هلیوم چیست: خواص و کاربردها

در مقاله پیشِ رو توضیح می‌دهیم که هلیوم چیست و چه خواص و کاربردهایی دارد. هلیوم عنصری شیمیایی با عدد اتمی ۲ و به‌حالت گاز است که فقط در دمای بسیار کم یا تحت فشار شدید به‌حالت مایع درمی‌آید. هلیوم جزو گازهای نجیب است یعنی اتم‌های آن بسیار پایدارند و لذا در شرایط معمول میلی به واکنش ندارند. گاز هلیوم و نیز هلیوم مایع از نظر کاربرد در صنایع مختلف نیز، ماده مهمی است. رنگ شعله هلیوم

هلیوم چیست؟

هلیوم دومین عنصر در جدول تناوبی عناصر شیمیایی است. عدد اتمی هلیوم ۲ است، یعنی هر اتم هلیوم در هسته خود دو پروتون دارد. ضمنا هلیوم در زمره گازهای نجیب است، یعنی با مواد دیگر وارد واکنش نمی‌شود، زیرا لایه ظرفیت اتم‌ هلیوم تکمیل است و لذا با سایر مواد میل به ترکیب ندارد.

خواص هلیوم (فیزیکی و شیمیایی)

هلیوم گاز بی‌رنگ، بی‌بو، بی‌طعم و غیرسمی است و بعد از هیدروژن، سبک‌ترین گاز در جهان محسوب می‌شود. ضمنا هلیوم بین همه عناصر جهان کمترین نقطه جوش را دارد. جدول زیر نشان می‌دهد که سایر خواص فیزیکی و شیمیایی هلیوم چیست:

سایر ویژگی‌های هلیوم چیست؟

هلیوم بعد از هیدروژن، فراوان‌ترین عنصر در سراسر کیهان است اما روی زمین  نسبتا کمیاب است. گاز طبیعی مقادیر کمی هلیوم دارد و ما هلیوم را از آن استخراج می‌کنیم.

هلیوم کمترین نقطه ذوب را بین عناصر دارد و به چون نقطه جوش آن به صفر مطلق نزدیک است، در تحقیقات برودتی بسیار به‌کار می‌رود. همچنین در مطالعه ابررسانایی نقش مهمی دارد.

هلیوم خواص عجیب دیگری هم دارد. مثلا هلیوم مایع، تنها مایعی است که با کاهش دما نمی‌توان آن‌را جامد کرد. برای تبدیل هلیوم به حالت جامد باید فشار وارد بر آن‌را به‌شدت افزایش داد. در فشارهای عادی تا صفر مطلق، هلیوم حالت مایع خود را حفظ می‌‌کند اما اگر فشار از صفر مطلق فراتر رود، هلیوم به جامد تغییر حالت می‌دهد. البته 4He و 3He از این نظر نامعمول هستند زیرا با اعمال فشار بیش از ۳۰درصد حجم، می‌توان حالت‌شان را به جامد تغییر داد.

هلیوم گاز نجیب است

هلیوم یکی از گازهای نجیب در جدول تناوبی عناصر است. گازهای نجیب، گازهایی هستند که لایه ظرفیت اتم‌های‌شان کاملا پر است، لذا نه الکترون جذب می‌کنند، نه الکترون از دست می‌دهند و نه حتی الکترون‌های‌شان را با دیگر اتم‌ها به اشتراک می‌گذارند. درنتیجه، اتم‌های‌شان بسیار پایدار است و در شرایط عادی با سایر اتم‌ها واکنش نمی‌دهند و با ماده دیگری ترکیب نمی‌شوند. هلیوم، آرگون، کریپتون، زنون، نئون و رادون، همگی گاز نجیب هستند.

فراوانی هلیوم

هلیوم از فراوان‌ترین گازها در جهان است اما روی زمین نسبتا کمیاب است و هفتادویکمین گاز فراوان در سیاره ما محسوب می‌شود. بیشترین هلیوم زمین زیر پوسته آن است. چگالی هلیوم نسبت به اکثر عناصر موجود در جو زمین بسیار کمتر است، لذا بعد از آزاد شدن، سریع از جو زمین خارج می‌شود و به فضای خارج از جو می‌گریزد. هلیوم در دمای منفی ۲۶۸.۹۷ درجه سانتی‌گراد (۴.۱۸ کلوین) به مایع تغییر حالت می‌دهد. پس، برای اینکه بتوانیم هلیوم را به‌صورت مایع ذخیره کنیم باید دمای آن‌را بسیار کاهش دهیم و یا آن‌را شدیدا بفشاریم.

