رفتن به مطلب
Added by Amir

Added by Amir

iDeniz

☂ شــــــــــیـمی ☂ جدول تناوبی عناصر.He

پست های پیشنهاد شده

هلیم

 

 

هلیوم (Helium) با نشان شیمیایی He یک عنصر شیمیایی با عدد اتمی ۲ و وزن اتمی ۴٫۰۰۲۶۰۲ است. این عنصر، بی بو، بی رنگ، بی مزه، غیرسمّی، از دیدگاه شیمیایی بی اثر و تک اتمی است که در جدول تناوبی در بالای گروه گازهای نجیب جا دارد.دمای ذوب و جوش این ماده در میان دیگر عنصرها بسیار پایین است به همین دلیل در دمای اتاق و البته در بیشتر موارد به صورت  گازی است مگر شرایط بسیار ویژه‌ای بر آن گذرانده شود.

هلیم بعد از هیدروژن دومین عنصر سبک کیهان است و از لحاظ فراوانی هم باز بعد از هیدروژن در جایگاه دوم قرار می‌گیرد گرچه باوجود کاربردهای بسیار مهم و حیاتی که دارد بر روی زمین بسیار کمیاب است. نزدیک به ۲۴٪ از جرم گیتی سهم این عنصر است که این مقدار بیش از ۱۲ برابر ترکیب تمام عنصرهای سنگین است. هلیم به همان صورت که در خورشید و مشتری یافت می‌شود در جهان پیدا می‌شود و این به دلیل انرژی بستگی (به ازای هر هسته) بسیار بالای هلیم-۴ نسبت به سه عنصر دیگر پس از آن در جدول تناوبی است. بیشتر هلیم موجود در گیتی، هلیم-۴ است و گمان آن می‌رود که در جریان مه بانگ پدید آمده باشد. امروزه با کمک واکنش‌های همجوشی هسته‌ای در ستاره‌ها، گونه‌های تازه‌ای از هلیم ساخته شده‌است.

واژهٔ هلیوم از واژهٔ یونانی هلیوس به معنای «ایزد خورشید» گرفته شده‌است. زمانی که هنوز هلیم شناخته نشده بود، ستاره‌شناس فرانسوی ژول ژانسن در جریان خورشیدگرفتگی سال ۱۸۶۸ برای نخستین بار در طیف‌سنجی نور خورشید، خط زرد  طیفی هلیم را دید; برای همین، هنگامی که از نخستین کسانی که هلیم را شناسایی کردند یاد می‌شود نام ژول ژانسن در کنار نام نورمن لاکیر جای می‌گیرد. در جریان همان خورشیدگرفتگی، نورمن لاکیر پیشنهاد کرد این خط زرد می‌تواند به دلیل یک عنصر تازه باشد. دو شیمیدان سوئدی با نام‌های پر تئودر کلیو و نیلز آبراهام لانگلت در سال ۱۸۹۵ این عنصر را شناسایی و اعلام کردند. آن‌ها هلیم را از سنگ کلویت که معدن اورانیم است بدست آوردند. در سال ۱۹۰۳ منابع بزرگ هلیم در میدان‌های گازی ایالات  متحده پیدا شد که یکی از بزرگترین منابع این گاز است.

یکی از کاربردهای مهم هلیم در سرماشناسی است. نزدیک به یک-چهارم هلیم تولیدی در این زمینه بکار می‌رود. ویژگی خنک سازی هلیم به ویژه در خنک کردن آهن‌رباهای ابررسانا مهم است. این آهن رباها به صورت تجاری در اسکنرهای ام آر آی کاربرد  دارد. کاربرد صنعتی دیگر هلیم در فشار وارد کردن برای نمونه به عنوان گاز تخلیه کننده‌است. همچنین به عنوان هوای محافظ درجوشکاری با قوس الکتریکی، در فرایندهایی مانند کشت بلورها در ساخت قرص‌های سیلیسیم از این گاز بهره برده می‌شود.  نزدیک به نیمی از هلیم تولیدی در این زمینه کاربرد دارد.

