iso:isotopo NA: abbondanza in natura TD:tempo di dimezzamento DM: modalità di decadimento DE: energia di decadimento in MeV DP: prodotto del decadimento
L'atomo di elio haconfigurazione elettronica 1s2, ilduetto,[2] completando in tal modo ilprimo livello[3] e raggiungendo così una condizione di grandissima stabilità. Per questo, l'elio è il capostipite deigas nobili che però, a partire dalneon, hanno configurazione diottetto (ns2 np6, con n ≥ 2), anch'essa molto stabile.[4]
Essendo l'atomo di elio estremamente stabile, esso non si lega a formare molecole e l'elemento si presenta quindi come un gas monoatomico, che è incolore, inodore, insapore, nontossico einerte.[4]
Dopo l'idrogeno, l'elio è l'elemento più leggero e piùabbondante nell'universo osservabile,[5] essendo presente in circa il 24% della massa totale degli elementi, che è più di 12 volte la massa di tutti gli elementi più pesanti insieme: la sua abbondanza è simile a questi dati sia nelSole sia suGiove; ciò è dovuto all'altissima energia di legame nucleare (pernucleone) del nuclideelio-4 (4He) rispetto ai tre elementi successivi all'elio; questa energia di legame spiega anche perché è un prodotto sia dellafusione nucleare sia deldecadimento alfa (decadimento radioattivo). La maggior parte dell'elio presente nell'universo è costituita dall'isotopo elio-4, e si crede che si sia formato durante ilBig Bang; inoltre, grandi quantità di nuovo elio vengono continuamente create dalla fusione nucleare dell'idrogeno che avviene nel nucleo dellestelle. Prende il nome daldio greco del Sole,Elio.
In forma liquida viene utilizzato nellacriogenia (il suo maggiore uso singolo, che costituisce circa un quarto della produzione), in particolare nel raffreddamento deimagnetisuperconduttori, con la principale applicazione commerciale rappresentata dalle apparecchiature per larisonanza magnetica nucleare; altri utilizzi industriali dell'elio sono la pressurizzazione e lo spurgo dei gas, la creazione di un'atmosfera protettiva per lasaldatura ad arco e per processi particolari come la crescita di cristalli disilicio; un uso minore è quello di gas di sollevamento perpalloni sonda edirigibili oppure come gas nelle miscele per le immersioni di profondità.[6] Come con qualsiasi gas la cui densità sia diversa da quella dell'aria, inalando un piccolo volume di elio viene, temporaneamente, modificato il timbro e la qualità della voce umana. Nella ricerca scientifica, il comportamento delle due fasi fluide dell'elio-4 (elio I e l'elio II), è importante per i ricercatori che studiano lameccanica quantistica (in particolare la proprietà di superfluidità) e per quelli che sperimentano alcuni fenomeni, come la superconduttività, e i prodotti della materia vicino allozero assoluto.
Laser ad elio e neon
SullaTerra è relativamente raro: 5,2 ppm (parti per milione) in volume nell'atmosfera. La maggior parte dell'elio terrestre presente oggi è stato creato dal decadimento radioattivo naturale degli elementi radioattivi pesanti (torio euranio, in particolare), in quanto leparticelle alfa emesse da tali decadimenti sono composti danuclei di elio-4. Questo elio radiogenico è intrappolato nel gas naturale in grandi concentrazioni, circa del 7% in volume, da cui viene estratto commercialmente grazie a un processo di separazione a bassa temperatura chiamatodistillazione frazionata. In passato, l'elio era ritenuto una risorsa terrestre non rinnovabile poiché una volta rilasciato in atmosferasfuggiva facilmente nello spazio.[3][7][8] Tuttavia, studi recenti suggeriscono che l'elio prodotto in profondità nella terra dal decadimento radioattivo sia in grado di raccogliersi in riserve di gas naturale in dosi maggiori di quelle attese;[9][10] in alcuni casi può essere rilasciato dall'attivitàvulcanica.[11]
L'elio fu scoperto dal franceseJules Janssen e dall'ingleseNorman Lockyer, indipendentemente l'uno dall'altro, nel1868. Entrambi stavano studiando la luce solare durante un'eclissi e, analizzandone lospettro, trovarono la linea di emissione di un elemento sconosciuto.Edward Frankland confermò la scoperta di Janssen e propose che il nome dell'elemento ricordasseHelios, il dio greco del Sole. Nel 1881Luigi Palmieri annunciò di aver rivelato per la prima volta l'elio sulla Terra dalla sua linea spettrale D3, mentre eseguiva lasublimazione di un prodotto dell'eruzione delVesuvio.[12] In realtà non portò nell'immediato prove a sostegno della sua tesi e più tardi, dopo che l'elio terrestre fu effettivamente scoperto, vari esperimenti dimostrarono l'impossibilità per Palmieri di aver trovato elio nelle modalità da lui descritte. L'elio dunque venne isolato da SirWilliam Ramsay nel1895 dallacleveite[5] e definitivamente classificato come non metallo. I chimici svedesi Nils Langlet ePer Theodor Cleve, lavorando indipendentemente da Ramsay, riuscirono a isolare l'elio dalla cleveite all'incirca nello stesso periodo.
