Гелий

Газоразрядные трубки с гелием

2	Гелий
He 4,002602 ± 2,0E-6
1s2

Ге́лий (лат. Helium; обозначается символом He) — химический элемент 18-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы VIII группы), первого периода периодической системы Д. И. Менделеева, имеет атомный номер 2. Возглавляет группу инертных газов. Как простое вещество представляет собой инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха.

По распространённости во Вселенной гелий занимает второе место после водорода и является вторым по лёгкости, также после водорода, химическим веществом. Его температура кипения — самая низкая среди всех известных веществ. Гелий добывается из природного газа процессом низкотемпературного разделения — так называемой фракционной перегонкой. Слово гелий происходит греч. ἥλιος — «Солнце». Любопытен тот факт, что в названии элемента было использовано характерное для металлов окончание «-ий» (на лат. «-um» — «Helium»), так как открывший его в солнечном спектре Локьер предполагал, что открытый им элемент является металлом. По аналогии с другими благородными газами логично было бы дать ему имя «гелион» («Helion»). В современной науке название «гелион» закрепилось за ядром лёгкого изотопа гелия — гелия-3.

Гелий в научной и научно-популярной литературе

Но, кроме этого, теория объяснила и много других особенностей, замечаемых у «простых» веществ, показав, между прочим, и то, что вопрос об их превращении одних в другие вовсе не такая неразрешимая задача, как большинство думает в настоящее время; что посредством специально приспособленных методов и приборов можно расчленить современный гелий на полуатомы и, присоединив их к атомам большинства обычных «простых» веществ, преобразовать их в новые, несколько более тяжелые и с другими свойствами. Правда, что ввиду чрезвычайной трудности получения чистого гелия, хотя бы и в очень малых количествах, такие опыты должны обходиться необыкновенно дорого, а потому не могут иметь никакого промышленного значения. <...> Помнишь, я говорил вам не раз, что моя теория строения вещества предсказывает как совершенно необходимую вещь, что в состав современных металлов и металлоидов входят гелий, водород и еще третий, до сих пор не исследованный элемент, свойства которого я указывал. И что же? Почти все это теперь уже подтвердилось опытами и наблюдениями английских и американских ученых! Присутствие структурного водорода в атомах металлов указано английским астрофизиком Локьером путем спектроскопического исследования некоторых звезд, где металлические пары отчасти разложились от страшно высокой температуры; а гелий и еще какой-то новый неизвестный газ оказались постоянно выделяющимися из недавно открытого металла радия и потому должны присутствовать и в остальных металлах. Поэтому можно сказать с уверенностью, что через несколько лет пребывания здесь мои работы будут лишь запоздалыми пророчествами о таких предметах, которые сделаются общепризнанными.

— Николай Морозов, «Письма из Шлиссельбургской крепости», 1903

Всякое излучение, видимое или невидимое, представляет из себя некоторую потерю энергии; следовательно принцип относительности Эйнштейна нам говорит что масса какого нибудь тела, излучающего тепловые, видимые или ультра-фиолетовые лучи ― уменьшается; если мы следовательно предположив, что когда-то, давно, различные элементы, азот, кислород, медь, свинец, золото и т. д. образовались из соединения элементарных атомов водорода и гелия, то с тех пор происходило постоянное излучение энергии и масса этих элементов должна была уменьшиться; вот почему атомные веса различных элементов не равны точно целым числам, а имеют значения, близко лежащие к целым числам. Мы можем из атомного веса узнать историю происхождения элементов. Эта гипотеза происхождения элементов, построенная знаменитым французским физиком Ланжевеном, получила в этом году замечательное подтверждение в опытах английского физика Рутерфорда, которому удалось показать, что под влиянием х-лучей азот распадается на водород и гелий.

