Heli
Lịch sử
Phát minh ra chất Hêli giống như một câu chuyện trinh thám khoa học.
Năm 1886, nhà bác học người Anh là ông Norman Lokier đã dùng kính quang phổ để nghiên cứu Mặt trời. Thiết bị này cho phép phát hiện các nguyên tử khác nhau, vì mỗi một nguyên tố hoá học tương đương với một vạch trên quang phổ.
Ông đã phát hiện ra một vạch lạ, và nó chỉ có thể ứng với một nguyên tử hoàn toàn mới từ trước đến nay. Và người ta đã đặt tên cho nguyên tử này là heli, theo tiếng Hy Lạp có nghĩa là “mặt trời”.
Sau đó, các nhà khoa học đã bắt tay vào việc tìm kiếm nguyên tử này trên mặt đất. Kết quả của nhiều nghiên cứu khoa học cho thấy, chất Heli có trong bầu khí quyển của chúng ta. Nhưng lượng heli ít đến nỗi trong số 247.350 m 3không khí chỉ vẻn vẹn có 1 m 3heli.
Các công trình nghiên cứu khác đã xác định thêm một điều khác rằng, heli có thể tách ra từ phóng xạ và trong quá trình này hình thành những hạt alpha, nguyên tử heli có tốc độ chuyển động cực lớn.
Thuộc tính
Heli có điểm sôi thấp nhất trong tất cả các nguyên tố và chỉ có thể đông đặc dưới áp suất rất cao. Nguyên tố này thường thường là khí đơn nguyên tử và về mặt hoá học nó là trơ .
Sự phổ biến
Heli là nguyên tố nhiều thứ hai trong vũ trụ, sau hyđrô . Trong khí quyểnTrái Đất mật độ heli theo thể tích là 5,2 x 10 -6tại mực nước biển và tăng dần đến độ cao 24 km, chủ yếu là do phần lớn heli trong bầu khí quyển Trái Đất đã thoát ra ngoài khoảng không gian vũ trụ vì tỷ trọng thấp và tính trơ của nó. Có một lớp trong bầu khí quyển Trái Đất ở độ cao khoảng 1.000 km mà ở đó heli là chất khí chủ yếu (mặc dù tổng áp suất gây ra là rất nhỏ).
Heli là nguyên tố phổ biến thứ 71 trong vỏ Trái Đất, chiếm tỷ lệ 8 x 10 -9, còn trong nước biển chỉ có 4 x 10 -12. Nói chung, nó hình thành từ sự phân rã phóng xạ của các nguyên tố , do vậy người ta có thể tìm thấy heli trong các mỏ khoáng chất chứa urani ,thoriv.v và trong vài loại nước khoáng cũng như khí phun trào núi lửa. Heli tồn tại trong nhiều loại khí tự nhiên .
Đồng vị
Có 8 đồng vị của heli, nhưng chỉ heli-3 và heli-4 là bền . Trong khí quyển Trái Đất , trong một triệu nguyên tử 4 Hecó một nguyên tử 3 He. Không giống như các nguyên tử khác, sự phổ biến của các đồng vị heli thay đổi tùy theo nguồn gốc, do các quá trình hình thành khác nhau. Đồng vị phổ biến nhất, heli-4, được tạo ra trên Trái Đất từ phân rã anpha của các nguyên tố phóng xạ nặng hơn; các hạt anpha sinh ra bị ion hóa hoàn toàn hạt nhân heli-4. Heli-4 là hạt nhân ổn định bất thường do các nucleon được sắp xếp vào lớp vỏ đầy đủ .
