Гелий

Н. ВОЛЬКЕНАУ

В 1868 г. французский астроном Жансен наблюдал во время полного солнечного затмения так называемую хромосферу солнца и обнаружил в спектре хромосферы желтую линию. Он принял ее сначала за линию водорода. Но вскоре было высказано предположение, что эта линия характеризует новый, неизвестный элемент, который был назван «гелием» («гелиос» по-гречески значит солнце).

Несколько позднее минеролог Геологического бюро в Вашингтоне Хиллебранд нашел, что большое количество минералов, содержащих уран, при нагревании в присутствии серной кислоты выделяет какой-то газ. Хиллебранд принял его за азот. Особенно значительное количество этого газа выделялось из минерала клевеита, привезенного путешественником Норденшельдом из Гренландии.

Английский физик Рамзей, открывший незадолго перед тем вместе с Рэлеем газ аргон в воздухе, повторил опыт Хиллебранда. Он ожидал, что газ, выделяемый клевеитом, даст тот же спектр, что и аргон. Но опыт доказал, что спектр неизвестного газа не совпадает со спектром аргона, но зато содержит в себе желтую линию, характерную для гелия.

Вскоре новый газ — гелий —  был обнаружен в продуктах распада радия, в газах, выходящих из земных недр, и в воздухе. Гелий составляет одну миллионную часть объема земной атмосферы, иначе говоря, в каждом кубическом метре воздуха содержится один кубический сантиметр гелия.

Вместе с другими газами, которые находятся в очень незначительных количествах в воздухе (аргон, неон, криптон, ксенон, радон), гелий входит в группу так называемых благородных газов. Все эти газы отличаются абсолютной инертностью: они совершенно не вступают в химическое соединение с другими веществами.

Атомный вес гелия очень невелик: он равняется 4, то есть гелий является первым по легкости элементом после водорода (атомный вес водорода — 1,008). Гелий сжижается при более низкой температуре, чем какой бы то ни было другой газ, — при минус 269°. Поэтому жидкий гелий применяется для достижения весьма низких температур. Нашему ученому проф. Капица при его работах с жидким гелием удалось достичь температуры минус 272,9°.

В твердом состоянии гелий представляет собой прозрачное бесцветное тело, которое плавится под давлением в 25 атмосфер при 2,2° выше абсолютного нуля. Получить гелий в твердом состоянии впервые удалось ученому Кэесу в Лейденской лаборатории низких температур.

Лейденская лаборатория низких температур, в которой впервые был получен жидкий гелий.

Очень важным свойством гелия является его хорошая электропроводность. Теплопроводность гелия, превышает теплопроводность воздуха почти в шесть раз. Гелий весьма мало растворим в воде, спирте и бензине.

*

Огнебезопасность гелия благодаря его инертности, а также большая легкость делают его весьма ценным газом для наполнения дирижаблей. Наполнение дирижабля водородом представляет немалую опасность: водород легко воспламеняется и, кроме того, может образовать с кислородом воздуха взрывчатую смесь. Особенно настоятельная необходимость в невоспламеняющемся газе для дирижаблей и аэростатов возникла во время войны. Впервые вопрос об использовании для этой цели гелия был во всей широте поставлен в Англии. Английские промышленники решили добывать его из природных газов Канады, отличающихся большой гелионосностью. В городе Гамильтоне (провинция Онтарио, Канада) был построен первый опытный гелиевый завод. Этот завод, перенесенный вскоре в город Калгари, за время своей работы дал очень небольшое количество гелия, и Англии так и не удалось наполнить этим газом ни одного своего дирижабля.

Совсем, иначе обстоял вопрос с добычей гелия в США. После широко поставленной геологической разведки и проектирования заводов американцам удалось построить еще до окончания войны два гелиевых завода, вырабатывавших гелий высокой чистоты. В настоящее время в штатах Техас, Канзас и Колорадо работает несколько мощных гелиевых заводов. На этих заводах ежедневно обрабатывается по нескольку миллионов кубических метров гелионосных природных газов. Отделение гелия от этих газов производится с помощью чрезвычайно сложного процесса — так называемой фракционной отгонки газов. Природный газ подвергается действию низких температур, под влиянием которых все составные части его, как метан, азот и др., переходят в жидкое состояние. В газообразном виде остается только гелий с незначительной примесью неона. Затем в особом аппарате гелий подвергается очистке от неона. В природных гелионосных газах Амарильо (Техас) содержится около двух процентов гелия.

