helium

Helium dannes ved fusion af hydrogenatomer i Solen og andre stjerner og udgør ca. 23 vægtpct. af Universets masse.

Helium dannes også i Jordens skorpe og kappe ved fission af uranisotoperne ²³⁸U og ²³⁵U og thoriumisotopen ²³²Th, men jordskorpen indeholder kun 0,000001 % helium. Årsagen hertil er, at der til stadighed strømmer helium ud til jordoverfladen, og at helium afgives til verdensrummet, idet Jordens tyngdefelt ikke kan fastholde det lette grundstof.

Heliumisotopen ⁴He dannes ved fission af uran og thorium. Også isotopen ³He findes i naturen og menes at være resten af det helium, som blev indfanget, dengang jordkloden blev dannet. Atmosfærens helium består næsten udelukkende af ⁴He, idet ³He kun udgør 1,3∙10^-4%. ³He optages nede i jordskorpens kappe i de dér dannede magmaer og føres ud til jordoverfladen ved vulkanudbrud. Man kan derfor ved at måle forholdet mellem isotoperne ³He og ⁴He afgøre, om smelter er dannet i jordskorpen, hvor ⁴He dannes ved de nævnte kerneprocesser, eller i kappen, som indeholder en rest af Jordens oprindelige indhold af ³He. ³He/⁴He er ca. 1,4∙10^-6 i atmosfæren, men større end 10^-5 i kappen.

Helium opsamles i naturgas og udvindes heraf. USA er den største producent.

har to elektroner og er det simpleste eksempel på et flerelektron-atom. Det indtager en central plads i atomfysikken, idet de forskellige approksimationer, der benyttes til beregning af flerelektron-atomers struktur, bedst kan forklares og lettest afprøves på et to-elektronsystem (se også helium-lignende ioner).

Ifølge Pauliprincippet kan de fire kvantetal, der karakteriserer en elektron, ikke være ens for de to elektroner i helium. I grundtilstanden har de to elektroner samme n-, l- og m-kvantetal, mens spinkvantetallet s er hhv. +¹/₂ og -¹/₂, hvilket bevirker, at det samlede spin er S = 0. Anslås den ene elektron i helium, vil kvantetallet n for den anslåede elektron være større end for den elektron, der fortsat befinder sig i grundtilstanden. Hermed åbnes der mulighed for, at begge elektroner kan have samme spinkvantetal, og at S kan være 1.

Heliums atomspektrum består af spektrallinjer, der repræsenterer overgange mellem anslåede tilstande eller mellem anslåede tilstande og grundtilstanden. Da overgangen mellem energitilstande med forskellige spinværdier i praksis ikke forekommer i heliums atomspektrum, fremtræder dette som repræsenterende to slags heliumatomer, tidligere benævnt parahelium (overgange mellem S = 0 tilstande, singlet spektrum) og ortohelium (overgange mellem S = 1 tilstande, triplet spektrum).

Anslås begge elektroner i helium samtidig, fremkommer dobbelt-anslåede tilstande, hvis beskrivelse nødvendiggør en afvigelse fra den uafhængige elektronmodel (se atomfysik).

er en tilstandsform for de to heliumisotoper ³He og ⁴He, hvis kogepunkt ved 1 bar er hhv. 3,2 K og 4,2 K. Modsat alle andre grundstoffer størkner helium ikke til et fast stof, men forbliver flydende ved atmosfæretryk (1 bar) selv ved den lavest opnåelige temperatur. Årsagen skal søges i Heisenbergs ubestemthedsrelation, der forudsiger eksistensen af en såkaldt nulpunktsbevægelsesenergi, hvilket betyder, at de lette heliumatomer ikke kan fastholdes på en gitterposition. Dog kan ³He og ⁴He overgå til fast form ved et tryk på hhv. 30 og 25 bar.

Flydende helium kaldes en kvantevæske, fordi beskrivelsen af de flydende heliumisotopers termodynamiske forhold er direkte knyttet til deres partikelnatur som hhv. fermioner (³He) og bosoner (⁴He). I 1930'erne påviste P. Kapitsa, at ⁴He-væsken har en superflydende tilstand ved temperaturer under 2,2 K, og i 1972 viste D. Osheroff, D.M. Lee og R.C. Richardson, at denne tilstand også fandtes for ³He, men ved temperaturer meget tættere på det absolutte nulpunkt (2 mK). Opdagelserne blev honoreret med nobelprisen i fysik i hhv. 1978 og 1996. Begge væsker har en række interessante makroskopiske kvanteegenskaber, hvoraf de mest kendte er ⁴He-væskens enorme varmeledningsevne og forsvindende viskositet (se superfluiditet).

Flydende helium anvendes som kølemiddel for kryogen elektronik, fx superledende magneter. Også lavtemperaturfysikken, der har spillet en afgørende rolle for forståelsen af faste stoffers fysik, anvender flydende helium som kølemiddel.