هلیوم در ستارگان

از طریق طیف‌سنجی در ستارگان بسیار داغ آثار وجود هلیوم را می‌توان مشاهده کرد. هلیوم در واکنش هم‌جوشی هسته‌ای و پروتون-نوترون و چرخه کربن که انرژی خورشید و ستارگان از آن نشأت می‌گیرد، نقش مهمی دارد. در هم‌جوشی هسته‌ای دو هسته هیدروژن تحت تاثیر دمای بسیار زیاد به‌شدت به‌هم می‌خورند و در پیوند با هم به هسته هلیوم تبدیل می‌شوند. در بمب‌های هیدروژنی نیز که متاسفانه یکی از سلاح‌های کشتار جمعی است، از چنین فرآیندی برای تولید انرژی استفاده می‌شود.

هلیوم در جو زمین

سهم هلیوم از گازهای جو زمین زمین حدود ۱ در ۲۰۰,۰۰۰ است. در مواد معدنی پرتوزا، هلیوم محصول واپاشی (decay) است.

در آزمایش‌های حساس به هوا، اهمیت هلیوم چیست؟

هلیوم به‌سبب پایدار بودنش، برای انجام آزمایش‌های حساس به هوا عنصر مناسبی است اما ماده گرانی است، زیرا در زمین چندان فراوان نیست و ضمنا تبدیل آن به حالت مایع مستلزم کاهش شدید دما یا افزایش فشار است. تهیه هلیومی که درجه خلوص زیادی داشته باشد، پرهزینه‌تر است.

ایزوتوپ‌های هلیوم

تاکنون برای هلیوم، ۹ ایزوتوپ کشف شده است که ۳ مورد آنها ایزوتوپ طبیعی هستند. از بین ایزوتوپ‌های طبیعی هلیوم، فقط دو ایزوتوپ هلیوم-۳ و هلیوم-۴ پایدار هستند و مابقی ایزوتوپ پرتوزا (رادیواکتیو) هستند.

ضمنا مولکول هلیوم مایع (He4) به دو شکل یافت می‌شود: یکی He4I و دیگری He4II که نقطه گذار تیزشان ۲.۱۷۴ کلوین است. ایزوتوپ He4I (بالاتر از این دما) یک مایع معمولی است، اما He4II (پایین‌تر از آن) برخلاف هر ماده شناخته‌شده دیگری است. این ماده با خنک شدن منبسط می‌شود؛ رسانایی گرمای آن بسیار زیاد است؛ و نه رسانایی گرمایی و نه گران‌روی آن از قوانین عادی پیروی نمی‌کند.

کاربرد هلیوم چیست؟

هلیوم در صنایع مختلف کاربردهای مهمی دارد. در ادامه به بعضی‌ از کاربردهای هلیوم اشاره می‌کنیم و سپس برخی موارد را کمی بیشتر توضیح می‌دهیم.

برخی از موارد کاربرد هلیوم چیست؟

• ماده خنک‌کننده
• گاز محافظ در جوش‌کاری قوسی
• عنصر خنک‌کننده در صنایع مختلف (هسته‌ای، فیزیک، الکترونیک و….)
• استفاده در کپسول‌ هوای غواصی
• تمیزکاری مخازن سوخت موشک
• کاربرد در تونل‌های باد مافوق‌صوت
• درمان بعضی از بیماری‌های تنفسی
• گاز مناسب برای کیسه‌ هوای خودروها
• مانع تشکیل حباب در کابل‌های فیبر نوری
• استفاده در بعضی تجهیزات الکترونیک
• گاز محافظ در رشد بلورهای سیلیکون و ژرمانیوم و تولید تیتانیوم و زیرکونیوم
• گاز مناسب برای پر کردن بالن‌های تحقیقاتی و بادکنک‌های تزیینی

در ادامه، بعضی از کاربردهای هلیوم را با کمی تفصیل بررسی می‌کنیم.

