<ГЕЛИЙ (лат. Helium), символ Не, хим. элемент VIII
группы периодич. системы, относится к инертным газам; п. н. 2, ат. масса
4,0026; газ без цвета и запаха. Природный Г. состоит из 2 стабильных изотопов:
3Не и 4Не (содержание 4Не резко преобладает).

Впервые Г. был открыт не на Земле, где его мало, а в атмосфере
Солнца. В 1868 француз Ж. Жансен и англичанин Дж. Н. Локьер исследовали
спектроскопически состав солнечных протуберанцев. Полученные ими снимки
содержали яркую жёлтую линию (т. н. D3-линию), к-рую нельзя было приписать
ни одному из известных в то время элементов. В 1871 Локьер объяснил её
происхождение присутствием на Солнце нового элемента, к-рый и назвали гелием
(от греч. helios - Солнце). На Земле Г. впервые был выделен в 1895 англичанином
У. Рамзаем из радиоактивного минерала клевеита. В спектре газа, выделенного
при нагревании клевеита, оказалась та же линия.

Гелий в природе. На Земле Г. мало: 1 м3 воздуха содержит
всего 5,24см3 Г., а каждый килограмм земного материала - 0,003 мг Г. По
распространённости же во Вселенной Г. занимает 2-е место после водорода:
на долю Г. приходится ок. 23% космич. массы.

На Земле Г. (точнее, изотоп 4Не) постоянно образуется
при распаде урана, тория и других радиоактивных элементов (всего в земной
коре содержится ок. 29 радиоактивных изотопов, продуцирующих 4Не).

Примерно половина всего Г. сосредоточена в земной коре,
гл. обр. в её гранитной оболочке, аккумулировавшей осн. запасы радиоактивных
элементов. Содержание Г. в земной коре невелико - 3*10-7% по массе. Г.
накапливается в свободных газовых скоплениях недр и в нефтях; такие месторождения
достигают пром. масштабов. Макс, концентрации Г. (10-13% ) выявлены в свободных
газовых скоплениях и газах урановых рудников и (20-25%) в газах, спонтанно
выделяющихся из подземных вод. Чем древнее возраст газоносных осадочных
пород и чем выше в них содержание радиоактивных элементов, тем больше Г.
в составе природных газов. Вулканич. газам свойственно обычно низкое содержание
Г.

Добыча Г. в пром. масштабах производится из природных
и нефтяных газов как углеводородного, так и азотного состава. По качеству
сырья гелиевые месторождения подразделяются: на богатые (содержание Не
> 0,5 % по объёму); рядо-вые (0,10-0,50) и бедные (<0,10). В СССР природный
Г. содержится во многих нефтегазовых месторождениях. Значительные его концентрации
известны в нек-рых месторождениях природного газа Канады, США (шт. Канзас,
Техас, Нью-Мексико, Юта).

В природном Г. любого происхождения (атмосферном, из природных
газов, из радиоактивных минералов, метеоритном и т. д.) преобладает изотоп
4Не. Содержание 3Не обычно мало (в зависимости от источника Г. оно колеблется
от 1,3*10-4 до 2*10-8%) и только в Г., выделенном из метеоритов, достигает
17-31,5%. Скорость образования 4Не при радиоактивном распаде невелика:
в 1 т гранита, содержащего, напр., 3 г урана и 15 г тория, образуется 1
мг Г. за 7,9 млн. лет; однако, поскольку этот процесс протекает постоянно,
за время существования Земли он должен был бы обеспечить содержание Г.
в атмосфере, литосфере и гидросфере, значительно превышающее наличное (оно
составляет ок. 5*1014 м3 ). Такой дефицит Г. объясняется постоянным улетучиванием
его из атмосферы. Лёгкие атомы Г., попадая в верхние слои атмосферы, постепенно
приобретают там скорость выше 2-й космической и тем самым получают возможность
преодолеть силы земного притяжения. Одновременное образование и улетучивание
Г. приводят к тому, что концентрация его в атмосфере практически постоянна.