یکی دیگر از کاربردهای شناخته شدهٔ هلیم در ویژگی بالابری در بالون‌ها و کشتی‌های هوایی است.[۲] تنفس حجم اندکی از گاز  هلیم می‌تواند برای چندی در کیفیت و زنگ صدای انسان تاثیر بگذارد. این اثرگذاری تنها از آن هلیم نیست بلکه هر گازی که چگالی متفاوتی با هوا داشته باشد از این ویژگی برخوردار است. در پژوهش‌های دانشگاهی رفتار دو فاز سیال هلیم-۴ (هلیمI و هلیمII) در بحث‌های مربوط به مکانیک کوانتوم و یا پژوهش دربارهٔ پدیده‌هایی مانند ابررسانایی که با دماهای نزدیک به صفر مطلق در ماده کار می‌کند، مهم است.

هلیم در هواکُرهٔ زمین بسیار کمیاب است (نزدیک به ۰٫۰۰۰۵۲٪ حجمی) بیشتر هلیومی که در خاک زمین پیدا می‌شود در اثرواپاشی هسته‌ای طبیعی در عنصرهای سنگین پرتوزا مانند اورانیم و توریم پدید آمده‌است؛ به این ترتیب که در اثر واپاشی،ذره‌های بتا از عنصر تابیده شده و هستهٔ هلیم-۴۴ بدست آمده‌است. هلیم بدست آمده از واپاشی به آسانی به صورت فشرده با درصدی نزدیک به ۷٪ حجمی، در دام گاز طبیعی گرفتار می‌شود. سپس می توان با روش‌های صنعتی و به صورت تجاری با کاهش دمای آمیختهٔ هلیم و گاز طبیعی، هلیم را از دیگر گازها جدا ساخت. این روش تقطیر جزء به جزء نام دارد.

 

250px-Helium-glow.jpg

 

پیشینه

 

نخستین نشانهٔ هلیم در ۱۸ اوت سال ۱۸۶۸ به صورت یک میلهٔ زرد رنگ در طول موج ۵۸۷٫۴۹ نانومتر در طیف سنجی فام‌سپهرخورشید دیده شد. این خط زرد رنگ را ستاره‌شناس فرانسوی ژول ژانسن در هنگام یک خورشیدگرفتگی کامل در گونتور هندشناسایی کرد.[۳][۴] نخست گمان برده شد که شاید این خط زرد، سدیم است. در ۲۰۰ اکتبر همان سال، ستاره‌شناس انگلیسی، نورمن لاکیر یک خط زرد رنگ در طیف سنجی نور خورشید پیدا کرد و چون این خط نزدیک به خط‌های شناخته شدهٔ  D۱و D۲ سدیم بود، آن را D۳ خط‌های فرانهوفر نامید.[۵] او حدس زد که این خط باید توسط یک عنصر درون خورشید که در زمین ناشناخته‌است، پدید آمده باشد. لاکیر و شیمیدان انگلیسی ادوارد فرانکلند واژهٔ یونانی ἥλιος (هلیوس) به معنی «خورشید» را برای این عنصر برگزیدند.[۶][۷][۸]

220px-Helium_spectrum.jpg
 
خط‌های طیفی هلیم

در ۱۸۸۲، فیزیکدان ایتالیایی، لویجی پالمیری، هنگامی که خط‌های طیفی D۳گدازههای آتشفشان وزوو را پردازش می‌کرد توانست برای نخستین بار هلیم را در زمین شناسایی کند.[۹]

