هيليوم

الاستخدامات

وفي هذا السياق، يدخل الهيليوم في تركيب غازات التنفس في أجهزة الغوص العميق، مثل تريمكس وهيليوكس، وذلك للتخفيف من الآثار التخديرية لغازات التنفس عند الضغوط المرتفعة. وجد أنّ الغوص إلى أعماق دون 150 متر باستخدام أجهزة تنفس أكسجين-هيليوم تؤدّي إلى حدوث رعاش واضطراب في الوظائف الحسّيّة الحركيّة، ممّا يعدّ مؤشّراً على حدوث أعراض متلازمة الضغط العالي العصبي، أو ما يعرف باسم رعاش الهيليوم. هذا الأثر يمكن أن يعود إلى حدّ ما نتيجة إضافة كمّيّات من غاز له خواص تخديريّة في الغطس مثل الهيدروجين أو النيتروجين إلى مزيج أكسجين-هيليوم. في أعماق كهذه، وجد أن الكثافة المنخفضة للهيليوم لها دور في تخفيف المجهود المبذول للتنفس.

وفي السياق ذاته، عند مزج الهيليوم مع غاز أثقل مثل الزينون فإنّه يستعمل في المحركات الصوتيّة الحراريّة المستعملة في التبريد، وذلك نتيجةً لارتفاع نسبة السعة الحرارية الناتجة ولانخفاض عدد برانتل. إنّ خمول غاز الهيليوم له آثار إيجابيّة على البيئة مقابل أنظمة التبريد التقليديّة التي تؤدي إلى نضوب الأوزون والاحترار العالمي.

علاوةً على ذلك، كما يستعمل الهيليوم كغاز واقي في عمليّات اللحام القوسي على المواد التي يؤدّي لحامها عند درجات حرارة مرتفعة إلى إشابتها أو إضعافها بالهواء أو بالنيتروجين. يستعمل الهيليوم عوضاً عن الآرغون لإجراء عملية لحام المواد التي لها ناقليّة حراريّة مرتفعة مثل الألمنيوم أو النحاس.

في هذا الإطار، إنّ استعمال الهيليوم يقلّل من الآثار المشوّشة في بعض المقاريب، والتي تحصل نتيجة تفاوت درجة الحرارة في الفراغ بين العدسات، وذلك بسبب الانخفاض الكبير لقيمة قرينة الانكسار بالنسبة للهيليوم. تعد هذه طريقة عملية بالنسبة للمقاريب الشمسية التي تكون بحاجة إلى استخدام أنبوب تفريغ والذي غالباً ما يكون ثقيل الوزن.

وفي هذا الصدد، يستعمل الهيليوم في عدة مجالات وتطبيقات بما يتناسب مع خواصه المميّزة، مثل انخفاض نقطة غليانه وكثافته وانحلاليّته المنخفضة، إلى جانب ناقليّته الحراريّة المرتفعة وخواصه الخاملة. بلغ الإنتاج العالمي من الهيليوم عام 2008 قرابة 32 مليون كغ (ما يعادل 193 مليون متر مكعّب)، وكان أكبر استهلاك له (نحو 22%) في تبريد أجهزة المغناطيس فائق الموصلية المستعملة في عدة تقنيّات مثل أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي. إنّ مصادم الهدرونات الكبير في سرن CERN يستعمل قرابة 96 طن متري من الهيليوم السائل للحفاظ على درجات حرارة دون 1.9 كلفن.

وعلى صعيد آخر، لأنّ وزنه أخف من الهواء، يستعمل الهيليوم في ملء السفن الهوائية والمناطيد لتتمكّن من الطيران. على الرغم من أنّ الهيدروجين أخفّ من الهيليوم، لكنّه قابل للاشتعال، في حين أنّ الهيليوم لا يشتعل.

الاستنشاق والمخاطر

إضافةً إلى ذلك، استعمل ليزر هيليوم-نيون، وهو نوع من ليزر الغاز له طاقة منخفضة، وذلك من أجل إنتاج حزمة حمراء اللون، وذلك في عدّة تطبيقات مثل قارئ الشفرة الخيطية ومؤشر الليزر، وذلك قبل أن يستبدل بليزر الصمام الثنائي.

ومن ناحية أخرى، نتيجة خموله الكيميائي، يستعمل الهيليوم كغاز واقي في إنتاج رقائق السيليكون والجرمانيوم وفي إنتاج التيتانيوم والزركونيوم وفي الاستشراب الغازي.