Запасы гелия в США исчисляются приблизительно в 300 млн. куб. м. Это значит, что США на долгие годы обеспечены гелием. Все месторождения гелия в США — собственность государства, а добыча гелия с 1930 г. сосредоточена в руках частного концерна — «Хелиум компани оф Америка».

Америка — основной и почти единственный производитель гелия. Гелионосные минеральные источники имеются также во Франции, но промышленного значения они не имеют. Следует отметить, что геологические особенности некоторых районов СССР весьма схожи с геологической структурой гелионосных районов США.

Это дает все основания предполагать, что в Советском Союзе в недалеком будущем разовьется собственная гелиевая промышленность; первые партии промышленного гелия уже поступили в лаборатории наших научно-исследовательских учреждений.

Гелий находит себе применение в очень многих отраслях промышленности. Но наибольшее значение он имеет для воздухоплавания. Несколько меньшая, чем у водорода, подъемная сила гелия с избытком возмещается его безопасностью в пожарном отношении. Применение гелия вместо водорода позволяет усовершенствовать конструкцию дирижаблей: моторы на таком дирижабле могут быть установлены внутри корпуса, что значительно уменьшает лобовое сопротивление дирижабля, а это в свою очередь повышает его скорость при том же самом часовом расходе горючего. Последнее же обстоятельство увеличивает радиус действия дирижабля.

Цистерны для перевозки гелия.

Важно также и то, что гелий «диффундирует» (просачивается сквозь пористые перегородки) гораздо медленнее, чем водород. Благодаря этому утечка гелия из оболочки дирижабля гораздо менее значительна, чем утечка водорода, и наполненные гелием дирижабли приходится значительно реже пополнять свежим газом. Это удешевляет эксплуатацию дирижаблей. Кроме того, «загрязнённый» просочившимся через оболочку воздухом водород приходится «выбрасывать», выпускать на воздух, а гелий можно очищать (регенерировать) и снова наполнять им дирижабль. В США, например, помимо стационарных установок для очистки гелия имеются и подвижные аппараты, позволяющие очищать гелий во время остановок в промежуточных аэропортах.

Трудно в короткой статье перечислить все виды применения гелия в науке и промышленности. В США применение его с каждым годом расширяется. Гелий используется в консервной промышленности: он предохраняет консервы от разложения, так как бактерии не могут существовать в его атмосфере. Он применяется при сушке овощей и фруктов, мяса и рыбы.

Благодаря низкой температуре жидкого гелия он может быть широко использован в холодильном деле.

Гелий играет большую роль в электротехнике, где используется как наполнитель различных источников света. Здесь чрезвычайно важны его хорошая электропроводность и инертность. Наполненные гелием электрические лампы дают очень яркий и ровный свет. Подобные лампы уже начали изготовляться в СССР.

Этот замечательный газ предотвращает возможность взрывов, например, при сушке взрывчатых веществ, а также при дроблении их. Ведь даже такие «безвредные» вещества, как, например, сахар, дают в распыленном виде при соединении с воздухом так называемые «пылевые взрывы». В атмосфере инертного гелия такие взрывы невозможны. Невоспламеняемость гелия делает его прекрасным огнетушителем.

Благодаря своей инертности и слабой растворимости гелий может применяться в металлургии при продувке расплавленного металла в целях устранения пустот и раковин. При термической обработке металлических деталей гелиевая атмосфера может предохранять их от окисления. Широкое применение гелий получил в водолазных и кессонных работах, так как прибавка его к воздуху, вдыхаемому рабочими, предохраняет от заболевания «кессонной болезнью».

*

Как же образовался в природе этот интереснейший элемент?