در ۲۶ مارس ۱۸۹۵ شیمیدان اسکاتلندی ویلیام رمزی توانست، هلیم کانی کلویت را با کمک اسیدهای معدنی، به دام اندازد. کلویت آمیخته‌ای از اورانیت و دست کم ۱۰۰٪عنصرهای خاکی کمیاب است. رمزی در جستجوی آرگون بود اما پس از جداسازینیتروژن و اکسیژن از گاز آزاد شده با کمک اسید سولفوریک، در طیف سنجی خود به یک خط زرد روشن رسید که با خط D۳ دیده شده در طیف سنجی خورشید هماهنگ بود.[۵][۱۰][۱۱][۱۲] این نمونه‌ها از سوی لاکیر و فیزیکدان بریتانیایی، ویلیام کروکز به عنوان هلیم شناسایی شد. در همان سال به صورت مستقل، دو شیمیدان با نام‌های پر تئودر کلیو و نیلز آبراهام لانگلت، دراوپسالای سوئد توانستند هلیم کلویت را به دام اندازند. آن‌ها به اندازهٔ کافی این گاز را جمع آوری کردند که بشود وزن اتمی آن را دقیق بدست آورد.[۴][۱۳][۱۴] دانشمند آمریکایی زمین‌شیمی، ویلیام فرانسیس هیله‌براند پیش از دست آورد رمزی، هنگام طیف سنجی نمونه کانی‌های اورانیت دریافته بود که خط‌های طیفی غیرمعمولی در نتیجه‌هایش پیدا می‌شود. اما هیلبرند گمان کرد که این خط‌های طیفی مربوط به نیتروژن است. نامهٔ تبریک او به رمزی چیزی نزدیک به یک کشف علمی در نظر گرفته می‌شود.[۱۵]

در سال ۱۹۰۷ ارنست رادرفورد و توماس رویدز نشان دادند که ذره‌های آلفا همان هستهٔ هلیم اند. آن‌ها برای این کار، اجازه دادند تا ذره‌ها در دیوار شیشه‌ای نازک یک لولهٔ تهی نفوذ کند. سپس لوله را تخلیه کردند تا گاز تازهٔ جمع شده در آن را طیف سنجی کنند. در سال ۱۹۰۸ یک فیزیکدان هلندی به نام هایک کامرلینگ اونس توانست دمای هلیم را به زیر یک کلوین برساند و آن را مایع کند.[۱۶] او در ادامه تلاش کرد تا دمای هلیم را پایین تر آورد و آن را جامد کند اما کامیاب نشد. دلیل ناکامی او این بود که هلیم دارای نقطهٔ سه‌گانه نیست یعنی دارای دمایی نیست که در آن حالت‌های جامد، مایع و گازی در تعادل باشند. پس از چند سال، در ۱۹۲۶ ویلم هندریک کیزوم که دانشجوی اونس بود توانست 1 cm۳ هلیم را با افزودن فشار، جامد کند.[۱۷]

در ۱۹۳۸، فیزیکدان روس، پیوتر کاپیتسا دریافت که در دمای نزدیک به صفر مطلق، هلیم-۴ تقریباً هیچ گرانروی ندارد، امروزه به این پدیده ابرروانروی می گوییم.[۱۸] این پدیده با چگالش بوز-اینشتین مرتبط است. در ۱۹۷۲ همین پدیده در هلیم-۳ هم دیده شد، اما این بار در دمایی بسیار نزدیک تر به صفر مطلق. دانشمندان آمریکایی داگلاس دین اشرفت، دیوید موریس لی و رابرت کلمن ریچاردسون کسانی بودند که به ابرروانروی در هلیم-۳ پی بردند. گمان آن می‌رود که این پدیده در هلیم-۳ به جفت فرمیونها در ساخت بوزون، در برابر جفت‌های کوپرالکترون‌ها که پدیدآورندهٔ ابررسانایی است، ارتباط داشته باشد.[۱۹]

حالت‌های گازی و پلاسما[ویرایش]
220px-HeTube.jpg
 
لولهٔ هلیم که به شکل نماد شیمیایی این عنصر درآورده شده‌است.

