Гелий | Наука | Fandom

Элемент: гелий (Helium)

Химический символ: Нe

Порядковый номер: 2

Год открытия: 1868

Стандартная атомная масса: 4.002602

Температура плавления: 0.95 К (при 2.5 МПа)

Температура кипения: 4.222 К

Плотность при стандартных условиях: 0.1786 г/л

Скорость звука в гелии: 972 м/с (газ при 27 °C)

Число стабильных изотопов: 2

Кристаллическая решётка: гексагональная плотноупакованная

Если спросить, какой элемент самый космический, то придется честно ответить: «гелий». Мало того, что гелий, наряду с водородом, образовался в Большом взрыве (впрочем, значительная часть его образовывалась уже позже, в термоядерных реакциях в звездах), мало того, что он – один из двух элементов, которые астрофизики считают неметаллами (у тех, кто изучает звезды и галактики, все, что тяжелее водорода и гелия – металлы, будь то железо, будь то углерод с азотом), так это еще и единственный элемент, который был впервые открыт не на Земле. Но обо всем по порядку.

Началось все в 1868 году с путешествия Пьера Жюля Сезана Жансена в индийский город Гунтур. Жансен не был химиком и не был путешественником. Его манила жажда знаний о Солнце, а именно там 18 августа должно было состояться полное солнечное затмение. Погода не подвела – и астроном увидел солнечную корону, впервые исследовав ее спектр. Ему так понравилось, что он сумел настроить спектроскоп так, чтобы снимать спектр солнечной короны и просто при ярком солнце.

Пьер Жансен

Он ожидал увидеть (и увидел) в спектре Солнца линии хорошо известного водорода. Синяя, цвета морской волны и красная. Но кроме нее, ярко сияла еще одна – желтая. Натрий? Так подумал Жансен и сразу же написал свое письмо во Французскую академию наук.

Шли дни, недели, месяцы. Шло письмо. 20 октября уже британский астроном Норман Локьер догадался, что можно изучать спектр Солнца без затмения, и тоже увидел желтую линию с длиной волны 587,56 нм. Натрий? Но нет, у натрия длины волн линий D₁ (589,59 нм) и D₂ (588,99 нм) – другие. Значит, на Солнце мы видим новый, неведомый доселе элемент. Локьер тоже пишет спешное письмо в Париж – и оно… приходит на пару часов раньше письма Жансена. Впрочем, академики поделили приоритет меж учеными и даже постановили отчеканить медаль с изображениями Локьера, Жансена и Аполлона.

Однако на Земле гелий долго не попадался. Конечно, Луиджи Пальмьери вроде бы открыл в вулканических фумаролах (дымящихся трещинах на склонах вулкана) гелий, но именно что «вроде бы», так что никто ему не поверил. Интерес к гелию спадал – может быть, потому, что тогда еще не присуждали Нобелевских премий.

Луиджи Пальмьери

Гелий, пожалуй, можно считать рекордсменом среди элементов по Нобелевским премиям. Минимум пять премий в разное время оказались непосредственно связаны с этим простым веществом (и еще одна – с гелием как с элементом).

Пришлось ждать 1894 года и триумфа физика Джона Стретта, лорда Рэлея и химика Уильяма Рамзая из клана Рамзаев. В том году они открыли в воздухе инертный газ аргон, который никак не вписывался в периодическую систему элементов. Рэлей совершил открытие, заслужил «нобелевку» и отправился к себе в имение, заниматься физикой, а вот Рамзай почуял, что тема инертных газов никак не закрыта.

Уильям Рамзай

В конце года Рамзай узнал, что американский геолог Уильям Хиллебранд получил путем нагревания нескольких минералов газ. Хиллебранд считал, что он выделил азот. Рамзай взялся установить, есть ли в этом азоте аргон. Ведь это означало бы, что аргон входит не только в состав атмосферы, но и, как и кислород и азот, в состав земной коры. И начал работать с минералом клевеитом. Спектральный анализ выделенного газа показал, что в «минеральном» азоте есть гелий и следы аргона. Рамзай смог показать, что гелий, который впервые попал в руки ученых, такой же инертный газ, как и аргон. Он сделал вывод, что им открыта новая группа Периодической таблицы Менделеева. Но тогда, значит, должны быть и другие элементы. В итоге Дмитрию Ивановичу придется вводить новый столбец в свою таблицу, а Рамзай войдет в историю, как единственный человек, полностью заполнивший всю группу таблицы Менделеева – от гелия до радона.

Образец клевеита, из которого был получен первый земной гелий

Гелий оказался очень непростым простым веществом. Во-первых, никому поначалу не удавалось его сжижить – даже самому Джеймсу Дьюару. Только Хейке Камерлинг-Оннес, «господин абсолютный ноль» сумел добраться до температуры в четыре градуса Кельвина, получить жидкий гелий, попутно открыть сверхпроводимость и получить Нобелевскую премию по физике. Но и он сломался на твердом гелии – хотя и достиг температуры в 1 кельвин.