Изотоп 3Не, в частности, образуется в атмосфере при бета-распаде
тяжёлого изотопа водорода - трития (Т), возникающего, в свою очередь, при
взаимодействии нейтронов космич. излучения с азотом воздуха:

Ядра атома 4Не (состоящие из 2 протонов и 2 нейтронов),
наз. альфа-частицами или гелионами,-самые устойчивые среди составных ядер.
Энергия связи нуклонов (протонов и нейтронов) в 4Не имеет максимальное
по сравнению с ядрами других элементов значение (28,2937 Мэв); поэтому
образование ядер 4Не из ядер водорода (протонов) 1Н сопровождается выделением
огромного количества энергии. Считают, что эта ядерная реакция:

[одновременно с 4Не образуются 2 позитрона
и 2 нейтрино (v)] служит основным источником энергии Солнца и других схожих
с ним звёзд. Благодаря этому процессу и накапливаются весьма значит, запасы
Г. во Вселенной.

Физич. и химич. свойства. При нормальных условиях Г.-
одноатомный газ без цвета и запаха. Плотность 0,17846 г/л, tкип -268,93°С.
Г.- единственный элемент, к-рый в жидком состоянии не отвердевает при нормальном
давлении, как бы глубоко его ни охлаждали. Наименьшее давление перехода
жидкого Г. в твёрдый 2,5 Мн/м2 (25 ат), ?„л при этом равна -272,1°С. Теплопроводность
(при 0°С) 143,8*10-3вт/см-К [343,4 • 10-6 кал/(см•град•сек)]. Радиус атома
Г., определённый различными методами, составляет от 0,85 до 1,33 А. В 1
л воды при 20°С растворяется ок. 8,8 мл Г. Энергия первичной ионизации
Г. больше, чем у лю бого другого элемента,- 39,38*10-13дж (24,58 эв); сродством
к электрону Г. не обладает. Жидкий Г., состоящий только из 4Не, проявляет
ряд уникальных свойств (см. ниже).

До наст, времени попытки получить устойчивые хим. соединения
Г. оканчивались неудачами (см. Инертные газы). Спектроскопически доказано
существование в разряде иона Не2+. В 1967 советские исследователи В. П.
Бочин, Н. В. За-курин, В. К. Капышев сообщили о синтезе в зоне дугового
разряда за счёт реакции Г. с фтором, с ВFa или с RuF5 ионов HeF+, HeF22+
и HeF2+. Согласно расчёту, величина энергии диссоциации иона HeF+ равна
2,2 эв.

Получение и применение. В пром-сти Г. получают из гелийсодержа-щих
природных газов (в наст, время эксплуатируются гл. обр. месторождения,
содержащие > 0,1% Г.). От других газов Г. отделяют методом глубокого охлаждения,
используя то, что он сжижается труднее всех остальных газов.

Благодаря инертности Г. широко применяют для создания
защитной атмосферы при плавке, резке и сварке активных металлов. Г. менее
электропроводен, чем другой инертный газ - аргон, и поэтому электрич. дуга
в атмосфере Г. даёт более высокие темп-ры, что значительно повышает скорость
дуговой сварки. Благодаря небольшой плотности в сочетании с негорючестью
Г. применяют для наполнения стратостатов. Высокая теплопроводность Г.,
его хим. инертность и крайне малая способность вступать в ядерную реакцию
с нейтронами позволяют использовать Г. для охлаждения атомных реакторов.
Жидкий Г.- самая холодная жидкость на Земле, служит хладагентом при проведении
различных научных исследований. На определении содержания Г. в радиоактивных
минералах основан один из методов определения их абсолютного возраста (см.
Геохронология). Благодаря тому что Г. очень плохо растворим в крови, его
используют как составную часть искусственного воздуха, подаваемого для
дыхания водолазам (замена азота на Г. предотвращает появление кессонной
болезни). Изучаются возможности применения Г. и в атмосфере кабины космич.
корабля.

С. С. Бердоносов, В. П. Якуцени.