من جهة ثانية، من إحدى التطبيقات الصناعيّة لغاز الهيليوم استخدامه في كشف التسريب في الأجهزة التي تستعمل تفريغ مرتفع مثل الحاويات المستعملة في التبريد العميق، وذلك لأن الهيليوم ينتشر في الأجسام الصلبة أسرع بثلاث مرات من الهواء. يوضع الجهاز المراد كشف التسريب فيه في حجرة تخلّى من الهواء وتملأ بالهيليوم، ويقاس الهيليوم الذي ينفد من مكان التسريب باستخدام أجهزة مخصصة لذلك. بالمقابل يمكن ملء الجهاز المراد كشف التسريب فيه بالهيليوم ويكشف عن مكان التسريب بجهاز يمرر يدويّاً على الجهاز بالكامل.

وفي هذا السياق، يستعمل الهيليوم كوسط لتبادل الحرارة في بعض المفاعلات النوويّة المبرّدة بالغاز وذلك بسبب خموله الكيميائي وبسبب ناقليّته الحراريّة العاليّة، وعدم تأثره بالنيوترونات، ولعدم تشكيله نظائر مشعّة تحت شروط عمل المفاعل.

أطوار الهيليوم

إضافةً إلى ذلك، إنّ الهيليوم في الأحوال العادية عبارة عن غاز، وعند درجات حرارة منخفضة عند نقطة انصهاره يصبح بالطور السائل. إلا أنّ الهيليوم هو العنصر الوحيد الذي لا يمكن الحصول على الطور الصلب منه تحت ظروف الضغط العادي. يجب رفع الضغط إلى قيم تصل نحو 2.5 ميغا باسكال عند درجات حرارة منخفضة جداً (أقل من 1.5 كلفن أي ما يعادل −272 °س).

وفي هذا الصدد، يشكّل الهيليوم الصلب بلّورات ولكن لا يمكن فصل الهيليوم الصلب عن السائل بصريّاً، لأن قرينة الانكسار لهما متقاربة جداً. للهيليوم الصلب قابلية انضغاط عالية، بحيث أنه من الممكن مخبريّاً إنقاص حجمه بأكثر من 30%. تبلغ كثافة الهيليوم الصلب 0.214 ± 0.006 غ/سم3 عند 1.15 كلفن و 66 جو، والكثافة المتوقعة عند 0 كلفن وضغط قدره 25 بار هي 0.187 ± 0.009 غ/سم3.

الطور السائل والميوعة الفائقة

علاوةً على ذلك، هناك حالتين مختلفتين للهيليوم في الطور السائل تعرفان بحالة الهيليوم I و حالة الهيليوم II.

النظائر

إضافةً إلى ذلك، هنالك تسعة نظائر معروفة للهيليوم، اثنان منها فقط عبارة عن نظائر مستقرّة وهي هيليوم-4 4He وهيليوم-3 3He. يعدّ النظير هيليوم-4 هو النظير الطبيعي الأكثر وفرةً حيث أن 99.99986% من عنصر الهيليوم في الطبيعة هو هيليوم-4، وما تبقّى فهو هيليوم-3. إحصائيّاً هنالك ذرّة هيليوم-3 واحدة مقابل مليون ذرّة هيليوم-4. ينتج النظير هيليوم-4 في الأرض كناتح لعمليّة اضمحلال ألفا للعناصر المشعّة الأثقل حيث تنتج جسيمات ألفا، والتي هي عبارة عن نوى هيليوم مشحونة. تتميّز نواة النظير هيليوم-4 بثباتيّة عاليّة لأن نويّاتها مرتّبة بشكل كامل في غلافها النووي. إنّ الكميّات النادرة للنظير هيليوم-3 موجودة في الطبيعة منذ نشأة الأرض، إلى جانب هبوط كمّيّات مصدرها من الكون، والتي كانت محتجزة ضمن الغبار الكوني، كما تنتج كمّيّات قليلة من الهيليوم-3 من اضمحلال بيتا للتريتيوم.

من جهة ثانية، في الكون أعلى منها على الأرض بحوالي 100 مرّة وذلك في الوسط بين النجمي. كما أنّ وفرته في النجوم كبيرة نسبياً نتيجة الاندماج النووي. إنّ المواد الكونيّة مثل الحطام الصخري للأقمار والأحجار النيزكية تحوي كذلك نسب من هيليوم-3، والتي اصطحبتها الرياح الشمسيّة، كما أنّ سطح القمر يحوي الهيليوم-3 بتراكيز أعلى منها على سطح الأرض.