Nel1907Ernest Rutherford e Thomas Royds riuscirono a dimostrare che leparticelle alfa sono nuclei di elio. Nel1908 il fisico olandeseHeike Kamerlingh Onnes produsse il primo elio liquido raffreddandolo a0,9 K, un'impresa che gli valse ilPremio Nobel. Nel1926 un suo studente, Willem Hendrik Keesom, riuscì per primo a solidificare l'elio.
Possiede il più bassopunto di ebollizione tra tutti gli elementi ed è l'unico liquido che non può essere solidificato abbassandone solo la temperatura; rimane liquido fino allozero assoluto a pressione standard (si può solidificare solo aumentando la pressione). Infatti latemperatura critica, alla quale non c'è differenza tra lo stato liquido e quello gassoso, è di soli5,3 K. L'isotopo3He e l'isotopo4He solidi sono unici in quanto applicando maggiore pressione, cambiano il loro volume di più del 30%.
L'elio solido esiste solo alla pressione di circa100 MPa a15 K; all'incirca a questa temperatura, l'elio subisce una transizione tra le forme ad alta e a bassa temperatura, nelle quali gli atomi strettamente impacchettati assumono rispettivamente una configurazionecubica oesagonale. Tutte queste disposizioni sono simili dal punto di vista energetico e della densità e i motivi della transizione risiedono nel modo in cui gli atomi interagiscono.
Rappresentazione dell'atomo di elio, la scala di grigi decrescenti rappresenta la densità della nuvola elettronica, in rosa al centro vi è il nucleo. Nell'inserto in alto è ingrandito il nucleo che, al contrario della rappresentazione che evidenzia i due protoni e i due neutroni, è simmetricamente sferico come la nuvola elettronica.
Dal punto di vista dellameccanica quantistica, l'elio è il secondo più sempliceatomo che può essere modellizzato dopo l'atomo di idrogeno. L'elio è composto da due elettroni in unorbitale atomico attorno a un nucleo contenente dueprotoni e (di solito) dueneutroni. Come inmeccanica classica, nessun sistema che consiste di più di due particelle può essere risolto con un approccio matematico analitico esatto (vediproblema dei tre corpi) e l'elio non fa eccezione. Dunque vi è necessità di usare metodi numerici anche per risolvere il sistema di un nucleo e due elettroni. Tale metodo dichimica computazionale è stato utilizzato per descrivere in meccanica quantistica il legame degli elettroni con il nucleo con un'accuratezza migliore del 2% del valore misurato sperimentalmente.[13] Tale modello mostra che ogni elettrone scherma parzialmente il nucleo all'altro elettrone, cosicché la carica effettivaZ che ogni elettrone vede, è circa 1,69e, non 2e come il nucleo isolato.
Nuclei atomici di elio-4 vengono emessi sotto forma diparticella α da elementi radioattivi che seguono quel decadimento. Gli esperimenti di scattering con elettroni di grande energia mostrano che la carica diminuisce esponenzialmente dal massimo al centro, esattamente come fa la densità di carica della nuvola elettronica. Questa simmetria riflette un comportamento fisico simile: la coppia di neutroni e la coppia di protoni del nucleo obbediscono la stessa regola della meccanica quantistica a cui obbediscono la coppia di elettroni (anche se le particelle nucleari sono soggette a energia di legame nucleare molto diversa), di conseguenza tutti questifermioni occupano unorbitale atomico 1s in coppia, nessuna di queste coppie momento angolare orbitale in quanto cancellano vicendevolmente il lorospin.Aggiungendo un'altra di qualsiasi di queste due particelle richiede momento angolare e sarebbe instabile (infatti non esistono nuclei con nucleoni stabili). Questa configurazione con quattronucleoni è estremamente stabile da un punto di vista energetico, e questa stabilità spiega molte delle proprietà in natura dell'elio.
