Helium - nguyên tố đến từ mặt trời



Heli được phát hiện lần đầu tiên không phải trên Trái Đất. Năm 1868, Pierre J. C. Janssen tới Ấn Độ để nghiên cứu nhật thực toàn phần và ông đã quan sát thấy một vạch mới trong quang phổ của vành nhật hoa, điều đó chỉ ra rằng ở Mặt trời có thể có một nguyên tố hóa học mới. Ông đặt tên cho nó là heli và nghĩ rằng nó mang tính chất của một kim loại. Cùng năm đó, nhà thiên văn học Norman Lockyer và nhà hóa học Edward Frankland đã xác thực dự đoán của Janssen khi họ quan sát quang phổ của Mặt Trời qua màn sương mù ở London. Người ta tin rằng nguyên tố mới này có rất nhiều ở mặt trời nhưng chưa được tìm thấy trên Trái Đất.

Năm 1888, Nhà địa chất William Hillebrand đã hòa tan khoáng chất uraninit (UO2) trong axit và quan sát thấy các bong bóng khí thoát ra, nhưng cuối cùng ông lại không xác định được thành phần của lượng khí này. Vào năm 1895, Per Teodor Cleve và Nils Abraham Langer đã thực hiện phản ứng tương tự, họ thu thập đủ lượng khí và xác định đó chính là heli, đồng thời xác định chính xác khối lượng nguyên tử của Heli. Cùng năm đó, Sir William Ramsay và Morris Travers, ở Đại học London (UCL), cũng đã thu thập một mẫu khí mới và xác nhận là heli.

Khoa học đã chứng minh rằng Heli là một trong những nguyên tố được hình thành từ vụ nổ Big Bang, cùng với hydro và lithi. Những ngôi sao (như Mặt Trời chẳng hạn) tạo ra nó bằng phản ứng tổng hợp hạt nhân từ các nguyên tử hydro và giải phóng nguồn năng lượng khổng lồ. Heli cũng được hình thành trong lớp vỏ Trái đất do sự phân rã của urani và thori.

Ngày nay, heli được khai thác phần lớn từ khí thiên nhiên ở Hoa Kì (chứa 7% là heli). Mặc dù heli chiếm một phần nhỏ trong khí quyển, nhưng việc tách nó từ không khí lỏng không đem lại hiệu quả kinh tế.

Một phần tư heli được sản xuất được sử dụng làm chất làm mát cho nam châm siêu dẫn trong các thiết bị cộng hưởng từ hạt nhân (MRI). Một ứng dụng quan trọng khác là làm khí quyển trơ để hàn những kim loại dễ bị oxi hóa trong không khí. Việc sản xuất sợi quang cũng phải thực hiện trong khí quyển heli. Nó sẽ ngấm vào thủy tinh nóng chảy và sau đó thoát ra khỏi các sợi thủy tinh sản phẩm, giúp chúng nguội nhanh hơn.

Heli còn được sử dụng để phát hiện rò rỉ trong các thiết bị hay ứng dụng trong quá trình phóng tên lửa: các van xả hydro và oxy của tên lửa được điều khiển bằng heli nén. Ngoài ra, bóng khí tượng và một vài loại khinh khí cầu khác được bơm heli (một mét khối heli có thể nâng tới 1 kg).

Heli ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong khoa học công nghệ Kính hiển vi ion heli đầu tiên được chế tạo vào năm 2007 tại Viện Tiêu chuẩn & Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ. Kính hiển vi này cho độ phân giải tốt hơn so với kính hiển vi điện tử quét (SEM) và hiện đang được sử dụng để kiểm tra các bề mặt bán dẫn. Các ion heli có bước sóng ngắn hơn so với các electron nên có thể tập trung thành chùm hẹp hơn, đồng thời tương tác mạnh hơn với vật liệu, do đó cho ra hình ảnh rõ nét hơn.

Khi hạ nhiệt độ của heli xuống dưới 4K (-269⁰C), nó ngưng tụ thành một chất lỏng không màu. Nhưng khi nhiệt độ giảm xuống dưới 2K, chất lỏng thể hiện tính chất thú vị gọi là heli (II). Heli (II) không chỉ nở rộng khi làm mát mà nó còn dẫn nhiệt tốt hơn gấp hàng triệu lần so với heli lỏng thông thường. Vì độ nhớt của nó bằng không nên nó chảy trên các bề mặt một cách dễ dàng mà không sinh ra ma sát. Heli chỉ có thể được hóa rắn ở gần độ không tuyệt đối (-273⁰C) dưới áp suất khoảng 26 atm. Heli rắn cũng mang tính chất của chất siêu lỏng nên nó là vật liệu không ma sát.