ومن ناحية أخرى، إنّ مزيج من كمّيّتين متساويتين من 3He و 4He السائل تحت 0.8 كلفن سينفصل إلى طبقتين غير مزوجتين وذلك نتيجة لتباين الإحصاءات الكموميّة لهما، حيث أن 4He عبارة عن بوزون، في حين أنّ 3He فرميون. يستفاد من خاصة عدم امتزاج هذين النظيرين في ثلاجة التمديد، حيث يمكن استخدام هذا التطبيق للحصول على درجات حرارة بحدود بضعة ميلي كلفن.

الخواص الفيزيائيّة

علاوةً على ذلك، إنّ تفاوت نسبة النظيرين هيليوم-3 وهيليوم-4 في الصخور يستعمل من أجل تحديد عمر الصخور ومعرفة أصل منشأها في الغلاف الصخري للأرض. إنّ نسبة النظير هيليوم-3 3He إلى هيليوم-4 4He

الخواص الكيميائيّة

من جهة ثانية، ينتمي الهيليوم إلى فصيلة الغازات النبيلة، وهو يحوي إلكترونين اثنين في طبقة غلاف التكافؤ الخارجيّة، بحيث أن المدارات الإلكترونية مكتملة 1S2، بالتالي فهو غاز خامل، وهو أقلّ الغازات النبيلة من حيث النشاط الكيميائي بعد النيون، وبالتالي ثاني أقل العناصر الكيميائيّة من حيث النشاط الكيميائي. لا يبدي الهيليوم أيّ نشاط كيميائي تحت كافة الشروط الطبيعيّة.

علاوةً على ذلك، يكون الهيليوم على شكل أحادي الذرة في أغلب حالات المادة، كما أنه أقلّ غاز أحادي الذرة انحلاليّة (ذوبانيّة) في الماء، ولا يسبقه بضعف الانحلاليّة في الماء إلا بعض الغازات مثل رباعي فلورو الميثان CF4 وسداسي فلوريد الكبريت SF6 وثماني فلورو حلقي البوتان C4F8 والتي لها انحلاليّة (معبّراً عنها بالكسر المولي) تعادل 0.3802 x2/10−5 و 0.4394 x2/10−5 و 0.2372 x2/10−5 على الترتيب، مقابل 0.70797 x2/10−5 للهيليوم.

المخاطر

من جهة ثانية، إنّ المبالغة في استنشاق الهيليوم لتحقيق أثره على الحبال الصوتيّة يمكن أن يكون خطراً، حيث يؤدّي إلى الاختناق لأنّه يحلّ محلّ الأكسجين اللازم لعمليّة التنفّس. سجّلت حالات وفاة ناتجة عن المبالغة في استنشاق الهيليوم، من بينهم أطفال وبالغين.

اقرأ كذلك

في هذا الإطار، إنّ استنشاق الهيليوم مباشرةً من الأسطوانات المضغوطة خطر جداً، حيث يمكن أن يؤدّي إلى حدوث رضح ضغطي نتيجة معدّل السرعة العالي للهيليوم المتدفّق، والذي يمكن أن ينجم عنه تمزّق مميت لأنسجة الرئتين.

في هذا الإطار، ينبغي اتّباع إجراءات الأمان اللازمة عند التعامل مع الهيليوم السائل، لأنّ درجة الحرارة المنخفضة يمكن أن تؤدّي إلى عضة برد. كما ينبغي الانتباه إلى ضرورة ضبط الضغط لأنّ نسبة تمدد السائل-إلى-الغاز المرتفعة يمكن أن تؤدّي إلى حدوث انفجارات إن لم يكن هناك صمّامات ضغط متوفّرة.

غاز نبيل

الإنتاج

وفي هذا الصدد، إنّ ازدياد الطلب العالمي على الهيليوم ومحدوديّة الإنتاج أدّيا إلى ارتفاع سعر إنتاج الهيليوم في العالم، بحيث أنه بين عامي 2002 و 2007 ازداد سعر الهيليوم بمقدار الضعف. نتيجة محدوديّة موارد الهيليوم تجري في الوقت الحالي استخدام تقنيّات يطبق فيها انتشار للغاز الطبيعي الخام عبر أغشية نصف نفوذة من أجل استرجاع وتنقية الهيليوم.

