هلیم: معدن طلای خورشیدی
آشنایی با عنصر هلیم
هلیم یک گاز نجیب[2] است. عدد اتمی[3] آن 2 است، یعنی در هستهی خود دو پروتون دارد و پس از هیدروژن، سبکترین عنصر جهان محسوب میشود. این عنصر بیبو، بیرنگ، غیرسمی و از نظر شیمیایی بسیار کمواکنش است. نام هلیم از واژهی یونانی «هلیوس» به معنای «خورشید» گرفته شده است، چون دانشمندان نخستین بار خطوط طیفی[4] آن را در نور خورشید کشف کردند، نه روی زمین.
| ویژگی | توضیح | مقایسه یا مثال |
|---|---|---|
| وضعیت در دمای اتاق | گاز | مثل هوای اطراف ما، اما بسیار سبکتر |
| نقطه جوش | -269 درجه سانتیگراد | پایینترین نقطه جوش در بین همه عناصر؛ برای مایع کردن آن به سرمای فوقالعاده نیاز است. |
| چگالی | خیلی کم | حدود 7 برابر سبکتر از هوایی که تنفس میکنیم. به همین دلیل بادکنک هلیومی بالا میرود. |
| فراوانی در خورشید | 24.8% جرمی | بعد از هیدروژن (73.5%) دومین عنصر اصلی سازنده خورشید است. |
راز انرژی خورشید: زادگاه هلیم
خورشید مانند یک راکتور عظیم طبیعی عمل میکند. سوخت این راکتور، هیدروژن است. در مرکز بسیار داغ و چگال خورشید، جایی که دما به حدود 15 میلیون درجه سانتیگراد میرسد، هستههای هیدروژن تحت فشار و حرارت فوقالعاده زیاد قرار میگیرند. در این شرایط خاص، هستهها میتوانند بر دافعه الکتریکی بین خود غلبه کرده و به هم بپیوندند. این فرآیند همجوشی هستهای نام دارد.
این واکنش در سه مرحله اصلی رخ میدهد که به آن «زنجیره پروتون-پروتون» میگویند:
- تولد دوتریوم[5]: دو هسته هیدروژن ($ ^{1}H $) به هم میپیوندند. یکی از پروتونها به نوترون تبدیل میشود و هسته دوتریوم ($ ^{2}H $) به همراه ذرات دیگر تشکیل میشود.
- تولد هلیم-3: هسته دوتریوم با یک پروتون دیگر ترکیب شده و هسته سبک هلیم به نام هلیم-3 ($ ^{3}He $) ایجاد میکند.
- تولد هلیم-4 (پایدار): در نهایت، دو هسته هلیم-۳ با هم برخورد کرده و به یک هسته پایدار هلیم-۴ ($ ^{4}He $) و دو پروتون تبدیل میشوند.
نتیجه نهایی این زنجیره، تبدیل چهار پروتون (هیدروژن) به یک هسته هلیم-۴ است. خورشید در هر ثانیه حدود 620 میلیون تن هیدروژن را طی این فرآیند به هلیم تبدیل میکند.
از ستارهها تا زندگی روزمره: کاربردهای هلیم
هلیم فقط یک محصول جانبی درخشان ستارهها نیست. این عنصر به دلیل ویژگیهای منحصر به فردش، به یک ماده بسیار مفید در فناوری و زندگی مدرن تبدیل شده است.
- بالابر بیخطر: چون هلیم بسیار سبک و غیرآتشگیر است، گاز ایدهآلی برای پر کردن بادکنکهای جشن و بالنهای هواشناسی است. برخلاف هیدروژن که قابل اشتعال است، هلیم ایمن است.
- پزشکی پیشرفته: یکی از مهمترین کاربردهای هلیم در دستگاههای امآرآی (MRI)[6] است. آهنرباهای ابررسانای قدرتمند داخل این دستگاهها برای کارکرد درست باید در دمای بسیار پایین (نزدیک به -270 درجه) نگه داشته شوند. تنها مادهای که میتواند به چنین دمایی برسد و آن را حفظ کند، هلیم مایع است.
- اکتشاف در اعماق: غواصان در عمق زیاد، از مخلوط هلیم و اکسیژن برای تنفس استفاده میکنند. زیرا در فشار بالا، گاز نیتروژن هوا میتواند خطرناک باشد، اما هلیم این مشکل را ایجاد نمیکند.
- صنعت و جوشکاری: از هلیم به عنوان یک گاز محافظ در جوشکاری قوس الکتریکی برای فلزاتی مانند آلومینیوم استفاده میشود تا از اکسید شدن فلز داغ در تماس با هوا جلوگیری کند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. منبع اصلی هلیم روی زمین، واپاشی هستهای طبیعی عناصر سنگین رادیواکتیو مانند اورانیوم و توریوم درون پوسته زمین است. هسته این عناصر به تدریج ذرات آلفا (که در واقع همان هسته هلیم-۴ هستند) تابش میکنند. این هلیم تولیدشده در زمین، در مخازن گاز طبیعی به دام میافتد و سپس استخراج میشود. هلیم روی زمین یک منبع تجدیدناپذیر است.
پاسخ: دلیل اصلی، سبکی فوقالعاده هلیم است. وقتی هلیم (چه هلیم تولیدشده در خورشید و چه هلیم آزادشده از زمین) به لایههای بالایی جو میرسد، به دلیل سرعت بالا و جرم کم، به راحتی میتواند از میدان گرانشی زمین فرار کرده و به فضا برود. بنابراین، هلیمی که امروزه استخراج میکنیم، همان ذخیره محدودی است که درون زمین گیر افتاده و موفق به فرار نشده است.
پاسخ: خیر، این کار میتواند بسیار خطرناک باشد. اگرچه هلیم سمی نیست، اما استنشاق آن به جای اکسیژن، حتی برای مدت کوتاه، میتواند باعث کمبود اکسیژن در مغز شود که نتیجهای جدی مانند بیهوشی یا آسیب مغزی دارد. این کار یک شوخی خطرناک است و باید از آن پرهیز کرد.
پاورقی
[1] هلیم (Helium): عنصر شیمیایی با عدد اتمی ۲ و نماد He.
[2] گاز نجیب (Noble Gas): گروهی از عناصر که به دلیل آرایش الکترونی کامل، بسیار پایدار و کمواکنش هستند.
[3] عدد اتمی (Atomic Number): تعداد پروتونهای موجود در هسته یک اتم که هویت عنصر را مشخص میکند.
[4] خط طیفی (Spectral Line): خطوط تاریک یا روشنی در طیف نور یک جسم که مانند اثرانگشت، عناصر تشکیلدهنده آن را نشان میدهد.
[5] دوتریوم (Deuterium): ایزوتوپ سنگین هیدروژن که در هسته خود یک پروتون و یک نوترون دارد.
[6] امآرآی (MRI - Magnetic Resonance Imaging): روش تصویربرداری پیشرفته در پزشکی برای مشاهده جزئیات اندامهای داخلی بدن.