غواصی

داخل کپسول غواصی، از ترکیب اکسیژن و هلیوم استفاده می‌کنند، زیرا هلیوم تنفس در عمق آب را تسهیل می‌کند و احتمال عارضه برداشت فشار را کاهش می‌دهد. برداشت فشار، زمانی رخ می‌دهد که غواص یک‌باره و بدون توقف از عمق به سطح آب صعود می‌کند. در چنین مواقعی گازهای محلول (عمدتاً نیتروژن)، هنگام خروج از خون و بافت‌های بدن حباب تشکیل می‌دهند که برای غواص خطرناک است. تنفس هلیوم تا حد زیادی جلوی بروز این عارضه را می‌گیرد، زیرا سریع‌تر از نیتروژن از بدن تخلیه می‌شود. میزان ترکیب اکسیژن (O_۲) و هلیوم (He) در کپسول، به عمق آب بستگی دارد.

گاز محافظ در جوش‌کاری

در جوش‌کاری قوسی، به چند علت از گاز هلیوم نیز استفاده می‌شود: هلیوم رسانای گرماست، لذا انتقال حرارت و جوش‌کاری را تسریع می‌کند. ضمن هلیوم چون گاز نجیب است و تقریبا واکنش‌پذیر نیست، مثل سپر عمل می‌کند و اصطلاحا گاز محافظ است، یعنی اجازه نمی‌دهد مواد مذابِ جوش، در تماس با گازهای موجود در هوا واکنش دهد و آسیب ببیند. بدین‌سان، جوش تثبیت می‌شود و یک‌دست از آب درمی‌آید. آرگون نیز مثل هلیوم، گاز محافظ جوش‌کاری است. میزان ترکیب هلیوم و آرگون را می‌توان بسته به شکل جوش، سرعت کار و گرمای موردنیاز تنظیم کرد.

کیسه هوای خودرو

برای باد کردن کیسه هوای خودرو از گازهایی مثل نیتروژن، آرگون استفاده می‌شود که غیرسمی، غیرقابل اشتعال و ایمن هستند. می‌توان در کنار چنین گازهایی از هلیوم نیز استفاده کرد زیرا هلیوم بسیار سریع منبسط می‌شود. لذا هنگام بروز خطر، کیسه هوا سریع‌تر پر می‌شود تا از سرنشینان خودرو محافظت کند.

تمیز کاری مخازن سوخت موشک

در سوخت موشک‌های فضایی، هیدروژن مایع و اکسیژن به‌کار می‌رود. مهندسان برای تمیز کردن مخازنِ خالیِ سوخت، از هلیوم استفاده می‌کنند. هلیوم چون گاز نجیب (و تقریبا واکنش‌نا‌پذیر) است، لوله‌های مخازن را منجمد نمی‌کند و در تماس با اکسیژن مشتعل نمی‌شود.

بالن و بادکنک

بالن‌های بزرگ مسافرتی و تفریحی و نیز بالن‌های تحقیقاتی را با گاز هلیوم پر می‌کنند، زیرا اولا هلیوم از هوا سبک‌تر است و لذا بالن را بالا می‌برد و ثانیا چون گاز بی‌اثر است و برخلاف هیدروژن، مشتعل نمی‌شود و بسیار ایمن است. بادکنک‌های تزیینی که بالا می‌روند و به سقف می‌چسبند نیز حاوی هلیوم هستند.

تصویر زیر، بالن چینی S500 را نشان می‌دهد که پر از گاز هلیوم است و به‌‌واسطه پروانه بادی خود، در ارتفاع ۵۰۰ متری از سطح زمین برق تولید می‌کند.

راکتورهای شکافت هسته‌ای

هلیوم ماده خنک‌کننده است؛ لذا انتقال گرما از هسته راکتور به سایر قسمت‌ها را تسهیل و به کنترل دما و افزایش ایمنی داخل نیروگاه هسته‌ای کمک می‌کند.

