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| ヘリウム | |||||||||||||||||||||
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| 発音 | / ˈ h iː l i ə m / ( HEE -lee-əm ) | ||||||||||||||||||||
| 外観 | 無色のガスで、電界中に置かれると灰色の曇った輝き（特に高い電圧が使用されると赤みがかったオレンジ色）を呈する。 | ||||||||||||||||||||
| 標準原子量 A r °(He) | |||||||||||||||||||||
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| 周期表におけるヘリウム | |||||||||||||||||||||
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| 原子番号 ( Z ) | 2 | ||||||||||||||||||||
| グループ | 18族（希ガス） | ||||||||||||||||||||
| 期間 | 期間1 | ||||||||||||||||||||
| ブロック | Sブロック | ||||||||||||||||||||
| 電子配置 | 1秒2 | ||||||||||||||||||||
| 殻あたりの電子数 | 2 | ||||||||||||||||||||
| 物理的特性 | |||||||||||||||||||||
| STPでの フェーズ | ガス | ||||||||||||||||||||
| 沸点 | 4.222 K (-268.928 °C、-452.070 °F) | ||||||||||||||||||||
| 密度 （STP） | 0.1786グラム/リットル | ||||||||||||||||||||
| 液体のとき（ 沸点） | 0.125グラム/ cm3 | ||||||||||||||||||||
| 三点 | 2.177 K、5.043 kPa | ||||||||||||||||||||
| 臨界点 | 5.1953 K、0.22746 MPa | ||||||||||||||||||||
| 融解熱 | 0.0138 kJ/モル | ||||||||||||||||||||
| 気化熱 | 0.0829 kJ/モル | ||||||||||||||||||||
| モル熱容量 | 20.78 J/(モル·K) [3] | ||||||||||||||||||||
蒸気圧（ ITS-90で定義）
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| 原子特性 | |||||||||||||||||||||
| 酸化状態 | 0 | ||||||||||||||||||||
| 電気陰性度 | ポーリングスケール: データなし | ||||||||||||||||||||
| イオン化エネルギー |
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| 共有結合半径 | 午後28時 | ||||||||||||||||||||
| ファンデルワールス半径 | 午後140時 | ||||||||||||||||||||
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| その他のプロパティ | |||||||||||||||||||||
| 自然発生 | 原始的な | ||||||||||||||||||||
| 結晶構造 | 六方最密充填（hcp） | ||||||||||||||||||||
| 熱伝導率 | 0.1513 W/(m⋅K) | ||||||||||||||||||||
| 磁気秩序 | 反磁性[4] | ||||||||||||||||||||
| モル磁化率 | −1.88 × 10 −6 cm 3 /モル（298 K）[5] | ||||||||||||||||||||
| 音速 | 972メートル/秒 | ||||||||||||||||||||
| CAS番号 | 7440-59-7 | ||||||||||||||||||||
| 歴史 | |||||||||||||||||||||
| ネーミング | ギリシャ神話の太陽神ヘリオスにちなんで | ||||||||||||||||||||
| 発見 | ノーマン・ロッカー（1868） | ||||||||||||||||||||
| 最初の隔離 | ウィリアム・ラムゼイ、ペル・テオドール・クレーブ、エイブラハム・ラングレット(1895) | ||||||||||||||||||||
| ヘリウムの同位体 | |||||||||||||||||||||
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ヘリウム（ギリシャ語：ἥλιος、ローマ字： helios、直訳すると 「太陽」）は、元素記号He、原子番号2の化学元素である。無色、無臭、無毒、不活性、単原子ガスであり、周期表の希ガス族の最初に位置する。[a]ヘリウムの沸点はすべての元素の中で最も低く、標準圧力では融点を持たない。観測可能な宇宙では、水素に次いで2番目に軽く、2番目に豊富な元素である。全元素質量の約24%を占め、これはより重い元素すべてを合わせた質量の12倍以上である。ヘリウム4の核結合エネルギー（核子あたり）がヘリウムの次の3つの元素と比べて非常に高いため、太陽と木星の両方でヘリウムの豊富さはこれに似ている。このヘリウム 4 の結合エネルギーは、ヘリウムが核融合と放射性崩壊の両方の産物である理由も説明しています。宇宙で最も一般的なヘリウム同位体はヘリウム 4 であり、その大部分はビッグバンの間に形成されました。大量の新しいヘリウムは、恒星での水素の核融合によって生成されます。