من جهة ثانية، ينتج غاز الهيليوم بشكلٍ صناعي بعملية التقطير التجزيئي للغاز الطبيعي، والذي يمكن أن يوجد بنسبة تصل حتى 7% حجماً. بما أن للهيليوم نقطة غليان أقلّ من أيّ عنصر كيميائي آخر، فإنّ تطبيق درجات حرارة منخفضة عند ضغوط مرتفعة يؤدي إلى تسييل الغازات الأخرى مثل النيتروجين والميثان. لاحقًا تجري عملية تنقية لغاز الهيليوم بالتعريض المتتالي لدرجات حرارة منخفضة بحيث يضمن عدم بقاء أي أثر لغازات أخرى. كخطوة نهائية للتنقية يستعمل الفحم المنشّط مما يعطي نقاوة تصل إلى 99.995% وتدعى بنقاوة من الدرجة A. إنّ الشائبة الرئيسيّة في الهيليوم من الدرجة A هو غاز النيون. في مرحلة الإنتاج النهائيّة يسيّل الهيليوم من خلال عمليات تبريد عميقة بحيث يكون على شكل هيليوم سائل، ممّا يسهّل من عمليات النقل.

كذلك، تعدّ الولايات المتّحدة الأمريكيّة أكبر منتج لغاز الهيليوم حيث أتت مرحلة كانت تنتج فيها أكثر من 90% من الاحتياج العالمي لهذا الغاز، وما تبقى تنتجه محطّات توجد في كندا وبولونيا وروسيا، فضلًا عن عدّة دول أخرى. إنّ أغلب الهيليوم المستخرج في الولايات المتّحدة هو من حقل هيوغوتون للغاز في ولاية كانساس، فضلًا عن حقول أخرى في أوكلاهوما وفي حقل بانهاندل في تكساس. للهيليوم استهلاك كبير في الولايات المتّحدة، ومنذ أوائل القرن العشرين فإن للولايات المتّحدة مخزون وطني من هذه الخامة. قُدّر استهلاك الولايات المتحدة من غاز الهيليوم عام 2000 بحوالي 15 مليون كغ سنوياً. في منتصف التسعينات افتتحت محطّة جديدة لتوليد الهيليوم في مدينة أرزيو الجزائريّة لها القدرة على إنتاج 17 مليون متر مكعّب من غاز الهيليوم مما يغطّي الطلب الأوروبي من الهيليوم في السوق العالمي. وبين عامي 2004 و 2006 افتتحت محطّتان جديدتان لإنتاج الهيليوم وذلك في رأس لفان في قطر وفي مدينة سكيكدة في الجزائر. مع افتتاح محطّة سكيكدة أصبحت الجزائر ثاني منتج للهيليوم في السوق العالمي. حسب إحصاءات أجريت عام 2008، فقد استخرج نحو 169 مليون متر مكعّب من الهيليوم من الغاز الطبيعي وذلك بنسبة 78% من الولايات المتحدة الأمريكية و 10% من الجزائر وأغلب ما تبقّى تنتجه دول متعدّدة على رأسها روسيا وبولونيا وقطر.

حالة الهيليوم I

ومن جهة أخرى، عندما يكون الهيليوم دون نقطة غليانه والتي تبلغ 4.22 كلفن وفوق نقطة لامدا التي تبلغ 2.1768 كلفن، فإنّ الهيليوم يكون في حالة سائلة عديمة اللون تدعى حالة الهيليوم I. إنّ الهيليوم في حالته السائلة هيليوم I له قرينة انكسار شبيهة بالغازات مقدارها 1.026، كما أن له لزوجة منخفضة جداً وكثافة تتراوح بين 0.145–0.125 غ/مل.

الهيليوم في ميكانيكا الكم

علاوةً على ذلك، من منظور ميكانيكا الكم فإنّ الهيليوم ثاني أبسط ذرّة يمكن إجراء نموذج لها بعد ذرّة الهيدروجين. يتألّف الهيليوم من نواة تتألّف من بروتونين ونيوترونين اثنين، يحيط بهما إلكترونين اثنين في مداراتها الذريّة. حسب ميكانيك نيوتن التقليدي فإنه من غير الممكن تقديم حل رياضي تحليلي لنظام يتألّف من أكثر من جسيمين اثنين، وذلك حسب معضلة الأجسام الثلاث. بناءً على ذلك، تستعمل وسائل رياضيّة عدديّة عن طريق الكيمياء الحاسوبية لوضع نموذج ميكانيكي كمّي لارتباط إلكترونات الهيليوم بالنواة. رغم بساطة نموذج النواة ظاهرياً فإن معادلات معقّدة ضروريّة لوضع محاكاة لنموذج الذرّة الحقيقي.