ذره‌کوب هاردون

ذره‌کوب هاردون، بزرگترین و پرانرژی‌ترین ذره‌کوب دنیاست که دانشمندان با استفاده از آن، ساختار فضا و زمان را بررسی می‌کنند و می‌کوشند به پرسش‌های دیرینه درباره فیزیک پاسخ دهند. آهنرباها جزء مهمی از این سامانه هستند که برای شلیک ذرات به‌کار می‌روند و حین کار بسیار داغ می‌شوند. لذا طی فرآیندی سه‌مرحله‌ای، با استفاده از تقریبا ۱۰۰ تن هلیوم خنک‌شده (در دمای منفی ۲۷۱.۳ درجه سانتی‌گراد) جلوی گرم شدن بیش از حد آهنرباها را می‌گیرند.

تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (اِم.آر.آی)

پزشکان برای انجام پویش‌ها یا اسکن‌های تصویری رزونانس مغناطیسی (MRI) به هلیوم نیاز دارند. دستگاه‌های ام‌.آر.آی برای ثبت تصویرهای دقیق از بدن آهنرباهای قدرتمندی دارند که هنگام کار داغ می‌شوند. اما هلیوم مایع، جلوی افزایش شدید دمای آهن‌ربا را می‌گیرد.

نقش هلیوم در درمان آسم و آمفیزم

پزشکان هلیوم را با اکسیژن ترکیب می‌کنند تا بیماری‌های تنفسی مانند آمفیزم و آسم را درمان کنند. هلیوم در طول درمان مفید است زیرا این ترکیب، بسیار سریع‌تر از اکسیژن خالص به ریه‌ها می‌رسد.

کابل‌های فیبر نوری

هلیوم در صنعت ساخت کابل‌های فیبر نوری نیز به‌کار می‌رود. استفاده از هلیوم از تشکیل حباب‌های هوا در داخل کابل جلوگیری می‌کند.

گوشی‌های هوشمند و تجهیزات الکترونیک

رایانه‌ها، تبلت‌ها، گوشی‌های هوشمند و دیگر لوازم الکترونیکی پیشرفته، تراشه‌هایی از جنس مواد نیمه‌رسانا دارند. این دستگاه‌های کوچک حاوی مدارهای متعددی هستند که جریان‌ الکتریکی را بین اجزای مختلف دستگاه منتقل می‌کنند تا دستگاه وظایف موردنظر کاربر را انجام دهد.

هلیوم در صنعت نیمه‌رسانا نقش مهمی دارد، زیرا به‌عنوان رسانای نشتی، عامل خنک‌ساز، گاز رقیق‌کننده در حکاکی پلاسما و گاز حامل برای رسوب‌گذاری استفاده می‌شود. هلیوم تقریبا در ساخت هر دستگاه الکترونیکی نقش دارد.

دیسک‌های سخت

برخی شرکت‌های سازنده دیسک‌ سخت (هارددیسک)، فضای داخل دیسک را با هلیوم پر می‌کنند. زیرا هلیوم سبک و چگالی آن یک‌هفتم چگالی هوا است؛ درنتیجه، تلاطم کمتری ایجاد می‌کند. دیسک‌های حاوی هلیوم در مقایسه با دیسک‌های حاوی هوای معمولی، سریع‌تر و سبک‌تر و خنک‌تر هستند. ضمنا دیسک‌های هلیومی در دمای کم نیز خوب کار می‌کنند، رطوبت را از بین می‌برند، مصرف برق را می‌کاهند و به افزایش ظرفیت ذخیره‌سازی کمک می‌کنند.

کشف هلیوم

هلیوس در یونانی خورشید معنی می‌دهد. دانشمندی به نام جانسون در خورشیدگرفتگی سال ۱۸۶۸ میلادی به اولین شواهد وجود عنصری با مشخصات هلیوم را پی برد. او در خورشیدگرفتگی مذکور متوجه خط جدیدی در طیف نورهای خورشید شد. لاکیر (Lockyer) و فرانکلند (Frankland) برای عنصر جدید نام هلیوم را برگزیدند. در ۱۸۹۵ رامسی (Ramsay) در کلویت، یکی از کانی‌های معدنی اورانیوم است، هلیوم پیدا کرد. تقریبا در همان زمان، کلیو (Cleve) و (Langlet)، دو شیمیدان سوئدی نیز در کلویت، هلیوم کشف کردند. رادرفورد (Rutherford) و رویدز (Royds) در ۱۹۰۷ نشان دادند که ذرات آلفا در واقع هسته‌های هلیوم هستند، زیرا هر ذره آلفا حاوی دو پروتون است.