ヘリウムは、1868年の日食の際に、ジョルジュ・ライエ[14]、CT・ヘイグ大尉[15] 、ノーマン・R・ポグソン[16]、ジョン・ハーシェル中尉[17]によって、太陽光の未知の黄色いスペクトル線の特徴として初めて検出され、その後、フランスの天文学者ジュール・ヤンセン[18]によって確認されました。ヤンセンは、ノーマン・ロッカーと共にこの元素の発見者として共同で認められることが多い。ヤンセンは1868年の日食の際にヘリウムのスペクトル線を記録し、ロッカーはイギリスからそれを観測した。しかし、ロッカーだけがその線が新しい元素によるものであると提唱し、太陽にちなんでその元素に名前を付けた。この元素の正式な発見は1895年に化学者のウィリアム・ラムゼー卿、ペール・テオドール・クレーヴ、ニルス・アブラハム・ラングレによってなされました。彼らはウラン鉱石のクレーヴ石からヘリウムが放出されていることを発見しました。クレーヴ石は現在では別個の鉱物種ではなく閃ウラン鉱の一種とみなされています。[19] [20] 1903年には、今日では圧倒的に最大のガス供給国であるアメリカ合衆国の一部の 天然ガス田でヘリウムの大きな埋蔵量が発見されました。
液体ヘリウムは極低温技術（単一用途としては最大で、生産量の約4分の1を消費）と超伝導磁石の冷却に使用され、主な商業用途はMRIスキャナである。ヘリウムの他の産業用途、つまり加圧およびパージガス、アーク溶接の保護雰囲気、シリコンウェーハ製造のための結晶成長などのプロセスでは、生産されるガスの半分を占める。小規模だがよく知られている用途は、気球や飛行船の浮上ガスである。[21]密度が空気と異なるあらゆるガスと同様に、少量のヘリウムを吸入すると、人間の声の音色と質が一時的に変化する。科学的研究では、ヘリウム4の2つの流体相（ヘリウムIとヘリウムII）の挙動は、量子力学（特に超流動特性）を研究する研究者や、絶対零度近くの物質で生成される超伝導などの現象を研究する研究者にとって重要である。
地球上では、ヘリウムは比較的稀で、大気中に5.2 ppmしか存在しない。現在存在する地球上のヘリウムのほとんどは、重放射性元素 (トリウムやウランなど、他にも例がある)の自然放射性崩壊によって生成されたものである。このような崩壊によって放出されるアルファ粒子はヘリウム 4原子核から構成されるからである。この放射性ヘリウムは、体積比で 7% もの濃度で天然ガスに閉じ込められており、分留と呼ばれる低温分離プロセスによって商業的に抽出されている。地球上のヘリウムは、大気中に放出されるとすぐに宇宙に逃げてしまうため、再生不可能な資源である。その供給量は急速に減少していると考えられている。[22] [23]しかし、いくつかの研究では、地球深部で放射性崩壊によって生成されたヘリウムは、予想以上に大量に天然ガス埋蔵量に集まる可能性があることが示唆されており、[24]火山活動によって放出された場合もある。[25]
歴史
科学的発見
ヘリウムの最初の証拠は、1868年8月18日に太陽の彩層のスペクトルで波長587.49ナノメートルの明るい黄色の線として観測されました。この線は、インドのグントゥールで皆既日食中にフランスの天文学者ジュール・ヤンセンによって検出されました。[26] [27]この線は当初、ナトリウムであると考えられていました。同年10月20日、イギリスの天文学者ノーマン・ロッカーは、太陽のスペクトルで黄色の線を観測し、それが既知のナトリウムのフラウンホーファー線D 1およびD 2に近かったため、D 3と名付けました。[28] [29]彼は、それが地球では未知の太陽の元素によるものであると結論付けました。ロッカーは、この元素に、太陽を意味するギリシャ語のἥλιος (ヘリオス) と名付けました。[30] [31]イギリスの化学者エドワード・フランクランドも命名に関わったと言われることがあるが、彼はこの新元素の存在を疑っていたので、これはありそうにない。語尾の「-ium」は珍しいもので、通常は金属元素にのみ適用される。おそらく天文学者であったロッキーは化学の慣習を知らなかったのだろう。[32]
1881年、イタリアの物理学者ルイージ・パルミエリは、ベスビオ山の最近の噴火で昇華した物質を分析した際、D3スペクトル線を通じて地球上で初めてヘリウムを検出しました。[33]
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1895年3月26日、スコットランドの化学者ウィリアム・ラムゼー卿は、鉱物クレベイト（少なくとも10％の希土類元素を含むウラン鉱の一種）を鉱酸で処理することにより、地球上でヘリウムを単離した。ラムゼーはアルゴンを探していたが、硫酸で遊離したガスから窒素と酸素を分離した後、太陽のスペクトルで観測されるD3線と一致する明るい黄色の線に気づいた。 [29] [35] [36] [37]これらのサンプルは、ロッカーと英国の物理学者ウィリアム・クルックスによってヘリウムと特定された。[38] [39]同年、スウェーデンのウプサラで化学者ペル・テオドール・クレーヴとアブラハム・ラングレがクレベイトから独立してヘリウムを単離し、その原子量を正確に決定するのに十分な量のガスを採取した。[40] [41] [27] [42]ヘリウムはラムゼーの発見以前にもアメリカの地球化学者ウィリアム・フランシス・ヒルブランドによって単離されていた。彼は鉱物ウラン鉱のサンプルを検査中に異常なスペクトル線に気づいたのである。しかしヒルブランドはその線を窒素によるものだと主張した。[43]彼がラムゼーに送った祝辞の手紙には、科学における発見、あるいは発見に近づいた興味深い事例が記されている。[44]