الطور الغازي وحالة البلازما

وفي هذا السياق، يكون الهيليوم في في الطور الغازي في أغلب الحالات، وذلك على شكل غاز أحادي الذرة وعديم اللون والرائحة. بسبب كتلته الذرّيّة المنخفضة فإنّ للهيليوم ناقليّة وسعة حراريّة أعلى من أيّ غاز آخر عدا الهيدروجين، كما أن معدل انتشاره في الأجسام الصلبة أعلى بثلاث مرات من الهواء وقرابة 65% من قيمة انتشار الهيدروجين. لدى الهيليوم قرينة انكسار ثابتة مقارنة مع الغازات الأخرى بحيث أنه يستعمل كمادة قياسية لتصحيح الأخطاء في أجهزة قياس قرينة الانكسار للحالة الغازيّة. عند درجات الحرارة العاديّة فإنّ للهيليوم معامل جول-طومسون سالب، ممّا يعني أنه يسخن عندما يسمح له بالتمدّد، وفقط عند درجة حرارة الانعكاس والتي تتراوح بين 32 و 50 كلفن عند ضغط مقداره 1 جوّ، فإنّ الهيليوم يبرد عندما يتمدّد. عندما تخفّض درجة حرارة الهيليوم دون درجة الحرارة هذه فإنّ الهيليوم يمكن أن يسيّل عن طريق التبريد بالتمديد.

من جهة ثانية، إنّ أغلب الهيليوم الكوني يكون في حالة البلازما، والتي لها خواص مختلفة تماماً عن الهيليوم الذرّي. في حالة البلازما لا ترتبط الإلكترونات بالنواة ممّا يؤدي إلى ازدياد الناقليّة الكهربائيّة، حتّى وإن كان الغاز مؤيّناً بشكل جزئي. إنّ الجسيمات المشحونة تتأثّر بالحقول الكهربائية والمغناطيسيّة، وهذا ما يحدث لجسيمات الهيليوم والهيدروجين في الكون في الرياح الشمسيّة عندما يحدث تأثير متبادل مع الغلاف المغناطيسي للأرض ممّا يؤدّي إلى تشكّل تيارات بيركلاند والشفق القطبي.

الاستخراج والاستخدام

وفي السياق ذاته، اكتشف وجود غاز الهيليوم مع الغاز الطبيعي في الأرض بكميات كافية للإنتاج عام 1903 أثناء التنقيب عن النفط في ديكستر في ولاية كانساس الأمريكية، حيث جمعت كمية من غاز غير قابل للاشتعال. بإجراء عملية تحليل للعيّنة في جامعة كانساس وجد أن الغاز يتألّف من 72% نيتروجين و15% ميثان و1% هيدروجين و12% من غاز لم يتعرّف عليه حينئذ. بإجراء عملية بحث أعمق وجد هاميلتون كادي وديفد ماكفارلاند من جامعة كانساس أن 1.84% من العيّنة عبارة عن غاز الهيليوم. أظهرت هذه الأبحاث أنّه على الرغم من ندرة وجود الهيليوم على الأرض فإنّه يتركّز تحت السهول الكبرى بكميّات كبيرة كافية كناتج ثانوي في عملية استخراج الغاز الطبيعي.

إضافةً إلى ذلك، هذه الوقائع جعلت من الولايات المتحدة أكبر مزوّد للهيليوم، وجرى الاستفادة من ذلك في الحرب العالميّة الأولى في تعبئة المناطيد الحاجزة بغاز أخف من الهواء مثل الهيدروجين، لكنّه غير قابل للاشتعال. بناءً على ذلك جرى استعمال الهيليوم في تجهيز المناطيد العسكريّة. أوّل منطاد استعمل لهذا الغرض سمّي U.S. Navy's C-7 وأقلعت أول رحلة تجريبيّة له من هامبتون رودز في ولاية فيرجينيا إلى قاعدة بولينغ فيلد العسكريّة في واشنطن في الأوّل من ديسمبر عام 1921. استمرّ استخدام الهيليوم في المجال العسكري حتى الحرب العالميّة الثانيّة في عمليّات اللحام القوسي من أجل التجهيزات العسكريّة واستعمل كغاز لكشف التسريبات في عملية الانتشار الغازي أثناء تخصيب اليورانيوم لتصنيع القنبلة الذريّة في مشروع مانهاتن.