Dal punto di vista della nuvola elettronica l'atomo di elio è inerte, cioè non forma molecole stabili. L'energia di ionizzazione dell'elio 25,6eV è la più alta tra gli elementi. La debole interazione tra le nuvole elettroniche degli atomi di elio ha come conseguenza la più piccola temperatura di ebollizione tra tutti gli elementi. Inoltre vi è necessità di una pressione elevata, anche a temperatura prossima allozero assoluto, per solidificare l'elio a causa dell'energia di punto zero.
Energia di legame per nucleone degli isotopi più comuni. L'energia di legame dell'elio-4 è di gran lunga maggiore dei nuclei vicini
La particolare stabilità del nucleo di elio-4, produce effetti simili, nelle reazioni atomiche in cui sono coinvolti elementi pesanti o avvengono fusioni di nuclei: in genere vengono prodotte particelle alfa. Nella reazione di fusione degli atomi di idrogeno è molto rara la produzione di atomi di elio-3, anche se è un isotopo stabile, la produzione di elio-4 è di gran lunga più probabile.
L'inusuale stabilità del nucleo di elio-4 è anche importante incosmologia: spiega il fatto che nei primi pochi minuti dopo ilBig Bang, dalbrodo iniziale di protoni e neutroni liberi che è stato inizialmente creati in proporzione 6:1 una volta raffreddati al punto che era possibile formare dei nuclei, quasi tutti i primi nuclei composti formati erano nuclei di elio-4. Era così forte il legame elio-4 che la produzione di elio-4 ha consumato quasi tutti i neutroni liberi in pochi minuti, prima che potessero avere ildecadimento β, e anche lasciandone molti pochi che potessero formare elementi più pesanti come illitio, ilberillio e ilboro. Infatti l'energia di legame pernucleone dell'elio-4 è maggior di quella di tutti questi elementi, in effetti una volta che l'elio è formato dal punto di vista energetico non è possibile formare gli elementi 3, 4 e 5. È appena possibile da un punto di vista energetico che due atomi di elio si fondano nel prossimo elemento con più piccola energia per nucleone, ilcarbonio. Tuttavia, questo processo, a causa della mancanza di elementi intermedi, richiede che simultaneamente tre atomi di elio collidano tra di loro (vediprocesso tre alfa). Ma in realtà nei pochi minuti dopo il Big Bang non si è potuta formare una quantità significativa di carbonio, prima che l'espansione dell'universo lo portasse a una temperatura e una pressione in cui la fusione dell'elio in carbonio non era più possibile. Questo ha reso l'universo primitivo con un rapporto idrogeno/elio simile all'universo come viene osservato attualmente (3 parti di idrogeno per una parte elio-4 in massa), con praticamente tutti i neutroni dell'universo intrappolati dentro l'elio-4.
Tutti gli elementi più pesanti (tra cui quelli su cui sono basati i pianeti solidi come la Terra, ma anche semplicemente il carbonio necessario alla vita) sono stati prodotti dopo il Big Bang in stelle abbastanza calde da fondere gli atomi di elio. Tutti gli elementi diversi dall'idrogeno e l'elio attualmente costituiscono solo il 2% della massa nucleare dell'universo. L'elio-4, invece, rappresenta il 23% di tutta la materia ordinaria, non considerando lamateria oscura.
L'elio è l'elemento più diffuso dell'universo dopo l'idrogeno, forma più del 25% in massa nelle stelle e gioca un ruolo importante nelle reazioni responsabili della quantità di energia che esse producono. L'abbondanza di elio è troppo grande per essere spiegata dalle sole reazioni all'interno delle stelle, ma ècoerente con il modello delBig Bang e si ritiene che la maggior parte dell'elio presente nell'universo si sia formata nei tre minuti successivi al big bang.