Хейке Камерлинг-Оннес

Первое сообщение о получении твердого гелия сделал ученик Оннеса Виллем Хендрик Кеезом, который сумел отвердить кубический сантиметр гелия, только добавив давление в 35 атмосфер и охлаждая сжимаемый гелий кипящим в вакууме жидким гелием же.

Кеезом же заметил и странное изменение в свойствах жидкого гелия. Вот как описывал это изменение наш соотечественник, сыгравший важнейшую роль в изучении гелия и получивший за это Нобелевскую премию, Петр Леонидович Капица:

«При температуре ожижения — 4 К — он представляет собой жидкость малого удельного веса, раз в пять легче воды, очень прозрачную, с очень малым коэффициентом преломления, вследствие чего его трудно видеть: нужно приноравливаться, чтобы заметить, наполнен ли сосуд жидким гелием или нет. Когда на жидкий гелий смотрят, на него падает свет и он непременно будет кипеть. То количество света, которое проходит через прозрачный дьюаровский сосуд и падает на него, сообщает ему достаточное тепло, чтобы привести его в состояние кипения. Но при дальнейшем понижении температуры все эти явления внешне пропадают. Поверхность гелия становится гладкой, как зеркало. Его еще труднее заметить, потому что по пузырькам вы его видите лучше».

Оказалось, что в этот момент происходит фазовый переход из гелия I в гелий II. Следующий шаг в изучении свойств гелия сделал именно Капица, получивший премию только в 1978 году за фундаментальное открытие и филигранный эксперимент. Капица продолжил эксперименты Кеезома. Вот как он сам описывал свое открытие:

«Распространение тепловых волн оказалось исключительно быстрым как раз там, где, казалось, меньше всего можно было бы ждать теплового движения. Кеезом нашел, что жидкий гелий сверхтеплопроводен.
Мы заинтересовались этим явлением. Нам показалось, что, может быть, это ошибка. Но я повторил опыты Кеезома и получил еще большие значения теплопроводности, чем сам Кеезом. Можно было показать, что такое количество тепла, которое фактически переносилось, лежит за пределами физических возможностей, что тело ни по каким физическим законам не может переносить больше тепла, чем его тепловая энергия, помноженная на скорость звука. А скорость звука в гелии известна — она равна 250 м/с.
С помощью обычного механизма теплопроводности тепло не могло переноситься в таком масштабе, как это наблюдалось. Надо было искать другое объяснение. И вместо того, чтобы объяснить перенос тепла теплопроводностью, т.е. передачей энергии от одного атома к другому, можно было объяснить его более тривиально – конвекцией, переносом тепла в самой материи. Не происходит ли дело так, что нагретый гелий движется вверх, а холодный опускается вниз, благодаря разности скоростей возникают конвекционные токи, и таким образом происходит перенос тепла. Но для этого надо было предположить, что гелий при своем движении течет без всякого сопротивления. У нас уже был случай, когда электричество двигалось без всякого сопротивления по проводнику. И я решил, что гелий так же движется без всякого сопротивления, что он является не сверхтеплопроводным веществом, а сверхтекучим.
Были сделаны эксперименты измерения вязкости — величины, обратной текучести. Чтобы гелий был сверхтекучим, необходимо, чтобы его вязкость была мала. Для того чтобы измерить такую малую вязкость, нужно было придумать исключительно тщательную технику эксперимента. Оказалось, что нужно пропускать гелий не в капилляре, а через щель, ширина которой равна долям микрона. Если бы гелий легко протекал через такую щель, он был бы сверхтекучим. Оказалось, что через эти тонкие щели гелий протекает так же легко, как и через большие отверстия. Есть формула Бернулли, в которую не входит вязкость, применимая к идеальной жидкости. Гелий оказался такой идеальной жидкостью. Можно было обнаружить только предел вязкости 10^-11 П. Если вязкость воды равняется 10^-2 П, то это в миллиард раз более текучая жидкость, чем вода. И при этом наши измерения были лишь техническим пределом, за которым гелий мог быть еще менее вязким».

Оказалось, что в этом состоянии гелий способен самостоятельно выбираться по стенкам из емкости и просачиваться в самую тонкую щель.

Сверхтекучий гелий

И тут нужно сделать лирическое отступление. Верно говорят, что для того, чтобы получить «нобелевку», мало сделать великое открытие, нужно еще и жить достаточно долго. Говорят, что Нильс Бор трижды номинировал Капицу на премию, но безуспешно, а Лев Ландау получил премию за объяснение сверхтекучести гелия задолго до Капицы. Еще стоит отметить и то, что премию Петр Леонидович получил ровно через 40 лет после статьи в Nature о сверхтекучести. Два других исследователя, открывших сверхтекучесть независимо от Ландау, Аллен и Майзнер, продолжившие его работы в Мондовской лаборатории и опубликовавшие результаты своих исследований в том же номере журнала, до премии просто не дожили. Потом он потроллит Нобелевский комитет в Нобелевской лекции, заявив, в переводе на смысл: «Ребятки, я 40 лет ждал премии и уже давно забыл все про сверхтекучесть, да мне это и неинтересно. Поэтому слушайте про термоядерный синтез!».