Гелий жидкий. Относительно слабое взаимодействие атомов
Г. приводит к тому, что он остаётся газообразным до более низких темп-р,
чем любой другой газ. Максимальная темп-pa, ниже к-рой он может быть сжижен
(его критич. темп-pa Тк), равна 5,20 К. Жидкий Г.- единственная незамерзающая
жидкость: при норм, давлении (рис. 1) Г. остаётся жидким при сколь угодно
низких темп-рах

и затвердевает лишь при давлениях, превышающих 2,5 Мн/м2
(25 ат).

Рис. 1. Диаграмма состояния 4Не.

При темп-ре и норм, давлении
жидкий Г. испытывает фазовый переход второго рода. Г. выше этой темп-ры
наз. Не I, ниже - Не II. При темп-ре фазового перехода наблюдаются аномальное
возрастание теплоемкости (т. н.-точка, рис. 2),
излом кривой темп-рной зависимости плотности Г. (рис. 3) и др. характерные
Явления. В 1938 П. Л. Капица открыл у Не II сверхтекучесть - способность
течь практически без вязкости. Объяснение этого явления было дано Л. Д.
Ландау (1941) на основе квантовомеханич. представлений о характере теплового
движения в жидком Г.

Рис. 2. Теплоёмкость жидкого 4Не вблизи лямбда-точки Кривая
имеет характерную форму, напоминающую греч. букву лямбда.

Рис. 3. Плотность Р жидкого 4Не вблизи
-точки.

При низких темп-pax это движение описывается как существование
в жидком Г. элементарных возбуждений - фононов (квантов звука), обладающих
энергией ( -
частота звука, h - постоянная Планка) и импульсом р = =
(с = 240 м/сек - скорость звука). Число и энергия фононов растут с повышением
темп-ры Т. При Т>0,6 К появляются возбуждения с большими энергиями (ротоны),
ддя к-рых зависимость е(р) имеет нелинейный характер. Фононы и ротоны (см.
Квазичастицы) обладают импульсом и, следовательно, массой. Отнесенная к
1 см3, эта масса определяет плотность т.
н. нормальной компоненты жидкого Г. При низких темп-pax,
стремится к нулю при . Движение нормальной
компоненты, как и обычного газа,имеет вязкостный характер. Остальная часть
жидкого Г., т. н. сверхтекучая компонента, движется без трения; её плотность
При так что в-точке
обращается в нуль и сверхтекучесть исчезает (Не I - обычная вязкая жидкость).

Т. о., в жидком Г. одновременно могут происходить два
движения с различными скоростями. н а основе этих представлений удаётся
объяснить ряд наблюдаемых эффектов: при вытекании Не II из сосуда через
узкий капилляр темпра в сосуде повышается, т. к. вытекает гл. обр. сверхтекучая
компонента, не несущая с собой теплоты (т. н. механокалорический эффект);
при создании разности темп-р между концами закрытого капилляра с Не II
в нём возникает движение (термомеханический эффект) - сверхтекучая компонента
движется от холодного конца к горячему и там превращается в нормальную,
к-рая движется навстречу, при этом суммарный поток отсутствует. В жидком
Г. может распространяться звук двух видов - обычный и т. н. второй звук.
При распространении второго звука в местах сгущения нормальной компоненты
происходит разрежение сверхтекучей.

Все сказанное относится к обычному Г., состоящему в основном
из изотопа 4Не. Более редкий изотоп 3Не имеет иные, чем у 4Не, квантовые
свойства (см. Квантовая жидкость). Жидкий 3Не - также незамерзающая жидкость
(Тк = = 3,33 К), но не обладающая сверхтекучестью: вязкость 3Не неограниченно
возрастает с понижением темп - ры.

Л. П Питаевский.

Лит: Кеезом В , Гелий, пер. с англ., М., 1949, Фастовский
В. Г., Ровинский А. Е, Петровский Ю. В., Инертные газы, М, 1964; Халатников
И. М., Введение в теорию сверхтекучести, М , 1965; Смирнов Ю. Н., Гелий
вблизи абсолютного нуля, "Природа", 1967, № 10, с 70, Якуцени В. П., Геология
гелия, Л., 1968. См. также лит. к ст. Инертные газы.