Questo elemento è presente nell'atmosfera terrestre in un rapporto di 5 ppm e si trova come prodotto del decadimento di alcuni minerali radioattivi. Specificamente, si trova nei minerali diuranio etorio, tra cui lacleveite (il primo minerale in cui fu scoperta la presenza di elio), lapechblenda, lacarnotite e lamonazite; è prodotto da questi elementi tramite decadimento radioattivo, nella forma di particelle alfa. Si trova inoltre in alcune acque minerali (1 parte di elio per mille d'acqua in alcune sorgenti islandesi), nei gas vulcanici e in certi depositi di gas naturali degli Stati Uniti (dai quali deriva la maggior parte dell'elio prodotto commercialmente). L'elio può essere sintetizzato bombardando atomi dilitio oboro con protoni ad alta velocità.
Durante una trivellazione petrolifera nel 1903 inKansas si ottenne ungeysergassoso composto diazoto (72%),metano (15%),idrogeno (1%) e un 12% di un gas non identificato.[14] Grazie a successive analisi Cady e McFarland scoprirono che l'1,84% di tale campione era elio.[15][16] Questo dimostrò che nonostante la sua scarsità sulla Terra l'elio era concentrato in grandi quantità sotto leGrandi Pianure statunitensi, disponibile per l'estrazione come sottoprodotto delgas naturale.[17] Questa scoperta permise agli Stati Uniti di diventare il maggior produttore al mondo di elio.
Per molti anni gli Stati Uniti hanno prodotto più del 90% dell'elio commercialmente utilizzabile al mondo; le quantità rimanenti provenivano da impianti inCanada,Polonia,Russia e altri Paesi. A metà deglianni novanta un nuovo impianto adArzew, inAlgeria, da 17 milioni dimetri cubi iniziò le operazioni con una produzione tale da soddisfare l'intera domanda europea.
Nel 2004–2006 furono costruiti altri due impianti, uno aRas Laffan inQatar e l'altro aSkikda inAlgeria, anche se al principio del 2007 Ras Laffen funzionava al 50% e Skikda doveva ancora avviare la produzione. L'Algeria divenne rapidamente il secondo produttore di elio.[18]
In questo periodo aumentarono tanto il consumo quanto il costo di produzione dell'elio.[19]
SecondoRobert Coleman Richardson dellaCornell University diIthaca, visti gli attuali tassi di consumo dell'elio e la scarsa disponibilità di questo elemento sulla Terra, c'è il rischio che le riserve di elio finiscano entro il 2040.[20]
L'elio è il più inerte tra gli elementi, ma sotto l'influenza di scariche elettriche o il bombardamento di elettroni forma dei composti assieme atungsteno,iodio,fluoro,zolfo efosforo. Può inoltre dare luogo aeccimeri ed eccimplessi se sottoposto a eccitazione.
I composti dell'elio, particolarmente instabili, sono chiamati "eliuri".[5]
L'elio liquido (4He) si trova in due forme:4He I e4He II, che condividono un punto di transizione a2,174 K.4He I al di sopra di questo punto è un liquido normale, ma4He II sotto questa temperatura è differente da qualsiasi altro fluido ordinario.
Quando viene raffreddato sotto i 2,189 K a pressione normale, il cosiddettopunto lambda, diventa unsuperfluido conosciuto come elio liquido II. Contrariamente al normale elio liquido I, possiede molte caratteristiche inusuali dovute a effetti quantistici; il suo comportamento fu uno dei primi esempi di effetto quantistico operante su scala macroscopica che siano stati osservati. Questa transizione avviene a una temperatura ancora più bassa nell'3He, in quanto l'effetto conta sulla condensazione deibosoni, ma i nuclei dell'3He sonofermioni che non possono condensare individualmente ma solo in coppie bosoniche. Poiché la trasformazione è del secondo ordine superiore, senzacalore latente al punto lambda, le due forme liquide non coesistono mai.
L'elio II haviscosità molto bassa[5] econducibilità termica molto più alta di tutte le altre sostanze (circa 800 volte maggiore di quella delrame[5]). Inoltre l'elio II mostra un effetto termomeccanico (effetto fontana): se due vasi contenenti elio II sono connessi da un capillare e uno dei due vasi viene riscaldato, si ottiene un flusso di elio verso il vaso riscaldato. Per contro, nell'effetto meccanocalorico, un flusso forzato di elio II attraverso un capillare produce il raffreddamento dell'elio II che lascia il capillare. Pulsazioni di calore introdotte nell'elio II si propagano attraverso il liquido allo stesso modo delle pulsazioni sonore, un fenomeno che è stato battezzato "secondo suono". Superfici solide a contatto con l'elio II vengono ricoperte da una pellicola di spessore da 50 a 100 atomi, questa pellicola produce uno scorrimento senza attrito del liquido; come conseguenza è impossibile contenere l'elio II in un vaso aperto senza che il liquido ne fluisca fuori. Il trasporto della massa attraverso la pellicola di elio II avviene a una quantità costante che dipende dalla temperatura. Infine una massa di elio II non ruota unitariamente, i tentativi di porla in rotazione producono piccoli vortici senza attrito attraverso il liquido.
