Helium

Helium (vun’t greeksch ἥλιος hélios „Sünn“) is en Element mit dat Atomteken He un de Atomtall 2, dat jüst as Neon, Argon, Krypton, Xenon un Radon en Eddelgas is. Da bedüüdt, dat Helium nich so licht mit annere Elementen reageern deit un ok nich mit sik sülvst. Anners as de meisten Elemente, de dat as Gas gifft, kommt Eddelgasen nich as Molekülen vör, man blievt als enkelte Atomen. As Waterstoff hett Helium ok en ganz lütte Dicht un is noch sworer to kondenseeren as Waterstoff. Bi ganz deepe Küll liggt Helium in en superfluiden Tostand vör, dat warrt aver nich eenmol fast, wenn en dat bi Normaldruck op 0 K rünnerköhlt. Dat geiht blots, wenn ok bannig hoogen Druck is.

Helium

Helium is na den Waterstoff dat tweetfakenste Element in dat Weltall un entsteiht vundaag dör Karnfusion in de Sünn (un ok in all de annern Steerns). Man dat meiste vun’t hele Helium is in de eersten dree Minuuten na den Oorknall tostannen kamen. Gifft aver ok en Oort von Radioaktivität de Alphaverfall nöömt warrt. Dorbi warrt Alphadeelkens freesett, dat sünd nix anners as ⁴He-Karns (kanns ok seggen Atome ohne jemehr Elektronen).

Historie

Kumplett Absorptschoonsspektrum vun de Sünn.

De eersten Henwiesen op dat Element Helium weern in dat Spektrum vun de Chromosphäär vun de Sünn funnen worrn. Dor binnen is en helle gele Spektrallien opfallen mit en Bülgenläng vun 587,49 nm. Opdeckt hett dat de franzöösche Astronom Pierre Janssen wiel en totale Sünndüsternis in Indien an’n 18. August 1868.

As he dat bekannt maken de, hett em toeerst nümms glöövt, vun wegen dat noch nie in’n Weltruum en nee’ Element opdeckt worrn is. In dat lieke Johr, an’n 20. Oktober, hett de Englänner Norman Lockyer faststellt, dat dat disse gele Spektrallien würklich gifft. He hett ok dorut slaten, dat se vun en bit dorhen unbekannt Element veroorsaakt wesen müss. Wiel de Lien bannig dicht an de so nöömten Fraunhofer D-Lien leeg, hett he ehr as D3-Lien betekent, üm ehr vun de dicht bi liggenden D1- un D2-Lienen vun’t Natrium aftogrenzen.

He un sien engelschen Kolleeg Edward Frankland hebbt denn vörslahn, dat man dat ne’e Element na dat greeksche Woort för Sünn nömen schull. Un wiel se dorvun utgahn sünd, dat dat ne’e Element en Metall weer, hebbt se de Ennen -ium ranbammelt un nich -on as dat vör de Eddelgasen begäng weer.

An’n 26. März 1895 hett de britsche Chemiker William Ramsay Helium wunnen, as he dat Uran-Mineral Cleverit mit Mineralsüren versett un dat Gas isoleert hett, dat dorbi freesett worrn is. An sik weer he op de Söök na Argon, harr denn aver de lieke gele D3-Lien funnen, nadem he den Stickstoff un den Suerstoff vun dat wunnen Gas rutmaakt harr. Meist to lieken Tiet harrn de britsch Physiker William Crookes un de sweedschen Chemikers Per Teodor Cleve un Nicolas Langlet datsülve faststellt. Se hebbt denn utrekend veel vun dat Gas sammelt, üm denn ok de Atommasse bestimmen to künnen.

In Dexter in Kansas weer en Eerdgasborn funnen worrn, as dor na Ööl bohrt weer. Disse Born bestünn to 12 Volumenprozent ut en unbekannt Gas. De US-amerikaanschen Chemikers Hamilton Cady un David McFarland vun de Universität vun Kansas hebbt rufunnen, dat dat Helium weer. Se hebbt publizeert, dat Helium ok ut Eerdgas wunnen warrn kann. Un in dat sülve Johr hebbt Ernest Rutherford un Thomas Royds rutfunnen, dat Alphadeelken nix anners as Helium-Karns sünd.

De eerste Verfletigen vun Helium hett 1908 de nedderlännsch Physiker Heike Kamerlingh Onnes maakt, as he Helium op en Temperatur vun blots 1 K rünnerköhlt hett. He hett ok versocht, dat Element bi 0,8 K verklamen to laten, künn dat aver nich schapen, wiel dat blots ünner hoogen Druck geiht. Onnes hett to’n eerste mol den vundaag na em nöömten Onnes-Effekt beschreven. Dat eerste Verklamen vun Helium hett 1926 en Student vun Onnes dörföhrt, Willem Hendrik Keesom, de dat Helium ok op lieke Temperatur rünnerköhlt hett aver ünner en Druck vun 25 bar.

