• Artiklens indhold er godkendt af redaktionen

helium

Oprindelige forfattere Bos, HeSø, PELin, RWB og ToAn Seneste forfatter Redaktionen

helium, grundstof nr. 2, der med placering i det periodiske systems 18. gruppe tilhører ædelgasserne; atomtegn He.

Helium er det næsthyppigste grundstof i Universet efter hydrogen. Helium er farveløs, uden lugt eller smag og danner overhovedet ikke kemiske forbindelser. Densiteten er ca. 1/7 af luftens. Helium forbliver en luftart bestående af enkeltatomer ned til yderst lav temperatur og er den sværest fortætbare gas, der kendes. Fast helium forekommer kun ved endnu lavere temperaturer og under højt tryk (over ca. 25 atm).

Pga. ubrændbarhed foretrækkes helium frem for hydrogen til fyldning af balloner og luftskibe. Blandinger af helium og oxygen benyttes ved dykning til store dybder; faren for dykkersyge mindskes herved, fordi helium, selv ved høje tryk, ikke er særlig opløseligt i blod og andre legemsvæsker, hvorved bobledannelse ved opstigning til overfladen undgås.

Annonce

Ordet helium kommer af græsk helios 'sol' og -ium til betegnelse af grundstof.

I 1868 observerede P.J.C. Janssen en ny gul linje i Solens spektrum, og samme år påviste J.N. Lockyer, at den nye linje ikke tilhørte noget på Jorden, og han kaldte stoffet for helium. Mange tvivlede på rigtigheden af denne påstand, men i 1895 viste W. Ramsay i samarbejde med W. Crookes, J.N. Lockyer og J.W. Rayleigh, at der af uranmalme kunne vindes en gas, som i et udladningsrør udsendte lys med samme bølgelængde som den gule linjes. Nogle forfattere regner med Lockyer (1868) som opdageren, andre tillægger Ramsay, der isolerede grundstoffet i laboratoriet (1895), æren. I 1903 blev den første kilde med vand, der indeholdt opløst helium, fundet; senere fandt man helium i naturgas, og vejen til udvinding af helium i stor skala var banet. I 1907 påviste E. Rutherford, at α-partikler, der udsendes fra visse radioaktive stoffer, er heliumkerner.

Egenskaber
Nummer2
AtomtegnHe
Navnhelium
Relativ atommasse4,0026
Densitet0,17 g/l (20 °C)
Smeltepunkt-272,2 °C
Kogepunkt-268,9 °C
Opdagelse1868 (J.N. Lockyer)

Geokemi

Helium dannes ved fusion af hydrogenatomer i Solen og andre stjerner og udgør ca. 23 vægtpct. af Universets masse.

Helium dannes også i Jordens skorpe og kappe ved fission af uranisotoperne 238U og 235U og thoriumisotopen 232Th, men jordskorpen indeholder kun 0,000001 % helium. Årsagen hertil er, at der til stadighed strømmer helium ud til jordoverfladen, og at helium afgives til verdensrummet, idet Jordens tyngdefelt ikke kan fastholde det lette grundstof.

Heliumisotopen 4He dannes ved fission af uran og thorium. Også isotopen 3He findes i naturen og menes at være resten af det helium, som blev indfanget, dengang jordkloden blev dannet. Atmosfærens helium består næsten udelukkende af 4He, idet 3He kun udgør 1,3∙10-4%. 3He optages nede i jordskorpens kappe i de dér dannede magmaer og føres ud til jordoverfladen ved vulkanudbrud. Man kan derfor ved at måle forholdet mellem isotoperne 3He og 4He afgøre, om smelter er dannet i jordskorpen, hvor 4He dannes ved de nævnte kerneprocesser, eller i kappen, som indeholder en rest af Jordens oprindelige indhold af 3He. 3He/4He er ca. 1,4∙10-6 i atmosfæren, men større end 10-5 i kappen.

Helium opsamles i naturgas og udvindes heraf. USA er den største producent.

Heliumatomet

har to elektroner og er det simpleste eksempel på et flerelektron-atom. Det indtager en central plads i atomfysikken, idet de forskellige approksimationer, der benyttes til beregning af flerelektron-atomers struktur, bedst kan forklares og lettest afprøves på et to-elektronsystem (se også helium-lignende ioner).

Ifølge Pauliprincippet kan de fire kvantetal, der karakteriserer en elektron, ikke være ens for de to elektroner i helium. I grundtilstanden har de to elektroner samme n-, l- og m-kvantetal, mens spinkvantetallet s er hhv. +1/2 og -1/2, hvilket bevirker, at det samlede spin er S = 0. Anslås den ene elektron i helium, vil kvantetallet n for den anslåede elektron være større end for den elektron, der fortsat befinder sig i grundtilstanden. Hermed åbnes der mulighed for, at begge elektroner kan have samme spinkvantetal, og at S kan være 1.

Heliums atomspektrum består af spektrallinjer, der repræsenterer overgange mellem anslåede tilstande eller mellem anslåede tilstande og grundtilstanden. Da overgangen mellem energitilstande med forskellige spinværdier i praksis ikke forekommer i heliums atomspektrum, fremtræder dette som repræsenterende to slags heliumatomer, tidligere benævnt parahelium (overgange mellem S = 0 tilstande, singlet spektrum) og ortohelium (overgange mellem S = 1 tilstande, triplet spektrum).

Anslås begge elektroner i helium samtidig, fremkommer dobbelt-anslåede tilstande, hvis beskrivelse nødvendiggør en afvigelse fra den uafhængige elektronmodel (se atomfysik).

Flydende helium

er en tilstandsform for de to heliumisotoper 3He og 4He, hvis kogepunkt ved 1 bar er hhv. 3,2 K og 4,2 K. Modsat alle andre grundstoffer størkner helium ikke til et fast stof, men forbliver flydende ved atmosfæretryk (1 bar) selv ved den lavest opnåelige temperatur. Årsagen skal søges i Heisenbergs ubestemthedsrelation, der forudsiger eksistensen af en såkaldt nulpunktsbevægelsesenergi, hvilket betyder, at de lette heliumatomer ikke kan fastholdes på en gitterposition. Dog kan 3He og 4He overgå til fast form ved et tryk på hhv. 30 og 25 bar.

Flydende helium kaldes en kvantevæske, fordi beskrivelsen af de flydende heliumisotopers termodynamiske forhold er direkte knyttet til deres partikelnatur som hhv. fermioner (3He) og bosoner (4He). I 1930'erne påviste P. Kapitsa, at 4He-væsken har en superflydende tilstand ved temperaturer under 2,2 K, og i 1972 viste D. Osheroff, D.M. Lee og R.C. Richardson, at denne tilstand også fandtes for 3He, men ved temperaturer meget tættere på det absolutte nulpunkt (2 mK). Opdagelserne blev honoreret med nobelprisen i fysik i hhv. 1978 og 1996. Begge væsker har en række interessante makroskopiske kvanteegenskaber, hvoraf de mest kendte er 4He-væskens enorme varmeledningsevne og forsvindende viskositet (se superfluiditet).

Flydende helium anvendes som kølemiddel for kryogen elektronik, fx superledende magneter. Også lavtemperaturfysikken, der har spillet en afgørende rolle for forståelsen af faste stoffers fysik, anvender flydende helium som kølemiddel.

Referér til denne tekst ved at skrive:
Ole Bostrup, Henning Sørensen, Poul Erik Lindelof, Rolf W. Berg, Torkild Andersen: helium i Den Store Danske, Gyldendal. Hentet 30. april 2017 fra http://denstoredanske.dk/index.php?sideId=90197