الآثار

كذلك، إنّ الهيليوم في الشروط العادية عبارة عن غاز غير سام وليس له تأثير حيوي على جسم الإنسان عند التعرّض له. ولكن عندما يستنشق الهيليوم عن طريق الفم فإنّ له تأثير على الحبال الصوتيّة بحيث يظهر الصوت كأنه مُسرّع. سبب هذا الأثر أنّ سرعة الصوت في الهيليوم أسرع منها بثلاث مرات من الهواء. بما أنّ التردّد الأساسي لتجويف مملوء بغاز متناسب مع سرعة الصوت في هذا الغاز، لذلك فإنّه عندما يستنشق الهيليوم فإنّ هنالك ازدياد في رنين المجرى الصوتي. إنّ تردّدات الرنين العالية تسبّب اختلاف في طابع الصوت بحيث يظهر متسارعاً (مزقزق، كما يعرف أحياناً باسم صوت ميكي ماوس). إنّ التأثير المعاكس بتخفيض تردّد الرنين يمكن الحصول عليه باستنشاق غاز كثيف مثل سداسي فلوريد الكبريت أو الزينون.

اكتشافات علميّة

من جهة ثانية، سُيّل الهيليوم لأول مرّة على يد الفيزيائي هايك كامرلينغ أونس عام 1908، وذلك بتبريد الغاز لأقل من درجة كلفن واحدة. حاول أونس الحصول على الحالة الصلبة من الهيليوم بتخفيض درجة الحرارة، لكنه لم يتمكّن من ذلك، لأنه لا توجد للهيليوم نقطة ثلاثية يكون عندها توازن بين الحالات الثلاثة للمادة. بالرغم من ذلك، تمكّن تلميذ أونس الفيزيائي فيليم هندريك كيسوم من تصليب 1 سم3 من الهيليوم بتطبيق ضغط إضافي عند درجات حرارة منخفضة وذلك عام 1926.

وعلى صعيد آخر، في عام 1938، اكتشف الفيزيائي بيوتر كابيتسا أن النظير هيليوم-4 عديم اللزوجة على وجه التقريب في درجات قريبة من الصفر المطلق، وهي الظاهرة التي تعرف اليوم بالميوعة الفائقة. في عام 1972، لوحظت نفس الظاهرة لدى النظير هيليوم-3 وذلك من قبل الفيزيائيّين دوغلاس أوشيروف وديفد لي وروبرت ريتشاردسون، وحازوا بذلك جائزة نوبل في الفيزياء عام 1996.

إضافةً إلى ذلك، في عام 1907، أظهر العالم إرنست رذرفورد مع توماس رويدز أن جسيم ألفا هو نواة الهيليوم، وذلك من خلال قيامه بالسماح لجسيمات ألفا أن تخترق جدار زجاجي رقيق لأنبوب التفريغ، مما أدّى إلى حدوث تفريغ للشحنة والذي سمح بدراسة طيف الغاز في الداخل.

حالة الهيليوم II

وفي السياق ذاته، عندما تنخفض درجة حرارة الهيليوم السائل دون نقطة لامدا فإنه يبدأ بإظهار خواص غير عادية، وتدعى هذه الحالة هيليوم II. عندما يغلي الهيليوم وهو في الحالة II فإنه نتيجة لناقليته الحرارية المرتفعة لا يظهر فقاعات ولكن يتبخر بشكل مباشر من على السطح. هذه الحالة يمكن ملاحظتها في النظير هيليوم-4 كما يظهرها النظير هيليوم-3 ولكن بدرجات حرارة أقل مما هي عليه للهيليوم-4، ولا يعرف الكثير لحد الآن عن خواص الهيليوم-3 في الحالة II

وفي هذا الصدد، يظهر الهيليوم وهو في الحالة II خواص الميوعة الفائقة، بحيث أن لزوجته منخفضة جداً تقارب الصفر. لتفسير ذلك اقترحت إحدى النظريات وجود نموذج السائلين بالنسبة للهيليوم II، حيث يكون الهيليوم السائل دون نقطة لامدا مؤلفاً من مزيج من سائلين، الأوّل يحوي نسبة من ذرّات الهيليوم في الحالة الأرضيّة وتكون في حالة من الميوعة الفائقة وتتدفّق بدون أن يكون لها أي لزوجة، في حين أن القسم الثاني يحوي نسبة من ذرات الهيليوم في الحالة المثارة، والتي تتصرف كسائل عادي له لزوجة.

