Масса ядра гелия



ГЕЛИЙ, He (helium), химический элемент из семейства благородных (инертных) газов He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn, составляющих VIIIA подгруппу в периодической системе элементов, или, как ее еще называют, нулевую группу.

История открытия.

Гелий впервые был идентифицирован как химический элемент в 1868 П.Жансеном при изучении солнечного затмения в Индии. При спектральном анализе солнечной хромосферы была обнаружена ярко-желтая линия, первоначально отнесенная к спектру натрия, однако в 1871 Дж.Локьер и П.Жансен доказали, что эта линия не относится ни к одному из известных на земле элементов. Локьер и Э.Франкленд назвали новый элемент гелием от греч. «гелиос», что означает солнце. В то время не знали, что гелий – инертный газ, и предполагали, что это металл.


только спустя почти четверть века гелий был обнаружен на земле. В 1895, через несколько месяцев после открытия аргона, У.Рамзай и почти одновременно шведские химики П.Клеве и Н.Ленгле установили, что гелий выделяется при нагревании минерала клевеита. Год спустя Г.Кейзер обнаружил примесь гелия в атмосфере, а в 1906 гелий был обнаружен в составе природного газа нефтяных скважин Канзаса. В том же году Э.Резерфорд и Т.Ройдс установили, что a-частицы, испускаемые радиоактивными элементами, представляют собой ядра гелия.

Хромосфера Солнца

Распространенность в природе.

Содержание гелия в мировом пространстве составляет 28% (второе место после водорода). Гелий – основной компонент звездной материи. В результате углеродного цикла (сложная цепь ядерных реакций), впервые изученного Х.Бете в 1939, водород в звездном веществе превращается в гелий, при этом происходит значительное выделение энергии (см. также ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ). В земной атмосфере гелий составляет всего 0,0005% об., так как он чрезвычайно легок и слабо удерживается гравитационным полем земли. Гелий образуется при распаде тяжелых радиоактивных элементов, находящихся в расплавленном земном ядре, и медленно диффундирует через земную мантию. Тепловая энергия, выделяющаяся при ядерных процессах, поддерживает ядро земли в расплавленном состоянии. Природный метан, добываемый из скважин, содержит ок. 1,75% гелия и 0,5% CO2. После удаления CO2, глубокого охлаждения природного газа до –185° C и сжатия образуется жидкий метан, а в газовой фазе остаются гелий и азот. Метод глубокого охлаждения позволяет получать гелий чистотой 98% и выше.

Свойства.


Гелий имеет одну-единственную электронную оболочку, занятую двумя электронами, т.е. его оболочка полностью заполнена электронами, которые испытывают сильное притяжение ядра, а значит, очень устойчивы; поэтому гелий не вступает в химические реакции, не образует химические соединений и не имеет степеней окисления. Гелий – бесцветный одноатомный газ без запаха; он не вступает в реакции ни с одним химическим элементом, и его атомы не соединяются даже между собой. Наиболее распространенный изотоп 4He содержит в ядре два протона и два нейтрона, поэтому его массовое число равно 4. Более редкий изотоп 3He с одним нейтроном был открыт в 1939 Л.Альваресом и Р.Кернегом. Содержание 3He составляет 10–5% гелия, находящегося в природном газе, добываемом из скважин. 3He получается в ядерных реакциях при распаде трития (3H-изотоп водорода). Гелий – необычное вещество, по свойствам он близок к состоянию идеального газа


СВОЙСТВА 4He

Атомный номер 2
Атомная масса 4,0026
Плотность, г/см3 0,178
Температура плавления, °С –272,2 (при 26 атм)
Температура кипения, °С –268,93
Критическая температура, К 5,25
Критическое давление, МПа 0,23
Содержание в земной коре, % 0,0000003
Степени окисления

Жидкий и твердый гелий.

Жидкий гелий обладает рядом уникальных свойств; он имеет самую низкую температуру кипения: 4He кипит при 4,22 K, а 3He – 3,19 K. Это свойство гелия используют для создания низких температур. Гелий – единственное вещество на земле, которое при нормальном давлении не кристаллизуется вблизи абсолютного нуля, что объясняется слабым межатомным взаимодействием и квантовыми свойствами. Жидкий гелий бесцветен, очень текуч и имеет очень низкое поверхностное натяжение. Изотопы гелия в жидком состоянии сильно различаются. Так, 4He имеет две формы: при температурах выше 2,18 K существует 4He, а ниже 2,18 K происходит необычный переход (фазовый переход второго рода) в 4He-II. Если пустой стеклянный сосуд погрузить в 4He-II, то жидкость будет медленно подниматься вверх по стенкам и перетекать внутрь до выравнивания уровней жидкости снаружи и внутри. Если сосуд приподнять, то процесс пойдет обратно до нового выравнивания уровней жидкостей. Это – пленочное движение; оно характерно только для 4He-II. Другое аномальное свойство 4He-II – способность жидкости перетекать из области более низких температур в область более высоких. 4He-II обладает сверхтекучестью (явление сверхтекучести открыл П.Л.Капица в 1938) – свойством, известным только для жидкого гелия. Явление сверхтекучести объясняется на основе двухжидкостной модели. Согласно ей, 4He-II состоит из двух полностью взаимопроникающих жидкостей – нормальной и сверхтекучей; последняя является идеальной жидкостью и не испытывает сопротивления при протекании через узкие капилляры. Согласно теории, в 4He-II существуют необычные температурные волны (второй звук). Объяснение аномалий 4He-II дается на основе представлений квантовой механики.