L'elemento elio, il secondo elemento della Tavola periodica, ha dueisotopi stabili:3He (presente in tracce) e4He. Quest'ultimo è l'isotopo più abbondante dell'elio naturale e ne costituisce la quasi totalità (99,999863%).[21]
4He è unnuclide composto da dueprotoni e dueneutroni, il suospin nucleare è 0, che è unnumero intero, e pertanto è unbosone.[22] Questa configurazione è straordinariamente stabile in quanto 2 è unnumero magico (il primo) sia per protoni che per neutroni, ovvero un numero per il quale essi sono disposti energeticamente a formare gusci completi, ossia la disposizione più stabile;[23][24] si dice anche che è un nucleo doppiamente magico.[25][26] D'altro canto, ogni altra combinazione di quattro nucleoni è altamente instabile e fortemente radioattiva.
Il nucleo di42He è il secondo nucleo stabile, dopo quello di deuterio (21H), ad avere i neutroni in numero uguale ai protoni (il rapportoN/Z è unitario). Questa è una configurazione nucleare che persisterà nelsistema periodico in almeno un isotopo solo fino a giungere allozolfo (3216S),[27] sebbene anche i primi isotopi dell'argon (3618Ar)[28] e delcalcio (4020Ca)[29] siano nuclidi stabili, anche se solo osservativamente; oltre, il primo isotopo stabile deltitanio, il4622Ti,[30] ha due neutroni in più; da qui in avanti il rapportoN/Z per gli isotopi naturali andrà lentamente aumentando negli elementi successivi fino a raggiungere e superare 1,5 nei più pesanti (1,587 in23892U).[31]
La grande stabilità di questo nuclide è sostanziata dalla suaenergia di legame per nucleone, che ammonta 7 073,916 keV,[32] un valore che raggiunge l'80,4% di quello del62Ni,[32] il nuclide più fortemente legato.[33] Per3He, al confronto, tale energia è solo 2 572,680 keV.[32] Questa relativa grande stabilità di42He rende l'elio il secondo elemento più abbondante nel cosmo dopo l'idrogeno.[34]
Molti nuclei pesantiradioattivi decadono emettendo proprio nuclei di4He secondo il processo noto comedecadimento alfa, perché la radiazione composta di tali nuclei veloci venne inizialmente chiamataradiazione alfa (diversa da quellabeta e quellagamma) e tali nuclei vennero quindi chiamatiparticelle alfa. Questi decadimenti alfa sono la principale fonte di4He sulla Terra.
A livello cosmico le particelle alfa sono quelle che caratterizzano ilprocesso-α per lanucleosintesi stellare degli elementi che parte dalcarbonio[35] e dopo 14 stadi intermedi giunge a produrre ilnichel (56Ni), che poi decade dandocobalto (56Co) e questo infine ilferro (56Fe), l'elemento metallico più abbondante a livello cosmico.[34]
L'isotopo3He, scoperto nel 1939 daLuis Alvarez e Robert Cornog,[36][37] è più leggero del più comune4He, in quanto il suo nucleo è composto da 2 protoni e un solo neutrone (3 nucleoni) contro i 2 protoni e 2 neutroni (4 nucleoni) di4He, ed è un isotopo presente in tracce nell'atmosfera terrestre (0,000137%).[38]
È il «nucleo specchio» deltrizio (3H), oltre che suoisobaro, con i protoni scambiati con i neutroni.[39] Il suospin nucleare è 1/2 ed è pertanto unfermione; questo suo spin, e in particolare il valore 1/2, lo rende un nuclide facilmente indagabile con larisonanza magnetica nucleare (3He-RMN), applicabile senza difficoltà solo però nei suoi composti isotopicamente arricchiti, come ad esempio in quelli di incapsulamento all'interno del dodecaedrano[40] e di alcunifullereni.[41]
Dopo il primo isotopo dell'idrogeno (ilprozio11H),32He è il secondo e ultimo isotopo stabile in cui i protoni superano i neutroni:N/Z = 1/2.[42]