Natürlich Vörkamen

In’t Weltall

Na de Oorknalltheorie is de gröttste Deel vun’t Helium in’n Weltruum in de eersten dree Minuten na den Oorknall entstahn. Dat warrt ünnerstütt dör dat grote Vörkamen in’t Weltall. Helium is na den Waterstoff dat tweetfakenste Element. Vun de Materie, de man sehn kann, maakt Helium ungefäähr 23 % ut, ofschoonst Waterstoffatomen achtnmol fakener sünd. Helium warrt butendem ok in Sünnen tüügt: Dat so nöömte Waterstoffbrennen levert de Energie, de den gröttsten Deel vun all Sünnen to’n Lüchten bringt, neemlich die Steerns op de Hööftreeg.

Dör dissen Vörgang kriegt de Steerns de Energie för den gröttsten Deel vun jemehr Bestahn. Wenn de Waterstoff to’n gröttsten Deel in’n Karn opbruukt is, denn tütt he sik tohopen un vergröttert dordör sien Temperatur. Dordör kann de Helium in en Sünn nu wieter „verbrennt“ warr to Kohlenstoff (Heliumflash, Heliumbrennen). In en Schaal üm dissen Karn löpt aver wieter dat Waterstoffbrennen af. Ok de Kohlenstoff warrt to annere, sworere Elementen wieterfusioneert. Dat geiht hoch bit to’n Iesen. Un wenn dat sogor to en Supernova-Explosion kummt, denn künnt ok noch sworere Elementen tostannen kommen, de dör de Explosion denn in’n Weltruum verdeelt warrt. So riekert sik de interstellar Materie mit Helium un sworere Elementen an, de denn ok bi jüngere Steerns vörkamt.

Op de Bavenflachen vun Steerns un in Nevela gifft dat Helium tomeist neutral oder eenfach ioniseert. Anners as sonst in de Physik un de Chemie, warrt dorför nich de Schrievwies mit dat hoochstellte „+“ bruukt, vunwegen dat annere Elementen so dull ioniseert sünd, dat disse Schrievwies to ümständlich warrt (t. B. sössteihnfach ioniseert Iesen in de Sünnkorona). In de Astronomie warrt dorüm röömsch Tallen bruukt, wobi dat neutral Helium as He-I betekent warrt, eenfach ioniseert Helium as He-II un vullstännig ioniseertet Helium as He-III.

Helium kummt ok in verscheeden Planetenatmosphäären vör:

Neptun	19 % ± 3,2 %
Uranus	15,2 % ± 3,3 %
Jupiter	10,2 %
Merkur	6 %
Saturn	3,25 %
Venus	12 ppm
Eer	5,2 ppm

Op Meteoriten un Maand

Op Meteoriten kann Helium dör Wesselwirken (Spallatschoon) mit de Kosmisch Strahlen tüügt warrn. Sünners dat Isotop ³He kann dorüm nütt warrn, üm so nöömte Bestrahlenöller to bestimmen. Dormit is de Tietruum twüschen dat Losslahn vun’n Mudderkörper bit to’n Opslahn op de Eer meent. Bito entsteiht ⁴He in Meteoriten dör den Verfall vun sworere radioaktive Elementen. Wietere Heliumandeelen in Meteoriten stammt ut de Tiet, as dat Sünnsystem entstahn is, to’n Deel aver ok ut den Sünnwind, de opfungen worrn is.

Dat lieke gellt ok för de Stenen op de Bavenflach vun den Maand. Dat is faken teemlich lang den Sünnwind un de kosmisch Strahlen utsett. Dorüm is Mondsteen sünners riek an Helium, un sünners an dat Istop ³He. Wenn dat irgendwnan mööglich warrn schüll, Fusionsreakters för de Deuterium-Tritium-Fusion to entwickeln, künn dat Winnen vun Helium-3 vun’n Maand weertschaplich intressant warrn. To Tiet hett t. B. China en Energienafraag, de in’t Johr 3 Tünnen Helium-3 föddern de^[1].

Op de Eer

⁴He kummt binnen de Eer tostannen bi’n radioaktiven Verfall (Alphaverfall) vun swore Elementen as Uran un Thorium, wobi de Helium-Karns as Alphadeelken utsennt warrt un anslutend Elektronen infangt. Helium warrt in verscheeden uran- un thoriumhollig Mineralen funnen, as t. B. Plechblennen.