هلیم، پس از نئون، کم واکنش ترین گاز نجیب و البته دومین عنصر کم واکنش پذیر در میان همهٔ عنصرها است.[۲۰] این گاز کم واکنش، در همهٔ شرایط استاندارد به صورت تک‌اتمی باقی می‌ماند. هلیم به دلیل داشتن جرم مولی نسبتاً پایین، دارای رسانش گرمایی و ظرفیت گرمایی بالایی است و سرعت صدا هم در آن، در حالت گازی، از هر گاز دیگری به جز هیدروژن، بالاتر است. همچنین به دلیل همانند و به دلیل کوچکی اندازهٔ اتم هلیم، نرخ پخش در اجسام جامد، سه برابر بیشتر از نرخ پخش هوا و برابر با ۶۵٪ نرخ پخش هیدروژن است.[۵]

هلیم نسبت به دیگر گازهای تک اتمی از همه کمتر در آب حل می‌شود.[۲۱] و نسبت به دیگر گازها، می توان گفت یکی از کم حل شدنی ترین گازها است؛ ضریب حلالیت این گاز 0.70797 x۲/۱۰−۵ است که از CF۴ و SF۶ و C۴F۸ که به ترتیب دارای میزان حلالیت‌های ۰٫۳۸۰۲۲ و ۰٫۴۳۹۴ و 0.2372 x۲/۱۰−۵ اند، بیشتر است (مول).[۲۲] ضریب شکست هلیم بیش از هر گاز دیگری به یک نزدیک است.[۲۳] ضریب ژول-تامسون هلیم در دمای معمولی پیرامونش، منفی است به این معنی که اگر اجازه دهیم این گاز آزدانه افزایش حجم پیدا کند، گرم تر می‌شود. اما اگر هلیم در زیر دمای واژگون ژول-تامسون (در حدود ۳۲ تا ۵۰۰ کلوین در یک اتمسفر) باشد، اگر اجازه داشته باشد آزادانه افزایش حجم پیدا کند، دمای آن پایین می‌آید.[۵] با توجه به این ویژگی اگر دمای هلیم از این دما پایین تر آماده باشد، می توان با افزایش حجم، آن را  خنک و مایع کرد.

بیشتر هلیم فرازمینی (بیرون از کرهٔ زمین) در حالت پلاسما یافت می‌شود. در این حالت، ویژگی‌های ماده بسیار متفاوت از ویژگی‌های حالت  اتمی آن است. در حالت پلاسما، الکترون‌ها دیگر در بند هسته نیستند درنتیجه دارای رسانایی الکتریکی بسیار بالایی خواهد بود حتی اگر تنها بخشی از آن یونی شده باشد. ذره‌های باردار به شدت از میدان مغناطیسی و الکتریکی پیرامون تاثیر می‌پذیرند. برای نمونه در بادهای خورشیدی با هیدروژن یونی، ذره‌ها با مغناط‌کرهٔ زمین اندرکنش پیدا می‌کند و باعث پدید آمدن شفق قطبی و جریان بیرکلند می‌شود.

 

ایزوتوپ

 

نوشتار اصلی: ایزوتوپ‌های هلیم

تا کنون ۸ ایزوتوپ برای هلیم پیدا شده‌است. که از میان آنها هلیم-۳ و هلیم-۴ تنها ایزوتوپ‌های پایدار آن اند. در هواکرهٔ زمین در برابر هر یک اتم هلیم-۳ یک میلیون هلیم-۴ وجود دارد.[۴]برخلاف بیشتر عنصرها، فراوانی ایزوتوپ‌های هلیم بسته به منبع تولید و فرایند پدیداری شان بسیار متفاوت است. فراوان ترین ایزوتوپ آن، هلیم-۴ در زمین از راه واپاشی آلفای عنصرهای پرتوزای سنگین تر تولید می‌شود. پرتوهای آلفای تابیده شده همگی هسته‌های یونیزه شدهٔ هلیم-۴ اند. هلیم-۴ به طرز غیرمعمولی هستهٔ پایداری دارد چون ذره‌های هسته‌ای آن از آرایش الکترونی پایداری برخوردازند. این ایزوتوپ‌ها در جریان هسته‌زایی مهبانگ به فراوانی تولید شدند.