Heli-3 có chỉ có mặt trên Trái Đất ở dạng vết; đa số trong đó có từ lúc hình thành Trái Đất, mặc dù một số rơi vào Trái Đất trongbụi vũ trụ. Một lượng vết cũng được tạo ra từphân rã betacủatriti. Các đá trong vỏ Trái Đất có các tỉ lệ đồng vị thay đổi khoảng 1/10, và các tỉ lệ này có thể được dùng để khảo sát nguồn gốc của các đá và thành phầnlớp phủcủa Trái Đất. 3 Hephổ biến hơn trong các ngôi sao ở dạng sản phẩm củaphản ứng tổng hợp hạt nhân. Do đó trongmôi trường liên sao, tỉ lệ 3 Heso với 4 Hecao khoảng 100 lần so với trên Trái Đất. Các vật liệu ngoài hành tinh như tầng phong hóa của mặt trăng và tiểu hành tinh có heli-3 ở dạng vết, chúng được hình thành từ sự bắn phá củagió Mặt Trời. Bề mặtMặt Trăngchứa heli-3 với nồng độ 0.01 ppm. Một số người, đầu tiên là Gerald Kulcinski năm 1986, [đã đề xuất thám hiểm mặt trăng, khai thác lớp phong hóa mặt trăng và sử dụng heli-3 trong phản ứngtổng hợp hạt nhân .
Heli-4 hóa lỏng có thể được làm lạnh ở khoảng 1 kelvin bằnglàm lạnh bay hơitrong1-K pot. Cách làm lạnh tương tự cũng áp dụng cho heli-3, đồng vị này có điểm sôi thấp hơn nên có thể lạnh ở 0,2 kelvin tronghelium-3 refrigerator. Hỗn hợp cân bằng của 3 Hevà 4 Helỏng dưới 0,8 K tách thành hai pha không trộn lẫn do sự khác biệt của chúng (chúng tuân theo cácthống kê lượng tửkhác nhau: các nguyên tử heli-4 tuân theobosontrong khi heli-3 tuân theofermion).( Dilution refrigeratorsuse this immiscibility to achieve temperatures of a few millikelvins.)
Nó có thể tạo ra cácđồng vị heli ngoại lai, mà chúng có thể phân rã nhanh chóng thành các chất khác. Đồng vị heli nặng tồn tại ngắn nhất là heli-5 cóchu kỳ bán rã7,6×10 –22giây. Heli-6 phân rã bằng cách phát rahạt betavà có chu kỳ bán rã 0,8 giây. Heli-7 cũng phát ra hạt beta cũng nhưtia gamma. Heli-6và heli-8 được tạo ra trong cácphản ứng hạt nhânnhất định. Heli-6 và heli-8 thể hiện là mộtnuclear halo. Heli-2 (2 proton, không có neutron) là mộtđồng vị phóng xạphân rã bằng phát xạ proton thànhproti(hydro), có chu kỳ bán rã 3×10 –27giây.
Ứng dụng
Heli được dùng để đẩy cácbóng thám khôngvàkhí cầunhỏ do tỷ trọng riêng nhỏ hơn tỷ trọng của không khí và như chất lỏng làm lạnh chonam châm siêu dẫn.
Đồng vị Heli-3 có nhiều trong gió mặt trời nhưng mà phần lớn chúng bị từ trường của trái đất đẩy ra. Người ta đang nghiên cứu khai thác Heli-3 trên mặt trăng để sử dụng như một nguồn năng lượng rất tiềm năng.
Heli là một chất khí rất có ích. Chất này rất nhẹ và có lực nâng lớn. Vì nó là một chất không dễ cháy, người ta hay sử dụng heli trong các khí cầu máy dùng trong quân sự cũng như dân dụng hoặc trong các vùng khí tượng.
Biết rõ về ý nghĩa của heli, chính phủ Mỹ đã tiến hành tìm kiếm các nguồn tự nhiên của chất này. Tại một số vùng của Mỹ, ví dụ ở bang Tê-xát, Niu Mê-hi-cô và Kan-sas, người ta đang khai thác khí thiên nhiên. Trong khí này có chứa 1-2% heli.
Mỹ là nước duy nhất trên thế giới có đủ heli vì ngoài khí thiên nhiên ra, không còn nguồn nào khác để chế xuất ra chất này cả. Hồi đầu, giá của một mét khối heli là 70.000 đô la Mỹ, nhưng hiện nay người ta mua nó với giá rẻ hơn nhiều.
Heli còn được sử dụng rộng rãi trong ngành y. Nó có tác dụng rất tốt với những người mắc bệnh hen suyễn. Ngoài ra, những người thợ lặn và những người làm việc dưới các độ sâu lớn thường dùng một chất hỗn hợp bao gồm heli và oxy để tránh một căn bệnh có tên là “bệnh khí ép”.