Ut de Tiet, as de Eer tostannen kamen is, stammt en Andeel vun’t ³He in’n Eerdmantel, de wiet över de Weert liggt, de in de Atmosphäär meten warrt. dat is dat so nöömte Mantelhelium. In’n böveren Eerdmantel, de al to’n groten Deel utgast is un dorüm vundaag gröttstendeels dör dat Helium-4 ut de Alphaverfäll opfüllt warrt, liggt de ⁴He/³He-Proportschoon bi ruchweg 86.000. Schüll dat Konvekschoonssystem vun den ünneren Eerdmantel wietrekend vun den böveren Mantel afsplitt un de Massen uttuusch twüschen beide Deelen demna teemlich lütt wesen, denn liggt de Proportschoon in’n ünneren, kuum utgasten Mantel twüschen 2.500 un 26.000, wiel dor de Helium-3-Andeel noch veel hööger is.

Disse Saak is vun Intresse sünners in Henblick op de Dynamik vun de Eer un de Konvektschoon in’n Tosamenhang mit Hotspot-Vulkanismus: För de Basalten, de an de middelozeanschen Rüchen dör Smöltvörgäng in’n böveren Eerdmantel tostannen kommt, is en Proportschoon vun 86.000 tyypsch. Dorgegen hebbt de Basalten vun verscheeden Hotspots-Vulkanen (t. B. op Hawaii oder Iesland) Weerten, de dree- bit veermol sieter liggt. Dat warrt dormit verklort, dat disse Vulkanismus dör Mantelplumes veroorsaakt is, de deep in de Eer an de Karn-Mantel-Grenz (Wiechert-Gutenberg-Grenz) entsteiht un dorüm to en grooten Deel ut Material vun’n ünneren Mantel besteiht.

Helium is in lütte Mengden ok Bestanddeel vun de Eerdatmosphäär (5,2 ppm), aver ok vun Eerdgas oder Eerdööl (0,4 %). De Andeel in de Atmosphäär is so lütt, wiel dat meeste Helium op de Eer, vun wegen sien Lichtigkeit un wieldat sik dat Eddelgas ok nich mit annere Elementen verbinnen deit, in den Weltruum witschen deit. In en Hööch vun ungefäähr 1.000 km över Normalnull is Helium dat an’n fakensten vörkamend Element, wiel sik dat dor ansammelt. Man dat kann ok angahn, dat dit Helium ut’n Sünnwind stammt.

Künstlich Herstellen

De weertschopplich bedüdenste un gröttste Heliumborn is dat Eerdgas, wat bit to 7 % Heliumandeel hebben kann. Helium hett bannig siete Smölt- un Kaaktemperaturen. Üm dat Helium vun de annern Stoffen (t. B. Kohlenwaterstoffen un Stickstoffverbinnen) in’t Eerdgas aftoscheeden, warrt also düchtig siete Temperaturen bruukt.

Lange Johren hebbt de USA mehr as 90 % vun dat weltwiet bruukbor Helium wunnen. 1995 weer in de Verenigten Staaten tohopen 1 Milliarde Kubikmeter Helium föddert. De Rest keem ut Fundsteeden in Kanada, Polen, Russland un annere Länner. In Russland kommt grote Mengden in Sibirien vör, wo een nich so licht hinkamen kann. Na de Johrdusendwenn hebbt ok Algerien un Katar Helium wunnen. Algerien is gau to’n tweetbedüdensten Heliumleverer worrn. 2002 hett Algerien al 16 % vun dat Helium wunnen, wat weltwiet in’n Hannel kamen is.

Bi Amarillo in Texas weer 2004 ungefäähr dat Teihnfache vun de Heliummengde lagert, de weltwiet in’t Johr bruukt warrt. Dat weer en strategische Reserve vun de amerikaansch Regeeren. De Reserve müss aver in de Johren na 1996 an de private Weertschap verköfft warrn vun wegen den Helium Privatization Act, de vun de Clinton-Regeeren beslaten worrn weer.

Dat Isotop ³He is blots to ruchweg 1,4 ppm in dat natürliche Helium binnen un dorüm bannig düer. Vun’t Prinzip her kann man dat Isotop ok dör en Karnreakschoon wunnen warrn. T. B. entsteiht dat bi den Betaverfall vun Tritium:

\mathrm {{}^{3}H} \mathrm {\rightarrow {}^{3}He} +\beta

Tritium un Helium-4 künnt dör Bescheten von Lithium mit Neutronen in en Karnreakter tüügt warrn:

\mathrm {{}^{6}Li+n\ \rightarrow \ {}^{3}H+{}^{4}He}

Heliumherstellen in de Historie

Fröh in’t 20. Johrhunnert sünd grote Mengden Helium in de Eerdgasfeller vun de US-amerikaanschen Great Plains funnen worrn. Se weern de Grundlaag dorvör, dat de USA de föhrend Leverer vun Helium worrn is. Op Vörslag vun Sir Richard Threlfalls hett de US-Marine wiel den Eersten Weltkrieg dree lütte Heliumbedrieven för Experimenten ünnerstütt, üm Helium to’n Opfüllen vun Sparrballons to winnen. Vun disse Bedrieven weern 5.700 m³ Gas maakt mit en Heliumandeel vun 92 %. Dorvör harrn se man blots en poor Hunnert Liter dorvun tostannen brocht. Lütte Mengden vun dit Gas weern ok in dat weltwiet eerste mit Helium opfüllte Luftschipp bruukt, dat C-7 vun de US-Navy, dat sien Jumfernfohrt an’n 7. Dezember 1921 op de Streck vun Hampton Roads, Virginia, na Boiling Field, Washington D.C. maakt hett.