— Виктор Анри, «Современное научное мировоззрение», 1919

Уран, как и радий, и другие промежуточные продукты между ураном и свинцом, при своих превращениях выделяют быстро движущиеся, так называемые, α-лучи, рассматриваемые ныне, как атомы или, вернее, атомные ядра гелия. Таким образом, уран распадается на свинец и гелий, частички гелия отличаются от обыкновенных атомных ядер гелия лишь своей большой скоростью; α-лучи, т. е. , быстро движущиеся частицы гелия, задерживаясь в своем движении различными субстанциями, нагревают последние. И, действительно, вскоре после открытия радия было замечено, что все препараты, содержащие радий, всегда обладают немного более высокой температурой, чем соответствующие элементы. Мы, таким образом, видим, что при распаде урана на другие радиоактивные вещества постоянно образуются свинец и гелий, и что при этом по мере того, как быстро движущиеся частицы гелия задерживаются, выделяется тепло. Благодаря чувствительным радиоактивным методам, можно определить число частичек гелия, выделяемых одним граммом урана в течение года, а также скорость этих частичек и, таким образом, то количество гелия, которое в течение года производит один грамм урана, и выделяющееся количество теплоты. Таким образом, установили, что из одного грамма урана в течение 10 милл. лет образуется лишь один кубический сантиметр гелия и что количество выделяемой теплоты могло бы заставить кипеть 7 литров воды. Под таким углом зрения любой урановый минерал, содержащий все продукты распада урана, радий и некоторые количества свинца и гелия, представляет собою также и постоянный источник теплоты. Сказанное относится и к ториевым минералам.

— Макс Блох, «Значение радиоактивности для космических процессов», 1923

Попытка доказать при помощи спектрального анализа присутствие радия на солнце до сих пор не увенчалась успехом, с другой стороны, солнце, если оно происходит из того же первичного вещества, как и земля, должно содержать встречающиеся на земле радиоактивные элементы. Большое количество гелия, наблюдаемого на солнце (как известно, гелий впервые был найден спектральным анализом в составе солнца до того, как Рамзай его открыл в урановых минералах), говорит за нахождение радиоактивных веществ на солнце, и некоторые явления в атмосфере заставляют нас принять внеземную радиоактивность. Находящиеся на поверхности земли радиоактивные вещества посылают лучи, проникающие в окружающую атмосферу, как это доказано измерением ионизации; это излучение само собой должно уменьшаться с увеличением расстояния от поверхности земли, но исследования показали, что это уменьшение начинается лишь выше 700 метров над поверхностью земли и наступает сначала медленно, затем замечается более быстрое увеличение интенсивности излучений и уже на высоте 1.600 метров сила излучения та же, что и на земле, а с высотой 4.000 метров начинается очень быстрое увеличение излучения, которое наблюдается до высоты в 9.000 метров, на которой излучение почти в 6 раз больше, чем на поверхности земли. Ясно, что происхождение этих излучений, в 7 раз более сильных, чем γ-лучи известных нам радиоактивных элементов, не земного, а космического происхождения.

— Макс Блох, «Значение радиоактивности для космических процессов», 1923

Уран после ряда промежуточных ступеней дает радий, а последний через ряд промежуточных продуктов превращается в свинец. Из одного килограмма урана приблизительно лишь в 10 миллионов лет образуется один грамм свинца. Уран, как и радий, и другие промежуточные продукты между ураном и свинцом, при своих превращениях выделяют быстро движущиеся, так называемые, α-лучи, рассматриваемые ныне, как атомы или, вернее, атомные ядра гелия. Таким образом, уран распадается на свинец и гелий, частички гелия отличаются от обыкновенных атомных ядер гелия лишь своей большой скоростью; α-лучи, т. е. И, действительно, вскоре после открытия радия было замечено, что все препараты, содержащие радий, всегда обладают немного более высокой температурой, чем соответствующие элементы. Мы, таким образом, видим, что при распаде урана на другие радиоактивные вещества постоянно образуются свинец и гелий, и что при этом по мере того, как быстро движущиеся частицы гелия задерживаются, выделяется тепло. Под таким углом зрения любой урановый минерал, содержащий все продукты распада урана, радий и некоторые количества свинца и гелия, представляет собою также и постоянный источник теплоты.

— Макс Блох, «Значение радиоактивности для космических процессов», 1923

	При описанных нами преобразованиях астрономических единиц вся материя не только перемещается (или перемешивается), но непрерывно простые тела превращаются в сложные и обратно. Я хочу сказать, что золото, свинец и другие элементы превращаются в водород и гелий, и обратно ― водород, гелий и другие простые тела, с малым атомным весом, ― в золото, серебро, железо, алюминий и т. д.
	— Константин Циолковский, «Монизм Вселенной», 1931