Жидкие 3He и 4He называются квантовыми жидкостями. 4He не имеет ядерного спина, а у 3He он равен 1/2 в единицах постоянной Планка. Удивительное различие состоит также в том, что 4He-II – сверхтекучая жидкость, а сопротивление текучести 3He резко возрастает с уменьшением температуры. Гелий-3 становится, однако, сверхтекучим при температуре примерно 0,001 К, как было открыто в 1972. Это явление аналогично явлению сверхпроводимости, которая рассматривается как сверхтекучесть «электронной жидкости» (см. также СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ). В 3He обнаружен новый тип звука при очень низких температурах, нулевой звук, предсказанный Л.Д.Ландау и относящийся к волнам, характерным для ионизованных газов (плазмы). См. также СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ.

Растворы изотопов гелия также необычны. Ниже 0,9 K раствор спонтанно делится на две части, образуя раствор, обогащенный 3He и текущий над раствором, обогащенным 4He. 6% 3He растворимы в 4He, но 4He не растворяется в 3He при абсолютном нуле.

Твердый гелий можно получить сжатием 4He до 25 атм или 3He до 34 атм при низких температурах. Твердый гелий – кристаллическое прозрачное вещество, причем границу между твердым и жидким гелием трудно обнаружить, так как их рефракции близки.

Применение.


Гелий является важным источником низких температур. При температуре жидкого гелия тепловое движение атомов и свободных электронов в твердых телах практически отсутствует, что позволяет изучать многие новые явления, например сверхпроводимость в твердом состоянии. Газообразный гелий используют как легкий газ для наполнения воздушных шаров. Поскольку он негорюч, его добавляют к водороду для заполнения оболочки дирижабля. Так как гелий хуже растворим в крови, чем азот, большие количества гелия применяют в дыхательных смесях для работ под давлением, например при морских погружениях, при создании подводных тоннелей и сооружений. При использовании гелия декомпрессия (выделение растворенного газа из крови) у водолаза протекает менее болезненно, менее вероятна кессонная болезнь, исключается такое явление, как азотный наркоз, – постоянный и опасный спутник работы водолаза. Смеси He–O2 применяют, благодаря их низкой вязкости, для снятия приступов астмы и при различных заболеваниях дыхательных путей.

Гелий используют как инертную среду для дуговой сварки, особенно магния и его сплавов, при получении Si, Ge, Ti и Zr, для охлаждения ядерных реакторов.


угие применения гелия – для газовой смазки подшипников, в счетчиках нейтронов (гелий-3), газовых термометрах, рентгеновской спектроскопии, для хранения пищи, в переключателях высокого напряжения. В смеси с другими благородными газами гелий используется в наружной неоновой рекламе (в газоразрядных трубках). Жидкий гелий выгоден для охлаждения магнитных сверхпроводников, ускорителей частиц и других устройств. Необычным применением гелия в качестве хладагента является процесс непрерывного смешения 3He и 4He для создания и поддержания температур ниже 0,005 K.

Источник: www.krugosvet.ru

Источник: www.chem21.info

Гелий-3, свойства, получение и применение.

 

 

Гелий-3, 3He является редким изотопом. Он имеет перспективное применение в будущем в качестве топлива в термоядерных реакторах.

 

Гелий-3

Свойства гелия-3

Получение гелия-3

Применение гелия-3

Гелий-3 как топливо в термоядерном реакторе

Преимущества гелия-3 как топлива

 

Гелий-3:

Гелий-3 – более легкий из двух стабильных изотопов гелия. Химическая формула гелия-3 – 3He.

Ядро гелия-3 (гелион) состоит из двух протонов и одного нейтрона, в отличие от гелия-4 (4He), имеющего в составе два протона и два нейтрона.

Последний (4He) является более распространенным: на него, собственно, приходятся 99,99986 % гелия на Земле. На гелий-3 (3He) приходится 0,000137(3) % гелия на Земле.