De US-amerikaansche Regeeren hett 1925 in Amarillo de National Helium Reserve inrichten laten, dormit in Kriegstieten de Versorgen vun de militärschen Luftscheep seker stellt weer un vun zivile Verkehrsluftscheep in’n Freeden. De Nafraag is in’n Tweeten Weltkrieg torüch gahn, man de Anlaag in Amarillo is doch wieter utboot worrn, dormit fletig Helium as Köhlmiddel för Suerstoff-Waterstoff-Rakentendrievstoff un annere Saken, de kolt hollen warrn mött, verfügbor weer. De Heliumverbruuk vun de USA is in’t Johr 1965 op dat Achtfache vun den höchsten Verbruuk to Kriegstieten anstegen.

In de USA sünd fief wietere Föddernalagen boot worrn, nadem dat Helium Acts Amendments of 1960 (Public Law 86-777) beslaten weern. Dat US-Minenministerium hett dorvör en 685 km Pipeline vun Bushton, Kansas, na Amarillo, Texas, boen laten.

Na den Tweeten Weltkrieg weer dat Helium gau jümmer reiner. 1945 is för de Luftscheep noch en Mischen vun 98 % Helium mit 2 % Stickstoff bruukt worrn, man 1949 künn al Helium mit en Reinheit vun 99,995 % verköfft warrn. Disse Reinheit künn weer mit Aktivkahl hentokriegen, de de Verunreinigen in dat Helium – tomeist Neon – dör Druckwessel-Adsorptschoon ruttomaken.

Egenschoppen vun Helium

Helium hett na den Waterstoff de tweetlüttste Dicht un wiest dorto noch de sietsten Smölt- un Kaakpunkten vun all Elementen op. Blots ünner bannig siete Temperaturen kummt Helium fletig oder fast vör. Bi Temperaturen ünner 2,17 K kummt ⁴He as en suprafluide Phaas vör. Ünner Normaldruck warrt Helium nich fast, ok bi 0 K nich. Erst af en Druck vun mehr as 2,5 MPa – dat is de fiefuntwintigfache Atmosphärendruck – geiht Helium bi utreckend deepe Temperatur in en faste Phaas över.

Gasförmig Phaas

Helium is en Gas ahn Klöör un Röök, dat ok nich giftig is. Bi Standardbedingen verhollt sik Helium meist as en ideal Gas. Ünner meist all Bedingen kummt Helium as Atomen vör. Een Kubikmeter vun dat Eddelgas hett ünner Standardbedingen en Masse vun 179 g. Luft hett dorgegen de sövenfache Masse. Na Waterstoff wiest Helium de gröttste Warmsleddanlaag vun de Gasen op, und ok sien spezifisch Warms is utermatig hooch. För Elektrischen Stroom is Helium en goden Isolater.

In Water löst sik Helium slechter as all anneren Gasen. Dör Faststoffen kann Helium dreemol beter dör diffundeeren as Luft un 65 % beter as Waterstoff^[2]. Bi Standardbedingen hett Helium en negativen Joule-Thomson-Koeffizient. Dat bedüüdt, dat Gas warrt warmer, wenn sik dat utdehnt. Eerst ünner de Joule-Thomson-Inversionstemperatur (bi Atmosphärendruck ruchweg 40 K) warrt dat Gas bi’t Utdehnen köhler. Op disse Temperatur mutt Helium dorüm vörköhlt warrn, vördem man dat dör Expansionsköhlen verfletigen kann.

Fletig Phaas

Dat Helium-Isotop ⁴He liggt twüschen den Kaakpunkt bi 4,21 K un den Lambdapunkt bi 2,1786 K as en Fletigkeit ahn Klöör vör, de ok Helium I nöömt warrt. AS ok annere düchtig kolle Fletigkeiten kaakt Helium I, wenn man dat hitt maken deit un tütt sik tohopen, wenn de Temperatur lütter warrt. Wenn dat Gas an den Lambdapunkt kummt, dehnt sik dat slagordig vun sülvst ut. Dat warrt ’n beten weniger, bit ruchweg 1 K. Denn höört dat Utdehnen op un dat Helium fangt an, sik wedder tosamentotehn.

Suprafluide Phaas

Ünner den Lambdapunkt entwickelt ⁴He teemlich ungewöhnliche Egenschoppen. Helium mit disse Egenoorden warrt as Helium II betekent. Kaken is bi Helium II vun wegen sien hoge Warmsleddanlaag nich mehr mööglich. Wenn dat ophitt’ warrt, verdampt de Fletigkeit in den gasförmigen Tostand, so gau as de „Kaakpunkt“ tostannen is.

