هلیم(2)

پیدایش

هلیم بعد از هیدروژن فراوان ترین عنصر در جهان است و تقریبا" 20% ماده ستارگان را تشکیل می دهد. این گاز همچنین دارای نقش مهمی در واکنش های پروتون، پروتون و چرخه کربن در ستارگان است که تشکیل دهنده بیشترین انرژی آن ها می باشد.

فراوانی هلیم بیشتر از آن است که با تولید توسط ستارگان توجیه شود اما با مدل انفجار بزرگ Big Bang سازگار است و اکثر هلیم موجود درجهان در سه دقیقه اول شکل گیری جهان به وجود آمده اند.

این عنصر در جو زمین و به مقدار 1 در 000 00 2 وجود داشته و به عنوان یک محصول فروپاشی در کانی های رادیواکتیو گوناگونی یافت می شود. به خصوص این عنصر در کانی های اورانیوم و توریم مانند clevites, pitchblende, carnotite, monazite و beryl، بعضی از آب های معدنی ( در بعضی از چشمه های ایسلند مه میزان 1 در 1000 هلیم وجود دارد)، در گازهای آتشفشانی و در گازهای طبیعی خاصی در آمریکا(که بیشتر هلیم تجاری جهان از این منطقه بدست می آید). دیده می شود. هلیم را می توان از طریق بمباران لیتیم یا بورون به وسیله پروتون های سریع تولید نمود.

ترکیبات

هلیم اولین عنصر در گروه گازهای بی اثر است و برای بسیاری از اهداف عملی واکنش ناپذیر می باشد اما در اثر تخلیه الکتریکی یا بمباران الکترونی، ترکیباتی را با تنگستن، ید، فلوئور، گوگرد و فسفر به وجود می آورد.

ایزوتوپ ها

معمول ترین ایزوتوپ هلیم He-4 می باشد که هسته آن دارای دو پروتون و دو نوترون است. چون تعداد نوکلئون ها عجیب است این یک آرایش اتمی غیرعادی پایدار به حساب می آید یعنی نوکلئون ها در لایه های کامل آرایش یافته اند. بسیاری از هسته های سنگین تر بر اثر انتشار هسته های He-4 متلاشی می شوند- فرآیندی که فروپاشی آلفا نامیده شده و به همین علت هسته های هلیم را ذرات آلفا می نامند و بیشتر هلیم زمین با این فرآیند تولید می شوند.

دومین ایزوتوپ هلیم He-3 است که هسته آن تنها دارای یک نوترون می باشد علاوه بر این ها هلیم چندین ایزوتوپ سنگین تر رادیواکتیو دارد. He-3 عملا" در سطح زمین ناشناخته است چون منابع درونی هلیم، زمانی که ذرات آلفا و هلیم اتمسفری در دوران زمین شناسی نسبتا" کوتاهی وارد فضا می شوند فقط ایزوتوپ He-4 تولید می کنند.

He-3 و He-4 هر دو در انفجار بزرگ Big Bang) ) تولید شده اند و بعد از هیدروژن، فراوان ترین عنصر موجود در طبیعت هلیم است. هلیم اضافی به وسیله همجوشی هیدروژن درون هسته های اختری و از طریق فرآیندی که زنجیره پروتن نامیده می شود، تولید می گردد.

گونه ها

هلیم مایع ( He-4) به دو صورت یافت میِ شود : He-4II و He-4I که در نقطه تحول فعالی دردمای k 1768/2  و در فشار بخار آن مشترک هستند. He-4I ( بالای این نقطه) مایعی نرمال است اما He-4II ( پایین این نقطه) شبیه هیچ یک از مواد شناخته شده نمی باشد.

وقتی در دمای بالاتر از k1768/2 و در فشار بخار خود ( به اصطلاح نقطه لامدا) سرد شد تبدیل به یک ابر شار به نام هلیم مایع II می گردد ( برعکس هلیم مایع I که نرمال است) که به علت تأثیرات کوانتومی، ویژگی های غیر عادی زیادی داشته و یکی از اولین نمونه های مشاهده شده از اثرات کوانتومی است که درمقیاس macroscopic عمل می کند. چون این تأثیر متکی به تراکم بوزون ها( bosons ) است این تحولات در He-3 در دمایی پایین تراز He-4 رخ می دهد اما هسته های He-3 فرمیون ها( fermions) هستند که نمی توانند جداگانه متراکم شوند ولی در جفت های بوزونی باید اینگونه باشد. چون این دگرگونی منظم است بدون گرمای نهان در نقطه لامدا این دو نوع مایع هرگز همزیستی نمی کنند.

هلیم II دارای ویسکوزیته صفر است و خاصیت هدایت حرارتی آن از تمام مواد دیگر بیشتر است. به علاوه هلیم II پدیده ترمومکانیکال را بروز می دهد؛ اگر دو ظرف حاوی هلیمII به وسیله یک لوله بسیار باریک به هم متصل باشند و یکی از آن ها را گرم کنیم جریانی از هلیم II به طرف ظرف گرم شده به وجود می آید. بر عکس در پدیده مکانیک حرارتی سرد کردن هلیم II که در حال خارج شدن از لوله باریک است باعث ایجاد جریان اجباری هلیم II درلوله ای باریک می شود.

تغییرات حرارتی وارده بر هلیم II، همانند آنچه که در تغییرات تراکم صدا وجود دارد( پدیده ای که " صدای دوم" نامیده می شود) سرتاسر این مایع انتشار می یابد. سطوح سختی که با هلیم II در تماسند به وسیله لایه نازکی به قطر 50 تا 100 اتم پوشیده می شوند که در طول آن می تواند جریان بدون اصطکاک این مایع انجام پذیرد؛ در نتیجه نگهداری هلیم II در ظرف باز، بدون خارج شدن این مایع از لبه آن امکان پذیر نیست. جا به جائی های فراوان هلیم II بوسیله لایه آن با سرعت ثابت انجام می شود که فقط به دما بستگی دارد.

در آخر اینکه یک حجم زیادی از هلیمII به صورت یک واحد گردش نخواهد داشت در عوض تلاش برای گردش آنها منجر به vorticeهای کوچک بدون اصطکاکی در این مایع خواهد شد.

هشدارها

محفظه هایی که با هلیم گازی در دمای 5 تا 10 کلوین پرشده اند باید طوری نگهداری شوند که گویی دارای هلیم مایع هستند چون گرم شدن این گاز در دمای اطاق منجر به افزایش شدید فشار آن می گردد.

مرکز یادگیری سایت تبیان - تنظیم: مریم فروزان کیا