Гелий-3 как частица относится к фермионам, т.к. имеет полуцелый спин.

Гелий-3 в основном содержится в атмосфере Земли, в природном газе (до 0,5%), а также в мантии планеты. Общее количество гелия-3 в атмосфере Земли оценивается порядка в 35 000 тонн.

На Солнце и в атмосферах планет-гигантов гелия-3 значительно больше, чем в атмосфере Земли.

 

Свойства гелия-3:

Наименование характеристики: Значение:
Атомная масса, а. е. м. 3,0160293191(26)
Дефект массы, кэВ 14 931,2148(24)
Удельная энергия связи (на нуклон), кэВ 2 572,681(1)
Изотопная распространённость, % 0,000137(3)
Период полураспада стабильный
Спин и чётность ядра 1/2+
Момент импульса 1/2
Плотность жидкого 3He при температуре кипения и нормальном давлении (101 325 Па), г/л 59
Плотность газообразного 3He при нормальных условиях (T = 273,15 K = 0 °C, P = 101 325 Па), г/л 0,1346
Температура кипения, К 3,19
Критическая точка, К 3,35
Удельная теплота испарения, Дж/моль 26
Объем одного грамма 3He при нормальных условиях (T = 273,15 K = 0 °C, P = 101 325 Па), литров 7,43
Сверхтекучее состояние при температурах ниже 2,6 мК и при давлении 34 атм.

 

Получение гелия-3:

В настоящее время гелий-3 не добывается из природных источников.

Его получают при распаде искусственно созданного трития, бомбардируя нейтронами литий-6 в ядерном реакторе. Таким способом можно можно получать до 18 кг гелия-3 в год.

Ввиду с растущей нехваткой гелия-3 рассматриваются такие экономически нецелесообразные возможности его производства, как получение в водных ядерных реакторах, выделение из продуктов работы тяжеловодных ядерных реакторов, производство трития или гелия-3 на ускорителях частиц, экстракция естественного гелия-3 из природного газа или атмосферы.

Существует также современная идея добычи гелия-3 на Луне, где его находится миллионы тонн в лунном грунте – реголите. Тонна лунного грунта (в тончайшем приповерхностном слое) содержит порядка 0,01 г гелия-3 и 28 г гелия-4.  Данная изотопная распространенность гелия-3 на Луне (~0,043 %) значительно выше, чем в земной атмосфере. В лунном грунте гелий-3 накопился в течение многих лет за счет облучения поверхности Луны солнечным ветром, в котором он содержится. Для извлечения гелия-3 из лунного грунта последний необходимо нагреть до нескольких сотен градусов Цельсия.

 

Применение гелия-3:

– для наполнения газовых счетчиков-детекторов нейтронов,

– в научных лабораториях для получения сверхнизких милликельвиновых температур (около 0,02 К) путем растворения жидкого гелия-3 в гелии-4,

– как термоядерное топливо в термоядерном реакторе (в будущем).

 

Гелий-3 как топливо в термоядерном реакторе:

Гелий-3 является отличным сырьем для протекания реакции термоядерного синтеза, в отличии от реакций ядерного распада. К сожалению, термоядерный реактор на основе гелия-3 является предметом научных разработок и его появление не ожидается в ближайшем будущем.

Ядерная реакция с гелием-3 выглядит следующим образом:

3He + 3He → 4He + 2p + 12,8 МэВ,
3He + D → 4He + p + 8,35 МэВ,

где D – дейтерий, p – протон.

В результате данной термоядерной реакции образуется стабильный изотоп гелия-4 (4He), протон и большое количество энергии. В то время как в ходе ядерной реакции распада образуются нейтроны, которые глубоко проникают в окружающие конструкционные материалы, делают их радиоактивными и разрушают их. В итоге такие материалы необходимо периодически (через несколько лет) захоранивать и заменять новыми. Протоны, которые образуются в результате реакции термоядерного синтеза с участием гелия-3, наоборот, глубоко не проникают в окружающие материалы и не наводят радиоактивность. Поэтому такие материалы и конструкции могут служить десятилетиями.

В целом вышеописанная реакция сопровождается радиацией, но она (реакция) в 50 раз менее радиоактивна, чем термоядерная реакция, например, дейтерия с тритием.

Ядерная реакция дейтерия с тритием описывается следующим образом:

2H + 3H → 4He + n + 17,6 МэВ,

где 2H – дейтерий, 3H – тритий, n – нейтрон.

Недостатком реакции дейтерия с тритием является то, что тритий сам по себе сильно радиоактивен. Во-вторых, в ходе такой реакции возникает сильное нейтронное излучение.