Nonostante l'eccesso di protoni,3He è anch'esso un isotopo stabile, anche se molto meno legato (2 572,680 keV)[32] di4He (7 073,916 keV);[32] è anche leggermente meno legato deltrizio (2 827,266 keV,radioattivo)[43] e viene da esso formato per decadimentoβ– perché ha una massa leggermente minore, conemivita di 12,32 a.[44][45]
L'elio-3 è presente in tracce sulla superficie terrestre in quanto viene prodotto dal decadimentoβ– del trizio.[45] Questo, a sua volta, viene continuamente prodotto (anche se in minime quantità) nell'alta atmosfera dall'interazione deiraggi cosmici con l'azoto atmosferico, e ricade al suolo con le precipitazioni.[46] Una certa quota di3He, ma si parla ancora di tracce, viene dalla caduta sulla Terra di polvere cosmica, che normalmente lo contiene,[47] ed è presente in quantità dell'ordine delleparti per miliardo anche sulla superficie dellaLuna.[48][49] Anche in connessione a questo, ne è stata ipotizzata una possibilità di impiego come combustibile per lafusione nucleare pulita, senza produzione di neutroni nel processo[50] (fusione aneutronica).[51]
Il primo possibile isotopo dell'elio,2He, con il nucleo composto da soli due protoni e pertanto noto anche come diprotone, è ipotetico e di esso si sa poco, ma si crede che non sia un sistema legato e che, in ogni caso, non abbia giocato un ruolo nella nucleosintesi degli elementi negli stadi primordiali dell'Universo.[52]
L'isotopo5He (spin 3/2-), come qualsiasi altro nucleo aventeA = 5, è estremamente instabile e decade coinvolgendo l'interazione nucleare forte: espelle un neutrone per dare4He, stabile, con un'energia di decadimento relativamente piccola, che ammonta a 890 keV, ma con un'emivita brevissima che tipicamente compete a trasformazioni in cui interviene l'interazione nucleare forte,[53] pari a 7,603×10-22 s;[54]
L'isotopo6He (spin 0) viene prodotto artificialmente in laboratorio da reazione che coinvolgono nuclidi ricchi di neutroni[55] e ha applicazioni nello studio della correlazione tra i neutrini che vengono prodotti nel decadimento beta.[56]
Pur essendo un isotopo molto instabile, è anche quello più longevo tra quelli radioattivi dell'elio noti finora (fino a10He, con la possibile eccezione di2He, del quale non si sa se sia un nucleo legato).[57] L'elio-6 ha neutroni in eccesso e decade in modalitàβ– nella quasi totalità dei casi (≈100%) per dare l'isotopo stabile6Li, con un'energia di decadimento di 3,508 MeV; nel restante 0,00028% dei casi il decadimentoβ– è accompagnato dall'espulsione di undeutone (2H), per dar luogo quindi a4He; l'emivita è inferiore al secondo (806,7 ms).[58]
L'isotopo7He (spin 3/2-) espelle un neutrone (interazione forte residuale,T½ = 3,1×10−12 ns, Q = 435 keV) dando l'elio-6, che poi decade come già visto sopra.[59]
L'isotopo8He (spin 0), come qualsiasi altro nuclide aventeA = 8, è estremamente instabile e decade coinvolgendo l'interazione forte residua e l'interazione debole in diverse modalità; come prodotti finali stabili, si ottengono elio-4 e litio-7, passando per gli intermedi elio-5 e litio-8;T½ = 119 ms,Q = 10,65 MeV.[60]
Gli isotopi9He e10He, con emivite dell'ordine di 10−15 s, sono estremamente instabili e, attraversocatene di decadimento ramificate, producono infine entrambi elio-4 e litio-7.[61]
Attualmente l'applicazione in cui viene utilizzata la maggiore quantità di elio liquido sono i magneti superconduttori perImaging a risonanza magnetica (MRI)
Benché l'ambito d'uso più noto dell'elio sia il gonfiaggio di palloncini, questo è, tuttavia, l'impiego che ne usufruisce in misura minore. L'applicazione principale è in criogenia: principalmente per raffreddare i magneti superconduttori perImaging a risonanza magnetica (MRI) e spettrometri aNMR.
Elenchiamo dove principalmente è usato l'elio[62] (si riferisce alle previsioni negli USA nel 2014).