Helium II is en Suprafluid. In disse Phaas fleet Helium dör elk noch so lütte Lock bit in Gröttenorden vun 10⁻⁷ bit 10⁻⁸ m un hett ok keen meetbor Viskosität mehr. Bi Meten twüschen twee sik bewegende Schieven künn aver en Viskosität nawiest warrn, de liek de vun gasförmig Helium is. Dat warrt mit en Theorie verkloort, na de sik dorin en Andeel Heliumatomen ahn Viskosität un en Deel mit Viskosität befinnt.

Helium II wiest as annere suprafluide Fletigkeiten ok den Onnes-Effekt op: Wenn ut dat Helium II en Ding rutkieken deiht, denn bewegt sik dat Helium ok gegen de Gravitatschoon op disse Bavenflach. Op disse Wies kann Helium II ok ut en Fatt rutkröpen, wenn dat nich akkerat afslaten un versiegelt is. Kummt dat in en Rebeet, dat warmer is, verdampt dat. Vun wegen den Krööpeffekt un de Egenoort, ok ut lüttste Löcker över’n Diek to gahn, is dat bannig swor, fletig Helium in en afgrenzten Ruum to hollen. Üm dat mit Helium II hentokriegen, brukkt een en fiegelinsch utklamüstert Fatt, dormit dat nich verdampt oder weglöpt.

De Warmsleddanlaag vun Helium II is grötter as bi all annern bekannten Stoffen. Dat warrt dör den Effekt vun’n tweeten Schall beschreven. De Warmsleddanlaag is bi Helium II een Million mol so groot as bi Helium I un sogor en poor hunnert mol höger as de vun Kopper. Dat kummt, wieldat de Överdrägen vun de Warms dör quantenmechaansch Effekten bestimmt warrt. De meisten Stoffen, de de Warms goot leiden künnt, hebbt en Valenzband mit fre’e Elektronen, de de Warms goot leddt. Helium II hett so wat nich, mann leddt de Warms mit en Snelligkeit vun 20 m/s bi 1,8 K. Dat is en Vörgang, de dör en Bülgenglieken beschreven warrn kann.

1971 hebbt David M. Lee, Douglas D. Osheroff un Robert C. Richardson ok dat ³He-Isotop in en suprafluiden Tostand brocht. Dorto hebbt se dat Isotop op en Temperatur vun 2,6 mK afköhlt. Dat warrt vermoodt, dat twee ³He-Atomen en Poor billt, liek en Cooper-Poor. Dit Poor hett en magneetsch Moment un en Dreihmoment. För disse Arbeid hebbt de dree Wetenschopplers 1996 den Nobelpries för Physikkregen.

Faste Phaas

Helium is de eenzige Stoff, de bi Normaldruck nich fast to kriegen is. Dat geiht aver, wenn man höögeren Druck hett. Af ungefäähr 2,5 MPa un bi düchtig siete Temperatur (<1,5 K). Bi den Phaaswessel entsteiht en meist vullkamen dörsichtigen Faststoff, de düchtig komprimeert warrn kann. In’t Labor kann fast’ Helium üm bit to 30 % tohopendrückt warrn. Dormit is Helium 50mol beter komprimeerbor as Water. Helium hett in’n fasten Tostand kristalline Strukturen. Bi’t Ankieken kann man den fletigen vun’n fasten Helium kuum ünnerscheeden, wieldat de Breektallen meist liek sünd.

n en annern Fall kann bi meist 0 K un gleiktietig Zentrifugeeren en Tostand tostannen brocht warrn, de as suprafast betekent warrt. En deel vun den Faststoff dämpt dorbi de egen Rotatschoon un dördringt de restlichen Deelen vun de Materie. Woans dat nu tostannen kummt, doröver gifft dat opstunns noch keen Theorien oder Annahmen.

Atomar Opbo

Dat mit Afstand fakenste Helium-Isotop ⁴He besteiht ut twee Protonen un twee Neutronen in’n Atomkarn un ut en Elektronenhüll mit twee Elektronen. En tweet’ bestännig Isotop is dat ^eHe wat in’n Atomkarn een Neutron weniger hett. Gifft noch en Reeg vun Isotopen mit dree un mehr Neutronen, de aver unbestännig un dorüm weniger intressant sünd.

De beiden Elektronen vun’t Heliumatom billt de afslaten kugelsymmetrische Elektronenschaal vun dat 1s-Orbital. Disse Elektronenkonfiguratschoon is vun de Energie her düchtig bestännig. Dorüm gifft dat ok keen anner’t Element, dat en högere Ionisatschoonsenergie un en lüttere Elektronenaffinität hett. Dat Heliumatom hett den lüttsten Radius överhööft, liekers dor een Elektron mehr in de Hüll is as bi’n Waterstoff.