1907年、アーネスト・ラザフォードとトーマス・ロイズは、アルファ粒子を真空管の薄いガラス壁を貫通させ、管内で放電を起こして内部の新しいガスのスペクトルを調べることで、アルファ粒子がヘリウムの原子核であることを実証した。 [45] 1908年、オランダの物理学者ハイケ・カメルリング・オンネスは、ガスを5 K (-268.15 °C、-450.67 °F) 以下に冷却することで、ヘリウムを初めて液化させた。[46] [47]彼はさらに温度を下げて固体化しようとしたが、ヘリウムは大気圧では固体化しないため失敗した。オンネスの学生ウィレム・ヘンドリック・キーソムは、最終的に1926年に外部から圧力を追加することで1 cm 3のヘリウムを固体化することができた。[48] [49]
1913年、ニールス・ボーアは原子構造に関する「三部作」[50] [51]を発表したが、これには彼の原子モデルを支持する中心的な証拠としてのピカリング・ファウラー系列の再考が含まれていた。[52] [53]この系列はエドワード・チャールズ・ピカリングにちなんで名付けられ、彼は1896年にζ Puppis星のスペクトルにおけるそれまで知られていなかった線の観測を発表した[54] （これらは現在ではウォルフ・ライエ星や他の高温の星で発生することが知られている）。 [55]ピカリングは、この観測（4551、5411、および10123 Åの線）は半整数遷移準位を持つ新しい形態の水素によるものだとした。[56] [57] 1912年、アルフレッド・ファウラー[58] は水素とヘリウムの混合物から同様の線を生成することに成功し、その起源に関するピカリングの結論を支持した。[59]ボーアのモデルは半整数遷移を許容しない（量子力学も同様）ため、ボーアはピカリングとファウラーが間違っていると結論付け、代わりにこれらのスペクトル線をイオン化したヘリウム、He +に割り当てました。[60]ファウラーは当初懐疑的でしたが[61] 、最終的にはボーアが正しいと確信し[62] 、 [50]、1915年までに「分光学者は [ピカリング-ファウラー系列] を [水素から] ヘリウムに決定的に移行しました。」[53] [63]ピカリング系列に関するボーアの理論的研究は、「古典理論ですでに解決されているように思われた問題の再検討」の必要性を示し、彼の原子理論に重要な確認を提供しました。[53]
1938年、ロシアの物理学者ピョートル・レオニドヴィッチ・カピツァは、絶対零度に近い温度ではヘリウム4の粘性がほとんどないことを発見した。この現象は現在では超流動と呼ばれている。[64]この現象はボーズ・アインシュタイン凝縮と関連している。1972年、アメリカの物理学者ダグラス・D・オシェロフ、デビッド・M・リー、ロバート・C・リチャードソンによって、絶対零度にずっと近い温度でヘリウム3で同じ現象が観測された。ヘリウム3の現象は、電子のクーパー対が超伝導を生み出すのと同様に、ヘリウム3フェルミオンが対になってボソンを作ることに関連していると考えられている。[65]
1961年、ヴィグノスとフェアバンクは、固体ヘリウム4の異なる相、ガンマ相の存在を報告した。この相は1.45～1.78Kの狭い圧力範囲で存在する。[66]
抽出と使用
1903年にカンザス州デクスターで石油掘削作業が行われ、燃えないガス間欠泉が生成された。カンザス州の地質学者エラスムス・ハワースは、漏れ出したガスのサンプルを採取し、それをカンザス大学ローレンス校に持ち帰った。そこで化学者のハミルトン・ケイディとデビッド・マクファーランドの助けを借りて、そのガスが体積比で窒素72%、メタン15% （十分な酸素がある場合のみ可燃性の割合）、水素1% 、および正体不明のガス12%で構成されていることを発見した。[27] [67]ケイディとマクファーランドはさらなる分析で、ガスサンプルの1.84%がヘリウムであることを発見した。[68] [69]これは、地球上では全体的に希少であるにもかかわらず、ヘリウムがアメリカの大平原の下に大量に濃縮されており、天然ガスの副産物として抽出可能であることを示した。[70]
リチャード・スレルフォール卿の提案に従い、アメリカ海軍は第一次世界大戦中に3つの小規模な実験用ヘリウム工場を後援した。その目的は、不燃性で空気より軽いガスを防気球に供給することだった。このプログラムでは、それまでに得られたガスの量は1立方メートルにも満たなかったにもかかわらず、合計5,700 m 3 (200,000立方フィート)の92%ヘリウムが生産された。 [29]このガスの一部は、世界初のヘリウムガス充填飛行船であるアメリカ海軍のC級軟式飛行船C-7に使用され、 1921年12月1日にバージニア州ハンプトン・ローズからワシントンD.C.のボリングフィールドまで処女飛行を行った[71] 。これは、海軍初の硬式ヘリウムガス充填飛行船である海軍航空機工場製シェナンドーが1923年9月に飛行するほぼ2年前のことである。
低温ガス液化による抽出プロセスは第一次世界大戦中に開発が間に合わなかったが、生産は継続された。ヘリウムは主に軽航空機の揚力ガスとして使われた。第二次世界大戦中、揚力ガスやシールドアーク溶接用のヘリウムの需要が増加した。ヘリウム質量分析計はマンハッタン計画の原爆にも不可欠であった。[72]