Петр Капица

Так что давайте посчитаем: премии по химии 1904 года (Рамзай), по физике1913 года (Камерлинг-Онесс), 1978 года (Капица) – про них мы говорили подробно, а также премия 1962 года Льву Ландау – за работы по теории сверхтекучего гелия, премия 1996 года – американцам Дэвиду Ли, Дугласу Ошерову и Роберту Ричардсону за открытие сверхтекучести изотопа гелий-3, а также премия 2003 года «нашим» Алексею Абрикосову и Виталию Гинзбургу и англо-американцу Энтони Легетту – снова за работы по сверхтекучим жидкостям и сверхпроводимости. Неплохо для элемента, который до самого последнего времени вообще не вступал ни в какие реакции.

Впрочем, применение гелию всегда находилось. Во-первых, это, естественно, работы по сверхпроводимости – только жидкий гелий может охладить до нужных температур большинство сверхпроводников. Поэтому чуть ли не половина современной добычи гелия идет на охлаждение магнитов томографов МРТ. А вот в 1920-х годах основное применение гелия было совсем другим: им наполняли дирижабли. В США гелий, как более безопасный, чем водород, газ, был признан специальным актом 1925 года стратегическим сырьем. Кстати, любопытный факт: почти весь гелий в нашей атмосфере и в земной коре – не «солнечный», а чисто земной. Атмосферные запасы пополняются распадом урана-238.

Крупнейший американский дирижабль “Акрон”, наполненный гелием

Наконец, нужно не забывать, что впервые выделенные Резерфордом альфа-частицы – это ядра гелия. Так что гелий в виде ядер активно служит как науке, так и медицине: альфа-источники радиации очень ценны в лечении рака.

Ну и напоследок нужно сказать, что уже в XXI веке «благородность» гелия таки удалось сломать. И сделала это группа нашего соотечественника Артема Оганова, который создал алгоритм предсказания новых химических веществ USPEX.

«У меня необычный аспирант из Китая — Дун Сяо, он получил правительственную стипендию и работал в моей лаборатории два года, — рассказывал корреспонденту издания Indicator.Ru Артем Оганов об истории этого открытия. — Я тогда еще жил и работал в Америке. Это очень талантливый и необычно мыслящий человек. Он увлекся развиваемой нами идеей о том, что под давлением химия выходит за рамки привычного и образуются соединения, которых в рамках классической химии быть не должно. Одно из традиционных утверждений состоит в том, что гелий не образует устойчивых химических соединений, и Дун Сяо решил это проверить. Я ему посоветовал начать с самых электроотрицательных элементов — фтора и кислорода. Фтор образует устойчивые соединения с другим инертным газом, ксеноном, уже при обычных давлениях. Но оторвать электроны у гелия оказалось гораздо сложнее, чем у ксенона, и устойчивых соединений гелия с фтором не оказалось даже при очень высоких давлениях. На этом можно было поставить точку, и я сказал Сяо, что гелий, видимо, действительно не образует устойчивых соединений ни с какими элементами, и можно переключиться на другие исследования. Как выяснилось позже, Сяо меня не послушал. Мой аспирант оказался упрямым и, не говоря мне ни слова, стал пробовать атомы разных металлов. Перепробовав множество элементов и не найдя никаких стабильных соединений с гелием при экспериментально достижимых давлениях, спустя месяц он дошел до натрия. Его расчеты показали, что при не очень высоких давлениях должно быть стабильным соединение состава Na₂He».

Предсказания аспиранта Оганова подтвердили экспериментаторы. О получении первого «настоящего» соединения гелия сообщили в журнале Nature Chemistry.

Артем Оганов

Как сообщает первый соавтор исследования, Сяо Дун, который во время проведения работы был аспирантом в лаборатории Артема Оганова, «открытое соединение весьма необычно: хотя атомы гелия напрямую не участвуют в химической связи, их присутствие фундаментально меняет химические взаимодействия между атомами натрия, способствуя сильной локализации валентных электронов, что делает полученный материал изолятором».

Структура соединения натрия и гелия

Кто знает, может быть когда-нибудь и «нобелевка» Оганова пополнит набор «гелиевых премий»?

На этом история изучения гелия не заканчивается. В мае 2022 года планетарный гелий вышел за пределы Солнечной системы: астрономы зарегистрировали выбросы гелия из атмосферы экзопланеты WASP-107b. Это первый случай обнаружения второго элемента таблицы Менделеева в атмосфере экзопланеты. Об открытии ученые рассказали в статье, появившейся на страницах журнала Nature.

Как водится с любым химическим элементом, о гелии можно продолжать и продолжать рассказывать. Можно говорить о гелии в составе дыхательных смесей для астронавтов (и о том, как смешно коверкает голос гелий за счет того, что в нем скорость звука втрое больше, чем в воздухе). Можно – о гелии-3 как потенциальном топливе для термоядерных электростанций. О многом можно… Но мы найдем в себе силы поставить точку – и начать готовить материал об элементе номер три.

Текст: Алексей Паевский