Afhangig vun de Orienteeren vun den Spin vun de beiden Elektronen snackt man vun Parahelium bi twee antiparallele Spins (S=0) un vun Orthohelium bi twee paralelle Spins (S=1). Bi dat Orthohelium befinnt sik een Elektron nich in dat 1s-Orbital, wiel dat vun wegen dat Pauli-Verbott nicht mööglich is.

De Beteken vun de beidne Tostännen baseert op en Versehn ut fröhere Tieten: Wiel de elektromagnetsch Övergang twüschen den Grundtostand vun dat Orthohelium un den Grundtostand vun dat Parahelium (also den Helium-Grundtostand) verboden is, schient de beiden „Oorden“ vun’t Helium spektroskoopsch as twee ünnerscheedlich Atomen. Dorüm keem dat, dat Carl runge un Louis Paschen postuleert hebbt, dat Helium ut twee splitt Gasen bestünnen, neemlich dat Orthohelium („richtig Helium“) un dat Parahelium (vör dat se den Naam Asterium vörslahn hebbt.)

Neven de Konfiguratschoon vun’t Orthohelium künnt de Elektronen ok noch annere anregte Tostännen innehmen, t. B. dör Bescheten mit wietere Elektronen. Disse deelwies lang bestännigen anregten Tostännen warrt ok as metabestännige Energieniveaus betekent.

Cheemsch Egenschoppen

Helium is en Eddelgas. De enzige Elektronenschaal is mit twee Elektronen vull besett. Vun wegen de rüümlich Neeg to’n Atomkarn sünd die beiden düchtig stark bunnen. Dat wiest sik ok an de bannig hogen Ionisatschoonsenergie vun’t Helium. Ok dat maakt dat Helium sülvst gegenöver de anneren Eddelgasen so bannig draag, wat cheemsch Reakschonen angeiht.

Helium-Dimer

Orbitalbesetten vun en hypothetisch He₂-Molekül.

As dat dör dat Molekülorbital-Schema wiest warrt, billt Helium-Atomen ünnereenanner keen cheemsch Binnen. Bi dat Helium is dat 1s-Orbital mit en Elektronenpoor besett. Bi de vun twee Atomorbitalen is dat binnend as ok dat antibinnend Molekülorbital mit elk een Elektronenpoor besett. Beide Wirken maakt sik gegensietig tonicht, so dat keen Binnen tostannen kummt.

Vun wegen de för all Atomen un Molekülen wirksomen van-der-Waals-Wsselwirken gifft dat aver ok bi dat Helium ein Dimer, man blots mit en bannig siete Binnenenergie vun ruchweg 1,1 mK (=9,5 · 10^-26 J) un en enstsprekend groten Binnenafstand vun ungefäähr 52 Å^[3].

Ionsch Binnen

Ünner extreme Bedingen is dat möglich, en Oort cheemsch Verbinnen vun Helium mit en Proton (HeH⁺) to tügen. Disse Verbinnen is bi Normalbedingen düchtig unbestännig un kann nich in de Form vun en Solt as HeH⁺X⁻ isoleert warrn.

\mathrm {He+H^{+}\longrightarrow HeH^{+}}

In en Mischen ut Helium un Waterstoff billt sik wiel en elektrisch Entladen en Heliumhydrid-Ion

En entsprekend Reakschoon kann ok twüschen twee Helium-Atomen aflopen, wenn nooch Energie för’t Ioniseeren toföhrt warrt.

\mathrm {He+He\longrightarrow HeHe^{+}+e^{-}}

Disse Verbinnen künnt aver nich as richtige cheemsche Verbinnen betekent warrn, man se sünd ehr ionische Agglomeratschonen, de ünner extreme Bedingen kort tostannen kamt aver ok foorts wedder tweigaht.

Helium-Isotopen

Verscheeden Egenschoppen vun de Isotopen	³He	⁴He
Dicht in g/cm³	0,082	0,145
Kritisch Temperatur in K	3,32	5,20
Lambdapunkt in K	0,0025	2,1768
Smöltdruck bei T = 0K in MPa	3,439	2,536
Kaakpunkt in K	3,19	4,21

Vun Helium sünd acht Isotopen bekannt, wovun blots twee, ³He un ⁴He bestännig sünd. In de Eerdatmosphäär gifft dat op een Million ⁴He-Atomen blots een ³He-Atom, man de Proportschoon is afhangig vun’n Oort, woneem de Proov nahmen worrn is. In’t interstellare Medium ist dat ³He hunnertmol fakener. Ok in de Stenen in de Eerdkrust un in’n Eerdmantel is de Proportschoon düüdlich höger as in de Atmosphäär un ännert sik je na Herkunft üm den Fakter 10. In de Geologie warrt disse Ünnerscheden nütt, üm wat över dat Entstahn vun de Steenproov wies to warrn.