アメリカ合衆国政府は、戦時には軍用飛行船に、平時には商用飛行船に供給することを目的として、 1925年にテキサス州アマリロに国立ヘリウム備蓄庫を設立した。 [29]当時米国が独占生産していた希少なヘリウムの輸出を禁止した1925年ヘリウム法と、法外なガス価格のため、ドイツのツェッペリン飛行船は浮上ガスとして水素を使用せざるを得ず、ヒンデンブルク号の事故で悪名を馳せた。第二次世界大戦後のヘリウム市場は低迷したが、宇宙開発競争と冷戦中に酸素/水素ロケット燃料（その他の用途）を製造するための冷却剤として液体ヘリウムの供給を確保するため、1950年代に備蓄が拡大された。1965年の米国におけるヘリウム使用量は、戦時ピーク時の消費量の8倍以上であった。[ 73]
1960年のヘリウム法改正（公法86-777）後、米国鉱山局は5つの民間工場で天然ガスからヘリウムを回収する手配をした。このヘリウム保全プログラムのために、鉱山局はカンザス州ブッシュトンから425マイル（684 km）のパイプラインを建設し、これらの工場とテキサス州アマリロ近郊にある部分的に枯渇した政府のクリフサイドガス田をつないだ。このヘリウムと窒素の混合物はクリフサイドガス田に注入され、必要になるまで貯蔵され、必要になったときにさらに精製された。[74]
1995年までに10億立方メートルのガスが回収され、備蓄は14億ドルの負債を抱えたため、 1996年に米国議会は備蓄を廃止した。[27] [75]その結果、1996年のヘリウム民営化法[76]（公法104–273）は、米国内務省に備蓄を使い果たし、2005年までに販売を開始するよう指示した。 [77]
1930年から1945年の間に生産されたヘリウムは純度約98.3%（窒素2%）で、飛行船には十分な量でした。1945年には、溶接用に少量の純度99.9%ヘリウムが生産されました。1949年までに、グレードAの純度99.95%ヘリウムが商業的に利用可能になりました。[78]
長年にわたり、米国は世界で商業的に利用可能なヘリウムの90%以上を生産し、残りはカナダ、ポーランド、ロシアなどの抽出工場で生産されていた。1990年代半ば、アルジェリアのアルズーで1,700万立方メートル（6億立方フィート）を生産する新しい工場が稼働を開始し、ヨーロッパの需要をすべてカバーするのに十分な生産量となった。一方、2000年までに、米国内のヘリウム消費量は年間1,500万kg以上に増加した。[79] 2004年から2006年には、カタールのラスラファンとアルジェリアのスキクダに追加の工場が建設された。アルジェリアはすぐにヘリウムの第2位の生産国となった。[80]この間、ヘリウムの消費量とヘリウム生産コストはともに増加した。[81] 2002年から2007年にかけて、ヘリウムの価格は2倍になった。[82]
2012年時点で[update]、米国国立ヘリウム備蓄は世界のヘリウムの30%を占めていた。[83]この備蓄は2018年にヘリウムが枯渇すると予想されていた。[83]それにもかかわらず、米国上院で提案された法案は、備蓄がガスを販売し続けることを許可するものである。他の大規模な埋蔵量は、米国カンザス州のヒューゴトンと、カンザス州の近くのガス田、テキサス州とオクラホマ州のパンハンドル地域にあった。2012年にはカタール、ロシア、米国ワイオミング州で新しいヘリウム工場が開設される予定だったが、不足を緩和することは期待されていなかった。[83]
2013年、カタールは世界最大のヘリウムユニットを稼働させましたが[84]、2017年のカタール外交危機はヘリウム生産に深刻な影響を与えました。[85] 2014年は、長年にわたるヘリウム不足の後、ヘリウム事業において供給過剰の年であったことが広く認識されていました。[86]ナスダックは、工業用ガスを販売する国際企業であるエアプロダクツにとって、原料供給の制約によりヘリウムの供給量が依然として経済的圧力にさらされていると報告しました（2015年）。[87]
特徴
原子
量子力学では
量子力学の観点から見ると、ヘリウムは水素原子に次いで2番目にモデル化が簡単な原子です。ヘリウムは、2つの陽子と（通常は）2つの中性子を含む原子核を取り囲む原子軌道にある2つの電子で構成されています。ニュートン力学と同様に、2つ以上の粒子からなる系を厳密な解析数学的アプローチで解くことはできず（ 3体問題を参照）、ヘリウムも例外ではありません。したがって、1つの原子核と2つの電子の系を解く場合でも、数値的な数学的手法が必要です。このような計算化学の方法を使用して、数回の計算ステップで、正しい値の2% 未満の精度でヘリウムの電子結合の量子力学的図が作成されました。[88]このようなモデルは、ヘリウム中の各電子が部分的に原子核を他の電子から遮蔽し、各電子が受ける有効原子核電荷Zeffが約1.69単位となり、古典的な「裸の」ヘリウム原子核の2電荷とはならないことを示している。
ヘリウム4の原子核と電子殻の安定性
ヘリウム4原子の核はアルファ粒子と同一である。高エネルギー電子散乱実験では、その電荷は中心点で最大値から指数関数的に減少することが示されているが、これはヘリウム自身の電子雲の電荷密度と全く同じである。この対称性は同様の基礎物理学を反映している。すなわち、ヘリウムの核内の中性子対と陽子対はヘリウムの電子対と同じ量子力学的ルールに従う（ただし、核粒子は異なる核結合ポテンシャルの影響を受ける）。そのため、これらすべてのフェルミオンはペアで1s軌道を完全に占有し、いずれも軌道角運動量を持たず、お互いの固有スピンを打ち消す。したがって、この配置はこれらすべての粒子にとってエネルギー的に極めて安定しており、天体物理学的な意味合いがある。[89]つまり、陽子、中性子、またはアルファ粒子などの別の粒子を追加すると、エネルギーが放出されるのではなく消費される。質量数5のすべての系、およびベリリウム8（2つのアルファ粒子を含む）は結合していない。[90]
