvara u čvrsto stanje na temperaturi od 0.95 K. Kako pritisak raste, raste takođe i temperatura na kojoj postoju čvrst helijum. Tako bi helijum mogao da bude čvrst i na sobnoj temperaturi, ali bi pritisak morao da dostigne 11.500 MPa (113.600 atm, odn. 117.40 kg/cm2). To je preko 100 puta više od pritiska na najvećoj dubunu u okeanu, u Marijanskom rovu, gde je dubina 10.910 metara.
- Helijum postoji u Zemljinoj atmosferi jedino zato što ga konstantno stvaraju u samo dva izvora – raspad radioaktivnih elemenata u Zemlji, i kosmičko zračenje, od kojeg je oko 9% u vidu helijumskih jezgara visoke energije.
- Helijum koji možemo da kupimo trenutno u radnji proizveden je prirodnim raspadom radioaktivnih elemenata u Zemljinoj kori – uglavnom torijuma i urana.
- Radioaktiovnim raspadom torijuma i urana dobija se svake godine oko 3000 metričkih tona helijuma.
- Trenutna svetska proizvodnja helijuma je preko 30.000 metričkih tona godišnje. (Helijum je milionima godina akumuliran u nekoliko polja prirodnog gasa, tako da je moguće da svake godine proizvodimo više helijuma nego što se dobija raspadom torijuma i urana).
[1] U našem sistemu, Jupiter ima 14% helijuma, Saturn 3, 5%, Uran 15% i Neptun 19%.
[2] Prilikom alfa raspada atomsko jezgro izbacuje alfa čestice, tj. jezgra helijuma.
[3] Ovaj stabilni izotop se naziva i protium, i čini 99,98% vodonika. Sledeći izotop je vodonik-2 (deuterijum), sa 1 neutronom i 1 protonom u jezgru, i radioaktivni vodonik-3 (tricijum), sa 2 neutrona i 1 protonom u jezgru. Slede sledeći, sve do vodonika-7, koji su 2003. sintetizovali ruski, japanski i francuski naučnici. Pre nego što se raspadne prođe oko 10-23 sekunde.
[4] Teorija kaže da je u nekiliko minuta nakon Praska stvorena „supa“ slobodnih protona i neutrona (u odnosu 6:1) koja se uskoro toliko ohladila da je bilo moguće nuklearno vezivanje, tako da su svi formirali jezgra helijuma-4. Time su za samo par minuta potrošeni skoro svi slobodni neutroni, pre nego što su mogli da se beta-raspadnu, a preostali su formirali teže atome kao što su litijum, berilijum ili bor.
[5] Zanimljiva priča. Većina zamišlja da su elektroni vezani za jezgro tako da se okreću oko njega na isti način kao planete oko Sunca. To, međutim, nij tačno. Elektroni nisu vezani gravitacijom već Kulonovom silom, koja direktno zavisi od znaka naelektrisanja čestice. Prema kvatnoj mehanici, elektron može biti čestica ili talas, u zavisnosti kako vršimo merenje. Zbog talasne prirode, nemoguće je predvideti gde se elektron tačno nalazi, već je jedino moguće sa velikom verovatnoćom predvideti gde će biti u vreme vršenja merenja. Zato se za opis elektrona koristi termin verovatnoća distribucije ili gustina verovatnoće. Tako se ne definiše tačna tačka, već nešto približno, neodređeno, ui odatle termin „elektronski oblak“. On ina različit oblik, u zavisnosti od stanja atoma. Na sobnoj temperaturi, većina atoma postoji na najnižem stanju energije. U slučaju dodavanja energije (npr. gađanjem atoma laserom), spoljnji elektroni će „skočiti“ u više stanje (ili na veću orbitu, ako ti je tako lakše da zamisliš). Itd. Tako ja zamišljam jer je stvar kvantna, a to znači komplikovana.
[6] Nekoliko godina kasnije dobio je Nobelovu nagradu za hemiju „za otkrivanje inertnih gasova i vazduhu“. Iste godine, nagradu za fiziku je dobio njegov saradnik Lord Rayleigh, za otkriće argona. Ramsey je izolovao argon, helijum, neon, kripton i ksenon. Čitavu karijeru je bezuspešno pokušavao da dobije zlato iz morske vode.
[7] Prilikom posleratne posete Moskvi, Tito se susreo sa dr Kapicom i napravili plan da se u Vični 1948. izgradi nuklearni institut, a na čelo je postavljen profesor fizičke hemije i akademik Pavle Savić, koji je pre rata radio sa nobelovkom Žolio-Kiri. Kapica je uskoro posetio Beograd i održan mu je prijem u beogradskom domu sindikata.
[8] Pošto prolazi kroz čvrste materijale triput lakše od vazduha, koristi se kao probni gas u visokovakumskoj opremi i sl.
[9] Nažalost, ne poznajem toliko dobro hemiju da bih znao kako se prevodi ova reč.
Od istog autora
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