³He un ⁴He wiest vun wegen jemehr ünnerscheedlich Symmetriegenschoppen (³He-Atomen sünd Fermoinen, ⁴He-Atomen sünd Bosonen) en poor verschedene physikaalsche Egenschoppen op, de sik sünners bi bannig siete Temperaturen wiest. Lieke Andeele vun fletig ³He un ⁴He scheedt sik bi ünner 0,8 K vun wegen jemehr ünnerscheedlich Quantenegenschoppen in twee Fletigkeiten, de nicht to mischen gaht – jüst as Ööl un Water. Butendem ünnerscheedt sik de beiden Isotopen düüdlich in jemehr suprafluiden Phasen (Helium II).

In’n Tosamenhang mit ankünnigte mit ne’e Ruumfohrt- Missionen vun de USA, Russland un China na’n Maand, weer dat dor vörkamende ³He deelwies as lohnend Born ansehn, üm dormit Karnfusion baseerend op dat Isotop op de Eer möglich to maken. In’n Vergliek to de Alternative, de op Deuterium/Tritium baseert, is ³He nich so radioaktiv, bruukt dorvör aver wedder höögere Temperaturen^[4].

En sünner’t, fiktiv Isotop vun Helium weer dat Diproton, wat ut blots twee Protonen un twee Elektronen bestahn de, wenn’t dat denn geven de. Dat is aver nich möglich, wohrschienlich, wiel dat gegensietige Antrecken vun de Protonen dör de starke Karnkraft in dissen Fall nich reckt, üm de afstöttende elektromagneetsch Kraft twüschen de beiden Protonen uttoglieken. As dat scheint, sünd de Neutronen nödig, üm den Karn as en Oort „Kitt“ tohopentobacken.

Verwennen un Bruuk

Helium warrt ünner hogen Druck affüllt un kann so free köfft warrn. Wunnen warrt dat ut Eerdgas. Bruukt warrt dat op vele Rebeden, woför en Gas bruukt warrt, dat tomindt een vun de ganzen vördeelhaften Egenschoppen vun’t Helium nödig is, as t. B. de siete Smöltpunkt, de siete Dicht, de siete Löslichkeit, de hoge Warmsleddanlaag oder ok, dat Helium swor reageert.

Gas-Mischen vun Helium un Suerstoff (in de Proportschoon 80:20) warrt to’n Beaten för Asthmakranke bruukt, wiel de Viskosität lütter is as bi normale Luft un sik dat dorüm lichter aten lett.
Verscheden Mischen mit Helium-Andeel warrt ok bi’t kommerzielle Duken to’n Aten verwennt, as t. B. Trimix, wat ut Suerstoff, Stickstoff un Helium tohopen mischt is.
Vun wegen de siete Dicht vun Helium gegenöver de Luft warrt Helium ok as Dräggas för Ballons oder Luftscheep insett. Op dit Rebeet hett Helium den Waterstoff meist ganz verdrängt, wiel dat nich brennen deit un dat dorüm nich so gefährlich is, ok wenn de Dräganlaag un ok de Kosten nicht so good sünd as bi Waterstoff.
Bi’t Schweißen warrt Helium as Inertgas bruukt, rein oder tomischt, um de Steed, de schweißt warrt för Suerstoff to schulen. Mit Helium warrt dat Billn vun Sprütters minnert, bito warrt de Inbrenndeep grötter, so dat dat Schweißen beter vöran geiht.

Helium warrt in twee Oorden vun Lasern insett: In den Helium-Neon-Laser un in’n Helium-Cadmium-Laser.
Technisch warrt fletig Helium (de Isotopen ⁴He un ³He) as Köhlmiddel bruukt, üm bannig deepe Temperaturen (~1 bit 4 Kelvin) to tügen (kiek ok: Kryostat). Mit ⁴He lett sik dör Verdampen Temperaturen bit to 1 K maken. Dat Isotop ³He verlööft sogor Temperaturen bit rünner op 1 mK. Helium warrt dorüm vör allen ok as Köhlmiddel bi supraleidend Magneten insett, dormit de Supraleider vun’n Tyyp I ünner de Sprungtemperatur blifft. Praktisch Anwennen sünd t. B. de Karnspintomographie (MRT) un de Magnetoenzephalographie (MEG) in de medizinschen Technik un de Magnetresonanzspektroskopie (NMR) in de Forschen. Komprimeert Helium warrt sünners dor insett, woneem en sünners slecht reageerend Köhlmiddel bruukt warrt, as in Thorium-Hoochtemperaturreakters (THTR). En wieteret Rebeet is de Produkschoon vun optische Glasfasern in heliumköhlte Falltoorns.
In Vakuumanlagen warrt Helium nütt, wenn Lecks socht warrt. Dorto warrt de Apparat afpumpt un achter de Pump en Massenspektrometer anslaten. De Apparat warrt denn mit Helium anpußt, wat in dat Spektrometer meten warrn kann, wenn dorvun wat in den Apparat ringahn deit.