Что же обнаружили Жансен и Локьер в спектре солнечных выступов? Прежде всего им обоим бросились в глаза яркие линии водорода: красная, зелено-голубая и синяя. Но, кроме этих трех линий, в спектре оказалась еще одна линия — желтая. Что значит эта линия, ни Жансен, ни Локьер никак не могли понять. Она расположена довольно близко от того места спектра, где должна была бы лежать желтая линия натрия. Близко, но не совсем в том месте, — значит, это не натрий. Откуда же эта линия? Ни одно из веществ, известных химикам того времени, не имело ее в своем спектре. Жансен и Локьер долго размышляли и наконец пришли к выводу, что неизвестная линия, которую они назвали линией D3, принадлежит какому-то особому небесному веществу. Очевидно, на Земле его нет, оно существует только на Солнце, за полтораста миллионов километров от нас. И поэтому Локьер решил назвать новое, найденное на Солнце вещество именем самого Солнца — «гелий». «Гелиос» — по-гречески это и значит Солнце. Вещество было названо, но о свойствах его пока еще не было известно ровно ничего. Астрономы высказывали только догадку, что гелий, вероятно, очень легкий газ. Ведь когда на солнечной поверхности происходят извержения, то восходящий поток газов захватывает и уносит на огромную высоту только самые легкие вещества.

— Матвей Бронштейн, «Солнечное вещество», 1936

В звездах происходит, по выражению физиков, ядерное горение водорода, а гелий — это зола, остающаяся после сгорания. Однако гелиевая зола сильно отличается от обычной. Обычную выгребают из печки и выбрасывают, а гелиевая идет в дело: в звездной печи ядра гелия тоже могут сливаться, образуя постепенно другие, все более и более тяжелые элементы. Реакцию ядерного слияния можно назвать алхимической, потому что в средние века алхимики пытались превратить одни химические элементы в другие. Больше всего им, правда, хотелось научиться делать золото. Сейчас, однако, ясно, что ядерная алхимия способна давать нечто поважнее золота — например, энергию.

— Матвей Бронштейн, «Солнечное вещество», 1936

Рамзай взял 15 литров аргона, запер их в стеклянный баллон, а баллон погрузил в полученный от Хэмпсона жидкий воздух. Аргон сильно охладился и тоже стал жидким. Тогда Рамзай принялся медленно выпаривать его. Первые пузырьки пара он перевел в спектроскопическую трубочку и пропустил через нее ток. Газ в трубочке загорелся оранжево-красным огнем. Когда Рамзай стал смотреть в спектроскоп, он увидел множество ярких оранжевых линий. Эти линии лежали в спектре на тех местах, где не горят линии ни одного из веществ, известных химикам раньше. Значит, Рамзаю опять удалось найти какой-то, до той поры неведомый газ. Рамзай сразу же придумал для нового газа имя. Он решил назвать его неоном. Неон — по-гречески значит «новый». Но в спектре были не только незнакомые линии нового газа неона. Рядом с ними горела и желтая линия. Она была тусклой, но все же Рамзай ее заметил. Он точно измерил ее положение в спектре. Сомнений у него больше не оставалось. Это была желтая линия D3, спектральная линия гелия. Значит, все-таки Рамзай оказался прав. Гелий — таинственный солнечный газ — и в самом деле содержится в воздухе. Вместе с воздухом он окружает нас со всех сторон и входит в наши лёгкие.

— Матвей Бронштейн, «Солнечное вещество», 1936

Радиоактивность, выделение теплоты, образование гелия и эманации, спонтанный распад... Как далеко мы ушли от теорий инертной материи, неизменного атома! Каких-нибудь пять лет тому назад ученые еще верили, что Вселенная состоит из вполне определенных тел, из неизменных элементов. А теперь оказывается, что частицы радия каждую секунду выталкивают из самих себя атомы гелия и выбрасывают их в пространство с огромной силой. Этот микроскопический и страшный взрыв Мари назовет «катаклизмом ядерного превращения»; остаток же его представляет собой атом эманации радия, который превратится в другое радиоактивное вещество, а оно, в свою очередь, претерпит распад.

— Ева Кюри, «Мария Кюри», 1937

Так вот, обнаружилась потрясающая вещь: оказалось, что жидкий гелий обладает чрезвычайной теплопроводностью. Теплопроводность меди и серебра мала по сравнению с теплопроводностью, которая наблюдалась там. Кеезом нашел, что жидкий гелий сверхтеплопроводен. Мы заинтересовались этим явлением. 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. Казалось бы, установив сверхтекучесть гелия, можно было таким образом объяснить все явления конвекции.