Il suo punto di ebollizione estremamente basso rende l'elio liquido un refrigerante ideale per molte applicazioni a temperature estremamente basse quali i magneti superconduttori e le ricerchecriogeniche, dove sono necessarie temperature prossime allozero assoluto. Miscele di3He e4He sono usate neirefrigeratori a diluizione.
L'elio è usato come gas di protezione nella saldatura ad arco su materiali che sono alla temperatura di saldatura o contaminati o indeboliti dall'aria o dall'azoto. Per alcuni materiali che hanno un'elevataconducibilità termica come ilrame e l'alluminio si preferisce usare l'elio invece del più economicoargon.
Per localizzare le perdite in impianti da vuoto viene comunemente utilizzato l'elio. L'eliodiffonde attraverso i solidi tre volte più velocemente dell'aria, esso è usato come gas traccia per rivelare fughe di gas in impianti di alto vuoto. Lo strumento usato è unospettrometro di massa a quadrupolo posto nella camera da vuoto. All'esterno viene spruzzato elio nelle varie parti e lo spettrometro di massa rivela rapidamente la presenza di elio.Anche fori che hanno una portata di solo 10−9 mbar·L/s (10−10 Pa·m3/s) possono essere trovati.Gli spettrometri di massa per l'elio sono semplici in quanto avendo l'elio una piccola massa è facilmente deviabile. Nel caso di perdite molto maggiori si pressurizza la camera da vuoto con elio e si cerca il foro con uno strumento manuale esterno. Negli impianti da vuoto l'uso di misuratori di fughe è pratica comune: spesso vengono chiamati in gergo cercafughe o più spesso con il nome ingleseleak detector. La maggior parte dei materiali isolanti vetri e plastiche è permeabile all'elio: ciò a volte crea confusione tra difetti reali e apparenti.
L'elio usato nella respirazione non provocanarcosi da alti fondali come l'azoto, per questa ragione miscele come iltrimix,heliar oheliox sono usati per immersione a grande profondità per ridurre gli effetti della narcosi, che peggiorano con la profondità.[64][65] Un effetto indesiderato dell'elio è la modifica del tono della voce, il cosiddetto "effetto paperino", che rende difficilmente comprensibili le comunicazioni con gli operatori subacquei. Con la profondità aumenta la pressione e anche la densità del gas respirato aumenta, e l'uso dell'elio che ha un basso peso atomico riduce in maniera considerevole lo sforzo respiratorio abbassando la densità della miscela. Questo riduce ilnumero di Reynolds del flusso per cui si riduce ilflusso turbolento e aumenta ilflusso laminare di conseguenza è necessario un minore lavoro per la respirazione.[66][67]A una profondità maggiore di 120 m i sommozzatori respirando la miscela elio.ossigeno cominciano ad avere tremori e hanno una diminuzione della capacità psicomotrice, sintomi dellasindrome nervosa da alta pressione.[68]
A causa della sua bassa densità e non infiammabilità, l'elio è la scelta ideale per riempiredirigibili
Poiché l'elio è più leggero dell'aria, dirigibili e palloni vengono gonfiati con elio per sollevarli. L'idrogeno è più leggero e quindi fornisce una spinta verso l'alto maggiore e inoltre ha una permeabilità inferiore attraverso le membrane, ma l'elio è non infiammabile[5] ed è un gasritardante di fiamma. Nei razzi, l'elio è usato come mezzo di separazione e movimentazione tra il combustibile e il comburente. Viene anche usato per ripulire i serbatoi del comburente e combustibile prima del lancio e per il preraffreddamento dell'idrogeno liquido prima del lancio: ilSaturn V nelprogramma Apollo aveva bisogno di 370 000 m3 di elio prima del lancio.
L'elio è usato come gas inerte (con funzione di gas di trasporto/carrier) nellagascromatografia.[5]
L'elio è usato come gas per misure didensità assoluta, in appositipicnometri a elio che misurano il volume degli oggetti a meno della porosità raggiungibile dall'elio.