في هذا الإطار، من الخواص التي يظهرها الهيليوم وهو في حالة الميوعة الفائقة هي خاصيّة التسلق، حيث يمكن للهيليوم وهو في هذه الحالة أن يتسرّب ويتسلّق جدران الوعاء الذي يحويه حتى يصل إلى منطقة أسخن بحيث يتبخّر. يشكّل الهيليوم فائق الميوعة بذلك طبقة رقيقة (رقاقة) سماكتها قرابة 30 نانومتر وتدعى باسم رقاقة رولن Rollin film، نسبةً إلى مكتشفها بيرنارد رولن. نتيجةً للخواص التسلقيّة هذه للهيليوم فائق الميوعة فإنه من الصعوبة احتواء الهيليوم السائل.

الاكتشاف وأصل التسمية

من جانب آخر، في سنة 1895، استطاع العالم البريطاني وليام رامزي عزل الهيليوم على الأرض، عندما عالج معدن الكليفيت (وهو معدن مشابه لليورانينيت مع وجود نحو 10% من العناصر الأرضية النادرة) وذلك بأحماض معدنيّة. توقع رامزي وجود الآرغون، ولكنه بعدما قام بفصل النيتروجين والأكسجين من الغازات المتحرّرة من أثر حمض الكبريتيك، لاحظ وجود خط أصفر مميّز في طيف إصدار المادّة المستخرجة، والذي يشبه خط D3 في طيف الشمس، وشخّصت هذه العيّنات على أنّها هيليوم من قبل لوكير والفيزيائي البريطاني وليام كروكس. في تجربة منفصلة قام العالم بير تيودور كليفه مع مساعده أبراهام لانغليت بجمع عينات من غاز الهيليوم من معدن الكليفيت في جامعة أوبسالا في السويد وذلك من أجل تحديد كتلته الذريّة.

إضافةً إلى ذلك، يُعد الهيليوم العنصر الوحيد الذي اكتُشف في الكون في الشمس قبل أن يكتشف على الأرض. حدث ذلك عندما لاحظ الفلكي بيير جانسين وجود خط أصفر لامع في طيف الإصدار للغلاف اللوني للشمس أثناء حادثة كسوف كلّي للشمس في الهند عام 1868. في ذات العام لاحظ الفلكي جوزيف نورمان لوكير نفس الخط الأصفر من الطيف الضوئي للشمس، وأسماه خط فراونهوفر D3، لأن له طول موجة مقداره 587.49 نانومتر وهو قريب من خطوط D1 و D2 للصوديوم. لاحقًا، استنتج لوكير أن الخط الطيفي هذا سببه عنصر موجود في الشمس وغير موجود على الأرض، فأطلق عليه سويّة مع إدوارد فرانكلاند الاسم الإغريقي للشمس ἥλιος هيليوس.

الوفرة الطبيعيّة

وفي هذا السياق، إنّ المصدر الطبيعي الأكبر للهيليوم هو وجوده في بعض آبار الغاز الطبيعي نتيجة احتباسه تحت الطبقات الصخريّة للأرض. تختلف التراكيز حسب المواقع من عدّة أجزاء في المليون إلى نحو 7% حجماً من كميّة الغاز المستخرجة كما في حقل الغاز في مقاطعة سان خوان في نيومكسيكو.

وعلى صعيد آخر، يدخل الهيليوم في تركيب الغلاف الغازي للعديد من الكواكب بنسب تظهر في الجدول التالي:

كذلك، على الرغم من ندرته على سطح الأرض فإن الهيليوم يعدّ ثاني أكثر العناصر بعد الهيدروجين وفرة في الكون مشكّلاً 23% من كتلته الباريونيّة. تشكّلت هذه الكميّة الهائلة من الهيليوم بعد فترة قليلة من الانفجار العظيم. يتشكّل الهيليوم في النجوم نتيجة الاندماج النووي للهيدروجين في تفاعل بروتون-بروتون المتسلسل ودورة كربون-نيتروجين-أكسجين (دورة CNO)، والتي تعدّ جزءاً من تفاعلات الانصهار النجمي.