たとえば、ヘリウムの電子雲状態の安定性と低エネルギーは、元素の化学的不活性と、ヘリウム原子同士の相互作用の欠如、すべての元素の中で最も低い融点と沸点を生み出すことの理由です。同様に、同様の効果によって生成されるヘリウム4原子核の特別なエネルギー安定性は、重粒子放出または核融合のいずれかを含む原子反応でヘリウム4の生成が容易であることを説明します。安定したヘリウム3（2つの陽子と1つの中性子）は、水素からの核融合反応で生成されますが、宇宙での推定存在量は約ヘリウム4に対して10 −5である。 [91]
ヘリウム 4 原子核の並外れた安定性は、宇宙論的にも重要です。ビッグバン後の最初の数分間で、約 6:1 の比率で生成された自由陽子と中性子の「スープ」が核結合が可能になるまで冷却されたとき、形成された最初の複合原子核のほとんどすべてがヘリウム 4 原子核であったという事実を説明しています。ヘリウム 4 原子核の結合は比較的強いため、その生成により、自由中性子のほとんどすべてがベータ崩壊する前に数分で消費され、そのためリチウム、ベリリウム、ホウ素などのより重い原子を形成するために利用できる中性子はほとんどありませんでした。ヘリウム4の核子あたりの核結合力は、これらのどの元素よりも強い（核生成と結合エネルギーを参照）ため、ヘリウムが生成されると、元素3、4、5を作るためのエネルギー駆動力は得られなかった。 [92]ヘリウムが核子あたりのエネルギーが低い次の元素である炭素に融合するのは、エネルギー的にほとんど有利ではない。しかし、中間体であるベリリウム8の寿命が短いため、このプロセスでは3つのヘリウム原子核がほぼ同時に衝突する必要がある（トリプルアルファ過程を参照）。[90]そのため、ビッグバン後の数分間では、ヘリウムから炭素への融合が不可能になる温度と圧力まで初期膨張宇宙が冷却されるまでの間、大量の炭素が形成される時間はなかった。これにより、初期の宇宙の水素とヘリウムの比率は現在観測されているものと非常によく似ており（質量比で水素 3 部に対してヘリウム 4 1 部）、宇宙のほぼすべての中性子がヘリウム 4 に閉じ込められていた。
より重い元素（地球のような岩石惑星や炭素系やその他の生命に必要な元素を含む）はすべて、ビッグバン以来、ヘリウム自体を融合できるほど高温だった星の中で作られてきた。今日、水素とヘリウム以外のすべての元素は、宇宙の原子物質の質量のわずか2％を占めるにすぎない。対照的に、ヘリウム4は、宇宙の通常の物質の質量の約24％を占めており、これは水素以外の通常の物質のほぼすべてである。[91] [93]
ガス相とプラズマ相
ヘリウムはネオンに次いで2番目に反応性の低い希ガスであり、したがってすべての元素の中で2番目に反応性の低いガスである。[ 94]ヘリウムは化学的に不活性であり、すべての標準条件下で単原子である。ヘリウムのモル（原子）質量が比較的低いため、気相での熱伝導率、比熱、音速はすべて、水素を除く他のどのガスよりも大きい。これらの理由とヘリウムの単原子分子のサイズが小さいため、ヘリウムは固体中を空気の3倍、水素の約65％の速度で拡散する。 [29]
ヘリウムは最も水に溶けにくい単原子気体であり、[95]あらゆる気体の中でも最も水に溶けにくいものの 1 つです ( CF 4、SF 6、C 4 F 8のモル分率溶解度はそれぞれ 0.3802、0.4394、0.2372 x 2 /10 −5であり、ヘリウムの 0.70797 x 2 /10 −5よりも低い)。[96]また、ヘリウムの屈折率は他のどの気体よりも 1 に近いです。[97]ヘリウムは、通常の周囲温度では負のジュール・トムソン係数を持ち、自由膨張すると加熱されます。ジュール・トムソン反転温度(1 気圧で約 32 ～ 50 K) を下回ると、自由膨張時に冷却されます。[29]この温度以下に予冷すると、ヘリウムは膨張冷却によって液化できます。
地球外ヘリウムのほとんどは恒星のプラズマであり、原子ヘリウムとは全く異なる性質を持つ。プラズマではヘリウムの電子は原子核に束縛されていないため、ガスが部分的にしかイオン化されていない場合でも非常に高い電気伝導性を示す。荷電粒子は磁場と電場の影響を強く受ける。例えば、太陽風ではイオン化された水素とともに粒子が地球の磁気圏と相互作用し、ビルケランド電流とオーロラが発生する。[98]
液相
ヘリウムは大気圧で 4.2 K 以下に冷却されると液化します。しかし、他の元素とは異なり、ヘリウムは絶対零度まで液体のままです。これは量子力学の直接的な効果です。具体的には、システムのゼロ点エネルギーが高すぎて凍結できません。凍結するには約 25 気圧以上の圧力が必要です。液体には 2 つの相があります。ヘリウム I は従来の液体で、より低い温度で発生するヘリウム II は超流動体です。
ヘリウムI
ヘリウム4同位体は、沸点4.22 K（−268.93 °C; −452.07 °F）以下、ラムダ点2.1768 K（−270.9732 °C; −455.7518 °F）以上では、ヘリウムIと呼ばれる通常の無色の液体の状態で存在します。[29]他の極低温液体と同様に、ヘリウムIは加熱すると沸騰し、温度が下がると収縮します。しかし、ラムダ点以下ではヘリウムは沸騰せず、温度がさらに下がると膨張します。
ヘリウムIは気体のような屈折率1.026を持ち、その表面は非常に見えにくいため、表面がどこにあるかを示すために発泡スチロールの浮き輪がよく使われます。 [29]この無色の液体は粘度が非常に低く、密度は0.145～0.125 g/mL（約0～4 K）です。[99]これは古典物理学で予想される値の4分の1にすぎません。[29]この特性を説明するには 量子力学が必要であり、液体ヘリウムの両方の状態（ヘリウムIとヘリウムII）は量子流体と呼ばれ、マクロスケールで原子特性を示します。これは、沸点が絶対零度に非常に近いため、ランダムな分子運動（熱エネルギー）が原子特性を覆い隠すのを防ぐ効果である可能性があります。[29]