L'uso dell'elio riduce l'effetto distorcente delle variazioni di temperatura tra lelenti in alcunitelescopi, dato il suoindice di rifrazione estremamente basso. Questo metodo è usato specialmente nei telescopi solari in cui un tubo sotto vuoto sarebbe troppo pesante.[69]
L'età delle rocce e dei minerali che contengonouranio etorio possono essere misurate dalla quantità di elio intrappolato, è questa una tecnica recente.[70]
Nei laboratori scientifici si fa largo uso di elio liquido per studiare le proprietà dei solidi a bassa temperatura. IlLarge Hadron Collider (LHC) alCERN usa 96 tonnellate di elio per mantenere a 1,9 K i magneti superconduttori nel tunnel di 27 km che contiene l'acceleratore.[71]
Essendo un gas inerte con elevataconducibilità termica, trasparente ai neutroni, e che non forma isotopi radioattivi all'interno deireattori nucleari, l'elio è usato come mezzo di trasporto del calore in alcuni reattori raffreddati a gas.[5]
L'elio mescolato con un gas inerte più pesante come loxeno, è utilizzato perrefrigerazione termoacustica in quanto ha un elevatocoefficiente di dilatazione adiabatica e un piccolonumero di Prandtl.[72] L'uso di un gas inerte come l'elio ha vantaggi per l'ambiente sui sistemi di refrigerazione tradizionali che contribuiscono alla distruzione dell'ozono e causano il riscaldamento globale.[73]
L'elio è anche usato in alcune memorie magnetiche (dischi rigidi).[74]
Viene anche utilizzato per gonfiare palloncini inmylar olattice per usi ludici. Data la sua scarsa densità è un ottimo (ma costoso) sostituto dell'idrogeno. A differenza dell'idrogeno presenta il vantaggio di non essereinfiammabile (nécombustibile).
In ambito medico viene utilizzato diluito con l'aria ambientale per effettuare dei test spirometrici allo scopo di verificare la capacità di riempimento dei polmoni.
L'elio liquido trova un utilizzo crescente nell'imaging a risonanza magnetica, in quanto l'applicazione medica di questa tecnologia si sta diffondendo nell'ultimo periodo.
Dal momento che lavelocità del suono è inversamente proporzionale alla radice quadrata dellamassa molecolare, nell'elio si ha una velocità che è circa tre volte quella nell'aria. L'altezza (o la frequenza fondamentale) di un suono prodotto da una cavità riempita da un gas è proporzionale alla velocità del suono in quel gas. Inalando dell'elio si innalza la frequenza di risonanza della laringe, rendendo la voce acuta e stridula.[75] Al contrario, inalando gas dal peso molecolare più elevato come loxeno o l'esafluoruro di zolfo si ha l'effetto opposto.
L'elio di per sé non è tossico per l'organismo umano, tuttavia un ambiente saturo di elio, come di altri gas, è contemporaneamente povero di ossigeno; tale condizione, indipendentemente dal fatto che il gas presente sia tossico o meno, può portare all'asfissia. Contenitori riempiti con elio gassoso a5-10 K devono essere conservati come se contenessero elio liquido a causa dell'alto incremento di pressione che risulta dal riscaldamento del gas atemperatura ambiente. L'elio liquido ha uncalore latente di evaporazione molto piccolo, per cui è praticamente impossibile ustionarsi con esso, né è facile venirne a contatto, ma oggetti che si sono portati alla temperatura dell'elio liquido e vengono estratti rapidamente possono causare ustioni.
«Raccolsi alcun tempo fa una sostanza amorfa di consistenza butirracea e di colore giallo sbiadato sublimata sull'orlo di una fumarola prossima alla bocca di eruzione. Saggiata questa sublimazione allo spettroscopio, ho ravvisato le righe del sodio e del potassio ed una lineare ben distinta che corrisponde esattamente alla D3 che è quella dell'Helium. Do per ora il semplice annunzio del fatto, proponendomi di ritornare sopra questo argomento, dopo di aver sottoposta la sublimazione ad una analisi chimica.»
^ Jayant Vishnu Narlikar,From black clouds to black holes, collanaWorld Scientific series in astronomy and astrophysics, 2nd ed., World Scientific, 1995,ISBN978-981-02-2032-7.
^Principles of fusion energy: an introduction to fusion energy for students of science and engineering, Reprint, World Scientific, 2008, pp. 8-11,ISBN978-981-238-033-3.
^S. J. Butcher, L. Richard L., J. R. Mayne, T. C. Hartley, S. R. Petersen,Impaired exercise ventilatory mechanics with the self-contained breathing apparatus are improved with heliox,European Journal of Applied Physiology,101, pp. 659–69, (2007)
^Heliox21, subochealthcare.co.uk, Linde Gas Therapeutics, 27 gennaio 2009.