علاوةً على ذلك، إنّ تركيز الهيليوم في الغلاف الجوي للأرض يعادل 5.2 جزء في المليون، وهو يتركّز في طبقات الجو العليا من غلاف الأرض الجوي. هذا التركيز الضئيل ثابت نسبياً في الغلاف الجوّي رغم الإنتاج المستمرّ للهيليوم، ويعود ذلك إلى انفلات الغاز من الغلاف الجوّي للأرض إلى الفضاء الخارجي وذلك بعدّة آليّات مقترحة.

من جهة ثانية، إنّ أغلب الهيليوم الموجود على الأرض هو نتيجة الاضمحلال الإشعاعي للعناصر الثقيلة نتيجة إطلاق جسيمات ألفا 2+He، والتي تتجمّع إلكتروناتها لتشكّل الهيليوم عندما تصطدم بالغلاف الصخري. لذلك يوجد الهيليوم بكميّات كبيرة نسبياً في تركيب عدّة معادن لليورانيوم والثوريوم بسبب إطلاقها لجسيمات ألفا أثناء اضمحلالها الإشعاعي مثل اليورانينيت (خاصةً الكليفيت، وهو أحد مشتقّات اليورانيتيت) والكارنوتيت والمونازيت. على هذا الأساس ينتج سنوياً قرابة 3000 طن متري من الهيليوم عبر غلاف الأرض الصخري. إنّ تركيز الهيليوم في القشرة الأرضية هو 8 جزء في البليون، وفي مياه البحار فقط قرابة 4 جزء في الترليون. توجد كمّيّات قليلة من الهيليوم في الينابيع المعدنيّة والغازات البركانيّة والأحجار النيزكيّة.

المركّبات الكيميائيّة

ومن ناحية أخرى، جرى مؤخراً حبس ذرة الهيليوم داخل قفص كربوني، وذلك عند تسخين الفوليرينات إلى درجات حرارة مرتفعة بوجود الهيليوم. يتشكّل حينها ما يعرف باسم الفوليرينات ذات السطح الداخلي endohedral fullerene، والتي تبقى محتوية على الهيليوم محتجزاً داخلها حتّى حين إجراء اشتقاق مركّبات كيميائيّة منها. وفي حال استعمال النظير هيليوم-3 يمكن أن يكشف ذلك باستعمال مطيافية الرنين المغناطيسي النووي للهيليوم. لا تعدّ هذه المركّبات مركّبات للهيليوم بالمعنى الحقيقي للكلمة، إذ لا توجد دلائل على حدوث نوع من الرابطة الكيميائيّة بينها وبين العناصر المحيطة بها، إلا أن هذه المركّبات لها خواص مميّزة عن غيرها، ولها صيغة ستوكيومتريّة خاصّة بها. يرمز لهذه المركّبات بالأسلوب التالي: He@C60.

إضافةً إلى ذلك، تحت ظروف التفريغ المرتفعة في جهاز مطيافية الكتلة يمكن أن يتشكّل أيون هيدريد الهيليوم ولكنّه غير قابل للعزل. إنّ +HeH في حالته الأرضيّة مستقرّ، ولكنه نشيط كيميائيّاً بدرجة كبيرة جداً، بحيث يعدّ أقوى حمض وفق نظرية برونستد-لوري حيث أنه يمنح البروتون بشكل فوري عند تماسه مع أيّ جزيء أو مركب، وذلك بغضّ النظر عن التركيز. نظريّاً، يمكن أن توجد هناك مركبات أخرى للهيليوم مثل فلوروهيدريد الهيليوم HHeF، وذلك قياساً لمركب فلوروهيدريد الأرغون. أظهرت حسابات الكيمياء النظريّة إمكانيّة وجود مركبات أخرى للهيليوم حاوية على رابطة هيليوم-أكسجين، والتي يمكن أن تكون مستقرّة.

إضافةً إلى ذلك، لا توجد مركّبات كيميائيّة للهيليوم في الظروف القياسيّة من الضغط ودرجة الحرارة، ولكن عندما يعرّض الهيليوم إلى ظروف غير طبيعيّة من الضغط أو نتيجة قذف إلكتروني لنواة الهيليوم فإنّه يمكن أن يشكّل مركّبات كيميائيّة غير مستقرّة تعرف باسم الثنائيات المثارة (إكسايمر) وذلك مع عناصر مثل التنغستن واليود والفلور والكبريت والفوسفور، وذلك عندما تخضع للتفريغ المتوهج أو القذف الإلكتروني.