ヘリウムII
ラムダ点以下の液体ヘリウム（ヘリウムIIと呼ばれる）は非常に珍しい特性を示す。その高い熱伝導率のため、沸騰しても泡は立たず、表面から直接蒸発する。ヘリウム3も超流動相を持つが、それははるかに低い温度でのみである。そのため、同位体の特性についてはあまり知られていない。[29]
ヘリウム II は超流動体であり、奇妙な性質を持つ量子力学的物質状態である。例えば、10～100 nmの細さの毛細管を流れる場合、測定可能な粘度は存在しない。[27]しかし、2 つの移動ディスク間で測定を行ったところ、気体ヘリウムに匹敵する粘度が観測された。既存の理論では、ヘリウム II の2 流体モデルを使用してこれを説明している。このモデルでは、ラムダ点以下の液体ヘリウムには、超流動体であり、粘度が正確にゼロで流れる基底状態のヘリウム原子と、通常の流体のように動作する励起状態のヘリウム原子が一定量含まれていると見なされている。[100]
噴水効果では、焼結ディスクによってヘリウムIIの貯蔵庫に接続されたチャンバーが構築され、超流動ヘリウムは容易に漏れるが、非超流動ヘリウムは通過できない。容器の内部が加熱されると、超流動ヘリウムは非超流動ヘリウムに変化する。超流動ヘリウムの平衡分率を維持するために、超流動ヘリウムが漏れて圧力が上昇し、液体が容器から噴出する。[101]
ヘリウム II の熱伝導率は、既知のどの物質よりも高く、ヘリウム I の 100 万倍、銅の数百倍である。[29]これは、熱伝導が例外的な量子メカニズムによって起こるためである。熱をよく伝導する物質のほとんどは、熱を伝達する役割を果たす自由電子の価電子帯を持っている。ヘリウム II にはそのような価電子帯はないが、それでも熱をよく伝導する。熱の流れは、空気中の音波伝播を特徴付けるために使用される波動方程式に似た方程式によって支配されている。熱が導入されると、熱は 1.8 K で毎秒 20 メートルの速度でヘリウム II 中を波として移動し、これを第 2 音波と呼ぶ。[29]
ヘリウム II はクリープ効果も示す。表面がヘリウム II のレベルを超えて広がると、ヘリウム II は重力に逆らって表面に沿って移動する。密閉されていない容器からは、ヘリウム II は側面に沿ってクリープしながら逃げ出し、より温かい領域に到達して蒸発する。表面の材質に関係なく、ヘリウム II は 30 nm の厚さの膜状で移動する。この膜はローリン膜と呼ばれ、この特性を最初に明らかにした Bernard V. Rollin 氏にちなんで名付けられた。[29] [102] [103]このクリープ挙動と、ヘリウム II が小さな開口部から急速に漏れる能力のため、封じ込めるのは非常に困難である。容器が注意深く作られていない限り、ヘリウム II は表面に沿ってバルブを通り抜け、より温かい領域に到達して蒸発する。ローリン膜を伝わる波は浅瀬の重力波と同じ方程式で表されますが、復元力は重力ではなくファンデルワールス力です。[104]これらの波は第3音波として知られています。[105]
固相
ヘリウムは大気圧下では絶対零度まで液体のままであるが、高圧下では凍結する。固体ヘリウムは、約25バール（2.5 MPa）の圧力で1～1.5 K（約-272 °Cまたは-457 °F）の温度を必要とする。[106]固体と液体ヘリウムの屈折率はほぼ同じであるため、固体と液体ヘリウムを区別することは難しいことが多い。固体は融点が鋭く、結晶構造をしているが、圧縮性が高く、実験室で圧力をかけると体積が30％以上減少することがある。[107]体積弾性率は約27 MPa [108]で、水の約100倍の圧縮性がある。固体ヘリウムの密度は1.15 Kおよび66 atmで0.214 ± 0.006 g/cm 3 ; 0 Kおよび25 bar (2.5 MPa)での投影密度は0.187 ± 0.009 g/cm 3。[109]温度が高くなると、ヘリウムは十分な圧力で固まります。室温では、これには約114,000気圧が必要です。[110]
ヘリウム4とヘリウム3はいずれも、少なくとも25バールの圧力を必要とするいくつかの結晶性固体相を形成します。どちらも、六方最密充填（hcp）結晶構造を持つα相、面心立方（fcc）のβ相、および体心立方（bcc）のγ相を形成します。[111]
同位体
ヘリウムには9つの同位体が知られており、そのうち2つ、ヘリウム3とヘリウム4が安定している。地球の大気中では、1つの原子が3
彼は百万人ごとに4
ヘリウム。[27]他の元素とは異なり、ヘリウムの同位体存在比は生成過程が異なるため、起源によって大きく異なります。最も一般的な同位体であるヘリウム4は、地球上でより重い放射性元素のアルファ崩壊によって生成されます。発生するアルファ粒子は完全にイオン化されたヘリウム4原子核です。ヘリウム4は、核子が完全な殻に配置されているため、異常に安定した原子核です。また、ビッグバン元素合成中に大量に生成されました。[112]
ヘリウム3は地球上には微量しか存在しない。そのほとんどは地球形成以来存在しているが、一部は宇宙塵に閉じ込められて地球に降り注いでいる。[113]微量はトリチウムのベータ崩壊によっても生成される。[114]地球の地殻の岩石は同位体比が10倍も変化し、これらの比は岩石の起源や地球のマントルの組成を調査するために使用できる。[113] 3
彼は核融合の産物として恒星中にもっと豊富に存在する。したがって星間物質では、3
彼は4