До самого недавнего времени принято было считать, что химические элементы образовались в такие отдаленные эпохи, что нам никогда не удастся выяснить условия их возникновения. Только открытие радиоактивности наглядно познакомило нас с одним из методов, применяемых природой для «производства» элементов. Так, английский исследователь Резерфорд, производя спектральный анализ эманации радия (радона), заключенной в герметически закрытую пробирку, в которой происходили электрические разряды, обнаружил через несколько часов в спектре желтую линию, доказывавшую появление в пробирке какого-то нового газа. Это был гелий, «родившийся», таким образом, на глазах экспериментатора.

Последующие эксперименты дали возможность объяснить, что именно происходило во время этого опыта. Эманация радия, разлагаясь, выделяет альфа-частицы. Эти частицы — еще не гелий, а только ядра его атомов, несущие положительный электрический заряд. К этим ядрам присоединяются по два электрона, которые нейтрализуют положительный заряд ядра и в соединении с ним образуют атом гелия.

Так как в газе, в котором происходят электрические разряды, находится громадное количество электронов, то все альфа-частицы «пополняются» электронами и превращаются в атомы гелия. Существуют приборы, позволяющие пересчитать все эти новые, создающиеся на наших глазах, атомы.

Не один радон выделяет альфа-частицы: они выделяются при превращении большинства радиоактивных элементов, так что гелий является обычным остатком радиоактивных реакций.

На основании этих твердо установленных фактов можно предложить такую гипотезу: весь существующий в природе гелий является продуктом радиоактивного распада. Но когда гелий образуется в горной породе, он не выделяется из нее в атмосферу, а остается «включенным» в пустоты породы так же, как были ранее включены те частицы, из которых он образовался.

Чтобы добыть гелий из таких пород, необходимо сильно размягчить их, одновременно весьма значительно повышая температуру. Радиоактивные минералы, с которыми производились соответствующие опыты, начинали выделять включенный в них гелий только при температуре около 700°. Для выделения же всего гелия, содержащегося в породах, необходимо нагреть их до 1100° (точка размягчения базальта). В процессе измельчения пород при обычной темпе-

(Отсутствующий фрагмент)

зовался в очень отдаленные геологические эпохи и «включился» в горные породы, откуда и вымывается теперь подземными водами.

Точно так же исследования газообразных водородных соединений, которые выделяются в районах нефтяных месторождений Америки, заставляют предполагать, что гелий американских месторождений в основной своей части является «ископаемым» и сконцентрировался в очень отдаленные эпохи в слабо радиоактивных горных породах.

Первое место среди этих пород занимают изверженные, крупнокристаллические кислые породы, особенно граниты, поверх которых из продуктов их разрушения образовались различные геологические слои. В глубине земного шара имеются мощные залежи гранитов, толща которых неизвестна. Поскольку можно судить по выходящим на поверхность слоям, среднее содержание радия в этих породах составляет 1,7 мг на 1 т. Если учесть грандиозные размеры залежей гранита и колоссальное

(Отсутствующий фрагмент)

заключается основная трудность.

Дело в том, что гелий фактически обнаруживается не в граните, а в значительно более поздних геологических слоях, лежащих над гранитом. Как перешел он из гранита в эти более «молодые» породы?

Существует гипотеза, которая предполагает, что гелий выделился из гранита в результате его разрушения. В течение долгих веков этому разрушению подвергались громадные массы гранита; немало высоких гранитных гор сравнялось с землей, а продукты их выветривания, измельченные водой, создали в конечном итоге мощные слои позднейших геологических отложений. В результате этого размельчения включенный в гранит гелий выделялся и в тех случаях, когда встречал на своем пути пористые породы, покрытые сверху непроницаемым осадочным слоем; он скопился в этих пористых породах.

Это наиболее вероятное объяснение, доступное нам на современном уровне наших знаний. Однако, эта гипотеза не может еще объяснить, почему во всех американских месторождениях гелий находится всегда с азотом и углеводородными соединениями, особенно с наиболее простым из них — метаном.

Поэтому предстоит еще немалая работа для того, чтобы полностью объяснить геологическое происхождение гелия. Одно только представляется уже совершенно ясным: гелий мог образоваться и скопиться только в течение долгого периода, насчитывающего сотни миллионов лет.