— Пётр Капица, «Свойства жидкого гелия», 1944

...Они нашли, что если бульбочку наполнить наждаком, опустить в гелий и осветить светом, то гелий начинает фонтанировать. Появляется фонтан до 20 см высотой. Была взята маленькая колбочка с нагревателем; она была помещена в гелий и обнаружилось, что при нагревании гелия в колбочке поток жидкости вырывался наружу, в окружающий гелий. Если перед выходом колбочки подвесить маленькую заслонку, то ее отбрасывает в сторону, т. е. жидкость на нее оказывает давление. Можно было думать, что как-то со стороны вливается гелий. Этого не оказалось. Для того, чтобы посмотреть, насколько обратимо это явление, было сделано два сообщающихся сосуда, причем в одном гелий был выше, чем в другом, ― мы дали ему перетекать. Оказывается, при этом установилась разность температур. Таким образом, мы установили, что если гелий течет внутри капилляра, то от более нагретого к более холодному телу образуется поток, а при заданных уровнях в одном месте температура будет повышаться (там, куда втекает гелий) и в другом ― откуда он вытекает ― понижаться. Насколько совершенно переходило тепло в работу? Следовательно, мы приходим к интересному методу получения низких температур: мы можем перекачивать гелий через очень тонкий капилляр и получать понижение температуры. Теоретически, как я дальше скажу, мы можем получать температуру сколько угодно низкую, близкую к абсолютному нулю (без возможности когда бы то ни было достигнуть его). Как же теоретически объяснить, что гелий может вытекать из сосуда, не втекая в него, образуя такую бездонную бочку? Как теоретически можно себе представить, что при разности температур тепло обратимо переходит в движение? Гелий в сверхтекучем состоянии состоит из двух частей, представляя собой как бы раствор одной жидкости в другой. Одна составляющая гелия ― это гелий, находящийся при температуре абсолютного нуля, т. е. во вполне упорядоченном состоянии. А другая его часть ― это гелий, каким он обычно бывает, когда конденсируется. С понижением температуры меняется пропорция одного гелия по отношению к другому.

— Пётр Капица, «Свойства жидкого гелия», 1944

По химическому составу звёзды, как правило, представляют собой водородные и гелиевые плазмы. (Плазмой называется ионизованный газ, в каждом элементе объема которого находится одинаковое количество электронов и положительных ионов.) Остальные элементы присутствуют в виде сравнительно незначительных «загрязнений». Средний химический состав наружных слоев звезды выглядит примерно следующим образом. На 10 тыс. атомов водорода приходится 1000 атомов гелия, 5 атомов кислорода, 2 атома азота, один атом углерода, 0,3 атома железа. Относительное содержание других элементов еще меньше. Хотя по числу атомов так называемые «тяжелые элементы» (т. е. элементы с атомной массой, большей, чем у гелия) занимают во Вселенной весьма скромное место, их роль очень велика. Прежде всего они в значительной степени определяют характер эволюции звезд, так как непрозрачность звездных недр для излучения существенно зависит от содержания тяжелых элементов. В то же время светимость звезды, как оказывается, тоже зависит от ее непрозрачности.

— Иосиф Самуилович Шкловский, «Вселенная, жизнь, разум», глава 2. «Основные характеристики звезд», 1962

Другое важное свойство гелия как заменителя азота ― прочность и компактность его молекул. Есть все основания считать, что в гелио-кислородной среде опасность наведенной радиации практически исключена. Растворимость гелия в крови, моче, лимфе и особенно жирах намного меньше, чем азота. Это уменьшает опасность декомпрессионных расстройств при резких перепадах давления. Не случайно гелио-кислородные смеси стали надежным средством профилактики кессонной болезни и дали большой выигрыш во времени при подъеме водолазов. И, плюс ко всему, гелий намного легче азота. Данные многих опытов на животных и с участием человека были за гелиевый воздух. Но все опыты на людях были кратковременны. Как скажется на человеке действительно долгое пребывание в гелио-кислородной среде? <...> Высокая теплопроводность гелия сдвинула зону температурного комфорта. В условиях обычного воздуха эта зона ― от 18 до 24° C. В «гелиевом» воздухе ― от 24,5 до 27,5° C днем, когда испытатель бодрствует, и 26-29°C ночью. В дальнейшем опыт проходил в условиях комфортных температур. Все дни ни на минуту не прекращались наблюдения, брались различные пробы, но никаких существенных отклонений в самочувствии, поведении, работоспособности испытателя, кроме тех двух, что были замечены в самом начале опыта, обнаружить не удалось. Главным недостатком «гелиевого» воздуха оказалась все та же повышенная теплопроводность. В условиях разогрева оболочки корабля гелиевый воздух может не охлаждать, а перегревать организм (при температуре среды выше 36-37°C). При меньших же температурах вентилировать космический скафандр гелиевым воздухом технически выгоднее, чем обыкновенным.