彼は地球の約100倍の高さにいる。[115]月や小惑星の 表土などの惑星外物質には、太陽風の衝撃を受けて微量のヘリウム3が含まれている。月の表面には10 ppb程度の濃度のヘリウム3が含まれており、地球の大気中の約5 pptよりもはるかに高い。 [116] [117] 1986年のジェラルド・クルチンスキーを皮切りに、 [118]多くの人々が、月を探査し、月の表土を採掘し、ヘリウム3を核融合に利用することを提案している。
液体ヘリウム4は、1Kポットでの蒸発冷却により約1K（-272.15℃、-457.87℉）まで冷却できる。沸点が低いヘリウム3も同様に冷却すると、約1K（-272.15℃、-457.87℉）まで冷却できる。ヘリウム3冷凍機では0.2ケルビン。液体の等量混合物3
彼と4
彼は以下0.8 Kでは、その相違により2つの混ざり合わない相に分離します（異なる量子統計に従います。ヘリウム4原子はボソンであり、ヘリウム3原子はフェルミオンです）。[29] 希釈冷凍機はこの混ざり合わない性質を利用して、数ミリケルビンの温度を実現します。[119]
急速に他の物質に崩壊するエキゾチックなヘリウム同位体を生成することも可能である。最も寿命の短い重いヘリウム同位体は、半減期が2.6(4) × 10 −22 s。[6]ヘリウム6はベータ粒子を放出して崩壊し、半減期は0.8秒です。ヘリウム7とヘリウム8は特定の核反応で生成されます。[29]ヘリウム6とヘリウム8は核ハローを示すことが知られています。[29]
プロパティ
大気圧におけるヘリウムガスの熱的および物理的性質の表: [120] [121]
化合物
ヘリウムの原子価はゼロで、通常の条件下では化学的に反応しない。[107]ヘリウムはイオン化されない限り電気絶縁体である。他の希ガスと同様に、ヘリウムは準安定エネルギーレベルを持ち、イオン化ポテンシャル以下の電圧で放電してもイオン化したままでいられる。[29] ヘリウムは、グロー放電、電子衝撃、または他の手段でプラズマに還元されると、タングステン、ヨウ素、フッ素、硫黄、リンとエキシマーと呼ばれる不安定な化合物を形成することができる。分子化合物HeNe、HgHe 10、WHe 2、および分子イオンHe+
2、彼2+
2 ...、へへ+
、およびHeD+
この方法で作られたものもある。[122] HeH +も基底状態では安定しているが、極めて反応性が高い。これは知られている中で最も強いブレンステッド酸であり、接触する分子や対イオンをプロトン化するため、単独でしか存在できない。この技術では、多数のバンド系を持つ中性分子He 2や、明らかに分極力によってのみ結合しているHgHeも生成された。[29]
ヘリウムのファンデルワールス化合物は、極低温ヘリウムガスとLiHeやHe2などの他の物質の原子によっても形成される。[123]
理論的には、 2000年に発見されたHArFに類似するヘリウムフッ化水素（HHeF）などの他の真の化合物も考えられます。 [124]計算によると、ヘリウム-酸素結合を含む2つの新しい化合物が安定している可能性があります。[125]理論を使用して予測された2つの新しい分子種、CsFHeOとN（CH 3）4 FHeOは、 2005年に台湾のグループによって初めて理論化された準安定FHeO-アニオンの誘導体です。[ 126 ]
ヘリウム原子は、高圧下で加熱することにより、中空の炭素ケージ分子（フラーレン）に挿入される。形成された内包フラーレン分子は高温でも安定である。これらのフラーレンの化学誘導体が形成されると、ヘリウムは内部に留まる。[127]ヘリウム3を使用すると、ヘリウム核磁気共鳴分光法で容易に観察できる。[128]ヘリウム3を含むフラーレンは数多く報告されている。ヘリウム原子は共有結合やイオン結合で結合していないが、これらの物質は、すべての化学量論的化合物と同様に、独特の特性と明確な組成を持っている。
高圧下では、ヘリウムはさまざまな他の元素と化合物を形成できる。ヘリウム窒素クラスレート（He(N 2 ) 11 ）結晶は、ダイヤモンドアンビルセル内で約10 GPaの圧力で室温で成長した。[129]絶縁性 エレクトライド Na 2 Heは、 113 GPaを超える圧力で熱力学的に安定していることが示された。これは蛍石構造を有する。[130]
発生と生成
自然の豊かさ
ヘリウムは地球上では稀であるが、既知の宇宙では2番目に豊富な元素であり、そのバリオン質量の23%を占めている。ヘリウムより豊富なのは水素のみである。[27]ヘリウムの大部分はビッグバンの1～3分後にビッグバン元素合成によって生成された。そのため、ヘリウムの存在量の測定は宇宙論モデルに貢献している。恒星では、陽子-陽子連鎖反応における水素の核融合と恒星元素合成の一部であるCNOサイクルによって生成される。[112]
地球の大気圏では、体積比でヘリウムの濃度はわずか5.2 ppmである。[131] [132]ヘリウムは継続的に生成されているにもかかわらず、濃度は低く、ほぼ一定である。これは、地球の大気圏のヘリウムのほとんどがいくつかのプロセスを経て宇宙に逃げ出しているためである。[133] [134] [135]地球の異圏、つまり上層大気の一部では、ヘリウムと水素が最も豊富な元素である。
地球上のヘリウムのほとんどは放射性崩壊の結果である。ヘリウムはウランとトリウムの鉱物に多量に含まれており、ウラン鉱とその変種であるクレーバイトとピッチブレンド[19]、[136]、 カルノータイトとモナザイト（グループ名。「モナザイト」は通常モナザイト-(Ce)を指す）[137] 、 [138]が含まれる。これは、これらの鉱物がアルファ粒子（ヘリウム原子核、He 2+）を放出し、粒子が岩石に阻まれるとすぐに電子が結合するからである。このようにして、岩石圏全体で年間3000トンのヘリウムが生成されていると推定される。[139] [140] [141]地殻中のヘリウム濃度は8ppbである。海水中の濃度はわずか4pptである。鉱泉、火山ガス、隕石鉄にも少量含まれています。ヘリウムは地下に閉じ込められ、天然ガスも閉じ込められる条件下にあるため、地球上で最もヘリウムの自然濃度が高いのは天然ガスで、そこから商業用ヘリウムのほとんどが抽出されています。濃度は数ppmから、ニューメキシコ州サンファン郡の小さなガス田の7%以上まで、幅広い範囲に及びます。[142] [143]