هلیم-۳ به مقدار بسیار ناچیز یافت می‌شود که بیشتر آن از هنگامهٔ ساخت زمین به جای مانده. گاهی هم هلیم گیر افتاده در گرد و غبار کیهانی هم وارد زمین شده‌است.[۲۹] همچنین در اثر واپاشی بتای تریتیوم هم اندکی هلیم-۳ تولید می‌شود.[۳۰] در سنگ‌های پوستهٔ زمین ایزوتوپ‌هایی از هلیم پیدا می‌شود که نسبت یک به ده دارد با توجه به این نسبت‌ها می توان دربارهٔ منشا سنگ‌ها و ساختار گوشتهٔ زمین پژوهش کرد.[۲۹] هلیم بیش از همه به عنوان محصول واکنش‌های همجوشی در ستاره‌ها پیدا می‌شود. بنابراین در محیط‌های میان ستاره‌ای نسبت هلیم-۳ به هلیم-۴ نزدیک به صد برابر بیشتر از نسبت آن در زمین است.[۳۱] در ماده‌های فرازمینی مانند سنگ‌های موجود در ماه یا سیارکها می توان ردّ پای هلیم-۳۳ را از هنگامی که در اثر بادهای خورشیدی پرتاب شدند، پیدا کرد. غلظت هلیم-۳ موجود در ماه، ۰٫۰۱ ppm است (یک بخش در میلیون) که بسیار بالاتر از مقدار آن، ۵ ppt در هواکرهٔ زمین است (یک بخش در تریلیون).[۳۲][۳۳] دسته‌ای از جملهٔ آن‌ها جرارلد کالسینسکی در سال ۱۹۸۶ پیشنهاد دادند[۳۴] که در سطح ماه جستجو شود و از معدن‌های هلیم-۳۳ آن برای واکنشهمجوشی هسته‌ای بهره برداری شود.

هلیم-۴ مایع را می توان با کمک کولرهای آبی ویژه تا نزدیک به ۱ کلوین سرد کرد. روش سردسازی هلیم-۳ مانند هلیم-۴ است با این تفاوت که هلیم-۳ نقطهٔ جوش پایین تری، نزدیک به ۰٫۲ کلوین دارد و این فرایند در سردساز هلیم-۳ روی می‌دهد. اگر بخواهیم مخلوطی از هلیم-۳ و هلیم-۴ با نسبت‌های برابر در زیر ۰٫۸۸ کلوین داشته باشیم این دو به به دلیل ناهمانندی به صورت دو بخش مخلوط نشدنی از هم جدا می‌شوند (اتم‌های هلیم-۴ را بوزونها تشکیل می‌دهد در حالی که در هلیم-۳ فرمیونها سازندهٔ اتم‌هایند.[۵]) این ویژگی هلیم در یخچال‌های رقیق‌سازی برای رسیدن به دمای چند میلی کلوین به کار می‌آید.

 

می توان به صورت آزمایشگاهی هم ایزوتوپ هلیم درست کرد اما این ایزوتوپ‌ها خیلی زود به دیگر ماده‌ها دگرگون می‌شوند. برای نمونه می توان از هلیم-۵ یاد کرد که دارای کوتاه تریننیمه‌عمر، ۷٫۶×۱۰−۲۲ ثانیه‌است. پس از آن هلیم-۶ است که تابش بتا و نیمه عمر ۰٫۸ ثانیه دارد. هلیم-۷ ذرات بتا و پرتوی گاما می تاباند. هلیم-۷ و هلیم-۸۸ هر دو در شرایط ویژهٔ واکنش‌های هسته‌ای پدید می‌آیند.[۵] هلیم-۶ و هلیم-۸ هر دو با نام Nuclear haloo هم شناخته شده‌اند. به این معنی که شعاع بدست آمده برای آنها بسیار بیشتر از مقدار پیشبینی شده توسط مدل‌های اندازه گیری (برای نمونه liquid drop model) استپپ

 

به اشتراک گذاری این ارسال


لینک به ارسال
به اشتراک گذاری در سایت های دیگر
مهمان
این موضوع برای عدم ارسال قفل گردیده است.

درباره نودهشتیا

نودهشتیا اولین کتابخانه مجازی دانلود رمان میباشد که با هدف ترویج فرهنگ کتابخوانی و حمایت از نویسندگان فارسی زبان آغاز به کار کرده است و بیش از یک دهه است در راستای این اهداف در حال فعالیت و خدمت رسانی به هموطنان عزیز است.

امکانات اضافی

×