— Владимир Станцо, «Чем дышать космонавтам?» 1966

Гелий в беллетристике

В седьмом этаже при помощи жидкого воздуха мы добываем жидкий водород, имеющий температуру всего двадцать градусов выше абсолютного нуля. А при помощи жидкого водорода мы превращаем в жидкое состояние гелий. Это самое трудное и сложное производство. Весь восьмой этаж отведен под жидкий гелий ― очень ценный продукт. Мы имеем его уже несколько сот тысяч литров. ― Но куда же идет вся эта гигантская продукция?! ― Мы не интересуемся коммерческими операциями мистера Бэйли, ― ответила Элеонора, повторяя слова, уже слышанные мною от ее отца.

— Александр Беляев, «Продавец воздуха», 1929

Иногда ― утром, по дороге в институт, и во время вечерней прогулки, и вот сегодня ночью, когда он думал о своей работе, ― его охватывало чувство счастья, смирения и восторга. Силы, наполняющие Вселенную тихим светом звёзд, высвобождались при превращении водорода в гелий… За два года до войны два молодых немца расщепили нейтронами тяжёлые атомные ядра, и советские физики в своих исследованиях, придя другими путями к сходным результатам, вдруг ощутили то, что сто тысяч лет назад испытал пещерный человек, зажигая свой первый костёр… Конечно, в двадцатом веке главное направление определяет физика…

— Василий Гроссман, «Жизнь и судьба», Часть 1, 1960

И могло показаться, что все очень просто: выделить, разделить, взвесить, измерить… Но аргона ничтожно мало в минералах. За ним увязывается его близнец, такой же инертный газ ― гелий. Мешает и воздух, от которого нелегко избавиться, а ведь в нем тоже есть аргон. Оставлять его нельзя ― часы будут врать. К счастью, аргон атмосферный ― другой изотоп, с другим атомным весом. В минерале запрятаны ― хотя и в микроскопических дозах ― азот и водород, углекислый газ и водяные пары, гелий и аргон. До конца пути должен дойти только последний, остальные надо отсеять. И минерал плавят в почти полной пустоте, при давлении всего в одну десятимиллионную долю атмосферы.

— Борис Ляпунов, «Неоткрытая планета», 1963

Академик Пётр Леонидович Капица, инженер по образованию, учёный по натуре, представлялся наиболее авторитетным судьей моей работы. В нем самом каким-то счастливым образом сочетался изобретатель и исследователь, практик и теоретик, конструктор и экспериментатор… Капица нашел способ создавать сверхсильные магнитные поля и разработал методику их точного измерения. Он установил новые законы изменения сопротивления многих металлов в магнитном поле и показал связь этого явления со сверхпроводимостью. Он сконструировал машину для сжижения газов и сделал гелий доступным для всех лабораторий. Он открыл сверхтекучесть гелия. Он сконструировал турбодетандер ― машину, легко приготовляющую жидкий воздух, что имеет огромное практическое значение.

— Лев Гумилевский, «Судьба и жизнь», 1969

Гелий в стихах

	Как сгусток магических зелий, Из тусклых хрусталиков глаз Кометой свой пламенный газ Всё мечет стремительный гелий, И в радугах солнечных тлений Летучей материей ран Свечусь я ― стеклянный экран Бесшумных твоих излучений.
	— Михаил Зенкевич, «Как сгусток магических зелий...», 1911

	Серый жесткий дирижабль ночь на туче пролежабль, плыл корабль среди капель и на север курс держабль. Гелий ― лёгкая душа, ты большая туча либо сталь-пластинчатая рыба, дирижабрами дыша.
	— Семён Кирсанов, «Глядя в небо», 1934

	Так выгреби из своего ядра весь водород, и докажи свой гений, и преврати его в горящий гелий, и начинай меня сжигать с утра!
	— Семён Кирсанов, «Перед затмением» (из цикла «На былинных холмах), 1965

	Что, монашек, глядишь с недоверием? Видно заживо, намертво, начисто надышался ворованным гелием ― вот и кашляешь вместо акафиста, дожидаешься золота с голодом, долота, волнореза железного ― не знаком с астероидным холодом или вспышкой костра бесполезного.
	— Бахыт Кенжеев, , «Черно-белое, сизое, алое...», 2003

См. также

• Водород
• Химические элементы
• Неон
• Аргон
• Химия
• Дирижабль
• Воздушный шар
• Солнце
• Елена