Энергетическая эффективность гелия-3 как топлива в термоядерном синтезе весьма огромна. Так, 1 тонна гелия-3 заменяет порядка 15-20 миллионов тонн нефти. Ежегодная потребность России в гелии-3 составляет порядка 20-30 тонн, а всего человечества – 200 тонн.

 

Источник: xn--80aaafltebbc3auk2aepkhr3ewjpa.xn--p1ai

История открытия

Внешний вид простого вещества
инертный газ без цвета, вкуса и запаха
Свойства атома
Имя, символ, номер Гелий/Helium (He), 2
Атомная масса (молярная масса) 34,002602 а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация 1s2
Радиус атома (31) пм
Химические свойства
Ковалентный радиус 28 пм
Радиус иона 93 пм
Электроотрицательность 4,5 (шкала Полинга)
Электродный потенциал 0
Степени окисления 0
Энергия ионизации (первый электрон) 2361,3(24,47) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.) 0,147 (при −270 °C) 0,00017846 (при +20 °C) г/см3
Температура плавления 0,95 (при 2,5 МПа)
Температура кипения 4,215 (для 4He)
Теплота испарения 0,08 кДж/моль
Молярная теплоёмкость 20,79 Дж/(K·моль)
Молярный объём 31,8 см3/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки гексагональная
Параметры решётки a=3,570; c=5,84 Å
Температура Дебая 1,633
Прочие характеристики
Теплопроводность (300 K) 0,152 Вт/(м·К)

Пьер Жансен18 августа 1868 года французский учёный Пьер Жансен, находясь во время полного солнечного затмения в индийском городе Гунтур, впервые исследовал хромосферу Солнца. Жансену удалось настроить спектроскоп таким образом, чтобы спектр короны Солнца можно было наблюдать не только при затмении, но и в обычные дни. На следующий же день спектроскопия солнечных протуберанцев наряду с линиями водорода — синей, зелено-голубой и красной — выявила очень яркую жёлтую линию, первоначально принятую Жансеном и другими наблюдавшими её астрономами за линию D натрия. Жансен немедленно написал об этом во Французскую Академию наук. Впоследствии было установлено, что ярко-жёлтая линия в солнечном спектре не совпадает с линией натрия и не принадлежит ни одному из ранее известных химических элементов.

Спустя два месяца 20 октября английский астроном Норман Локьер, не зная о разработках французского коллеги, также провёл исследования солнечного спектра. Обнаружив неизвестную жёлтую линию с длиной волны 588 нм (более точно 587,56 нм), он обозначил её D3, так как она была очень близко расположена к Фраунгоферовым линиям D1 (589,59 нм) и D2 (588,99 нм) натрия. Спустя два года Локьер, совместно с английским химиком Эдвардом Франкландом, в сотрудничестве с которым он работал, предложил дать новому элементу название «гелий» (от др.-греч. ἥλιος — «солнце»).

Интересно, что письма Жансена и Локьера пришли во Французскую Академию наук в один день — 24 октября 1868 года, однако письмо Локьера, написанное им четырьмя днями ранее, пришло на несколько часов раньше. На следующий день оба письма были зачитаны на заседании Академии. В честь нового метода исследования протуберанцев Французская академия решила отчеканить медаль. На одной стороне медали были выбиты портреты Жансена и Локьера над скрещенными ветвями лавра, а на другой — изображение мифического бога Солнца Аполлона, правящего в колеснице четверкой коней, скачущей во весь опор.

В 1881 году итальянец Луиджи Пальмиери опубликовал сообщение об открытии им гелия в вулканических газах (фумаролах). Он исследовал светло-желтое маслянистое вещество, оседавшее из газовых струй на краях кратера Везувия. Пальмиери прокаливал этот вулканический продукт в пламени бунзеновской горелки и наблюдал спектр выделявшихся при этом газов. Ученые круги встретили это сообщение с недоверием, так как свой опыт Пальмиери описал неясно. Спустя многие годы в составе фумарол действительно были найдены небольшие количества гелия и аргона.

Только через 27 лет после своего первоначального открытия гелий был обнаружен на Земле — в 1895 году шотландский химик Уильям Рамзай, исследуя образец газа, полученного при разложении минерала клевеита, обнаружил в его спектре ту же ярко-жёлтую линию, найденную ранее в солнечном спектре. Образец был направлен для дополнительного исследования известному английскому ученому-спектроскописту Уильяму Круксу, который подтвердил, что наблюдаемая в спектре образца жёлтая линия совпадает с линией D3 гелия. 23 марта 1895 года Рамзай отправил сообщение об открытии им гелия на Земле в Лондонское королевское общество, а также во Французскую академию через известного химика Марселена Бертло.

Гелий

Источник: www.grasys.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.