In Gasentladensröhren lücht Helium geel-witt.
Heliumgas warrt ok in de Raketentechnik insett, üm bi Fletigdrievstoffraketen, de över Pumpen versorgt warrt, den verbrukten Drievstoff uttotuschen, dormit de dünnwannigen Drievstofftanks nich implodeert, wenn de Direvstoff ut de Tanks rutsogen warrt. Bi druckgasversorgte Raketen, drückt dat Helium den Drievstoff in de Drievwarken. Helium warrt dorvör vun wegen sien lütt Gewicht bruukt. Un as Eddelgas kann dat ok nich mit den aggressiven Drievstoff reageern.
Reinsthelium warrt as Drägergas in de Gaschromatographie (Analytik) insett.
Vun wegen sien thermodynaamschen Egenschoppen is Helium dat beste Arbeidsmedium för Stirlingmotoren
Hyperpolariseert ³He warrt in de Diagnostik versöökswies as Kontrastmiddel för Opnahmen vun de Lung verwennt.

Gefahren

An sik is Helium nich giftig un kann ünner normale Ümweltbedingen keen cheemsch Reakschonen ingahn. Liekers schall man keen Helium inaten oder in afslaten Rüüm utströmen laten, vun wegen dat Helium den Suerstoff verdrängt un so to en Suerstoffmangel föhren kann. Dat kann duerhaften Schaden maken oder sogor to’n Dood föhren. Anteken dorför künnt Bewusstlosigkeit oder Problemen bi’t Orienteeren wesen. Sünners gefährlich is doran, dat de Bedrapene dat Sticken kuum oder gor nich wohrnimmt, bit dat to laat is. Bi’n Bruuk vun Helium-Fletiggas is Schuulkledaasch vörsehn, üm Verfreren to hinnern. Heliumfatten staht ünner düchtig hogen Druck un dröft dorüm nich hitt maakt oder in de Neeg vun Füer brocht warrn. Anners warrt de Binnendruck to stark un de Gasbuddel geiht hooch.

Anners wat

Dör dat Inaten vun Helium ännert sik de egen Stimm düchtig un warrt piepsig. De Klangfarv vun de Stimm is afhangig vun de Resonanzfrequenzen in’n Mundruum, de so nöömten Formanten, de dör de Lippen- un Tungstellen ännert warrn künnt. Butendem hangt de Resonanzfrequenzen aver ok vun de Schallsnelligkeit af, de in verscheden Medien ünnerscheedlich is (c_Luft = 350 m/s, c_Helium = 1030 m/s). Wenn de eersten dree Formanten in Luft t. B. 220, 2270 und 3270 Hz sünd, denn ännert sik de in Helium to 320, 3900 un 5500 Hz. Dordör ännert sik dat Stimmbild un de Stimm höört sik insgesamt höger an, ok wenn de Hööch vun den Stimmtoon sülvst dör dat Eddelgas nich ännert warrt.

Literatur

Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente. Hirzel, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3
John Emsley: The elements. Clarendon Press, Oxford ³1998, ISBN 0-19-855819-8
A. F. Holleman, Egon Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. de Gruyter, Berlin 1995, ISBN 3-11-012641-9
F. A. Cotton, G. Wilkinson, C. A. Murillo, M. Bochmann: Advanced Inorganic Chemistry. Kap. 18 D. Wiley, New York ⁶1999, S. 974, ISBN 0-471-19957-5
C. E. Housecroft, A. G. Sharpe: Inorganic Chemistry. Kapitel 22.8a. Pewson, Prentice Hall 2005, S. 666. ISBN 0-13-039913-2
Ekkehard Fluck, Klaus G. Heumann: Periodensystem der Elemente, Tafel. Wiley-VCH, Weinheim 2002, ISBN 3-527-30716-8
R. B. King (Hrsg.): Encyclopedia of Inorganic Chemistry. Bd 8. Wiley, New York 1994, S. 4094, ISBN 0-471-93620-0

Bornen

↑ Rainer Kayser: Langer Marsch China will zum Mond., in Die Rheinpfalz am Sonntag vun’n 8. Juli 2007, S. 20
↑ The Encyclopedia of Chemical Elements, Seite 261
↑ R. E. Grisenti; W. Schöllkopf; J. P. Toennies; G. C. Hegerfeldt; T. Köhler; M. Stoll, Determination of the Bond Length and Binding Energy of the Helium Dimer by Diffraction from a Transmission Grating, Phys. Rev. Lett. 85, 11, 2000, S. 2284-2287. [1]
↑ 'Energie vom Mond', heise.de/tr, 31.08.2007