2021年現在[update]、世界のヘリウム埋蔵量は310億立方メートルと推定されており、その3分の1はカタールにある。[144] 2015年と2016年には、北米のロッキー山脈の下[145]と東アフリカ大地溝帯[25]に追加の推定埋蔵量が発表された。
現代の抽出と流通
大規模利用の場合、ヘリウムは天然ガスから分留によって抽出され、天然ガスには7%ものヘリウムが含まれることがある。[146]ヘリウムは他の元素よりも沸点が低いため、低温高圧を利用して他のほぼすべてのガス（主に窒素とメタン）を液化する。得られた粗ヘリウムガスは、温度を下げ続けることで精製され、残りの窒素と他のガスのほぼすべてがガス混合物から沈殿する。最終精製工程では活性炭が使用され、通常99.995%純度のグレードAヘリウムが得られる。 [29]グレードAヘリウムの主な不純物はネオンである。最終製造工程では、生産されるヘリウムのほとんどが極低温プロセスによって液化される。これは液体ヘリウムを必要とする用途には必須であり、また、最大の液体ヘリウム容器は最大の気体ヘリウムチューブトレーラーの5倍以上の容量を持っているため、ヘリウム供給業者は長距離輸送のコストを削減することができます。[80] [147]
2008年には、約1億6,900万標準立方メートル（SCM）のヘリウムが天然ガスから抽出されたか、ヘリウム埋蔵量から回収され、そのうち約78％が米国、10％がアルジェリア、残りの大部分がロシア、ポーランド、カタールからでした。[148] 2013年までに、カタール（エア・リキードが管理するカタールガス社）でのヘリウム生産の増加により、カタールの世界のヘリウム生産量の割合は25％に増加し、米国に次ぐ世界第2位の輸出国になりました。[149] 2016年には、タンザニアで 推定540億立方フィート（1.5 × 10 9 m 3）のヘリウム鉱床が発見されました。[150] 2020年には、中国の寧夏回族自治区に大規模なヘリウム工場が開設されました。[151]
アメリカ合衆国では、ヘリウムのほとんどは、カンザス州、オクラホマ州のヒューゴトンガス田と近隣のガス田、およびテキサス州のパンハンドルガス田の天然ガスから抽出されています。[80] [152]このガスの多くはかつてパイプラインで国立ヘリウム備蓄に送られていましたが、2005年以降、この備蓄は枯渇して売却され、 2013年10月の責任あるヘリウム管理および管理法（HR 527）の下では2021年までに大部分が枯渇すると予想されています。[149]アメリカ合衆国西部のヘリウム田、特に「フォーコーナーズ」地域（アリゾナ州、コロラド州、ニューメキシコ州、ユタ州）のヘリウム田は、ヘリウムの代替供給源として浮上しています。[153]
特殊な半透膜やその他の障壁を通して粗天然ガスを拡散させるのも、ヘリウムを回収して精製する別の方法です。[155] 1996年、米国はそのようなガス井複合施設で約1470億標準立方フィート（42億SCM）のヘリウム埋蔵量を確認していました。[156]当時の使用量（米国では年間7200万SCM、下の円グラフを参照）では、これは米国の約58年間の使用量に十分なヘリウムであり、世界の使用量ではこれよりも少ない量（おそらく80%の時間）になりますが、節約と処理の要素が有効な埋蔵量に影響します。
ヘリウムは一般に天然ガスから抽出される。空気中に含まれるヘリウムの量はネオンのほんの一部に過ぎないが、需要ははるかに高いためである。もしすべてのネオン生産設備をヘリウム節約のために再編すれば、世界のヘリウム需要の0.1%が満たされると推定されている。同様に、すべての空気蒸留プラントを再編しても、世界のヘリウム需要のわずか1%しか満たされない。[157]ヘリウムは、リチウムまたはホウ素に高速陽子を衝突させるか、リチウムに重陽子を衝突させることで合成できるが、これらのプロセスは完全に非経済的な生産方法である。[158]
ヘリウムは、液体または気体の状態で市販されています。液体の場合、最大 1,000 リットルのヘリウムが入るデュワーと呼ばれる小型の断熱容器、または最大 42 m 3 (約 11,000 米ガロン) の公称容量を持つ大型の ISO 容器で供給されます。気体の場合、少量のヘリウムは最大 8 m 3 (約 0.282 標準立方フィート)の高圧シリンダーで供給され、大量の高圧ガスは最大 4,860 m 3 (約 172,000 標準立方フィート) の容量を持つチューブ トレーラーで供給されます。
環境保護活動家
ノーベル賞受賞物理学者ロバート・コールマン・リチャードソンのようなヘリウム保護論者は、2010年に書いた論文で、ヘリウムの自由市場価格は「無駄な」使用（例えばヘリウム風船）を助長していると述べた。2000年代の価格は、米国議会が2015年までに国内の大量のヘリウム備蓄を売却するという決定によって引き下げられた。[22]リチャードソンによると、ヘリウムの過剰な浪費をなくすには、価格を20倍にする必要があるという。2012年のナットルらの論文「ヘリウムの浪費を止めよう」では、「この貴重な商品」の持続可能な市場を構築する国際ヘリウム機関を設立することも提案された。[159]
アプリケーション
2014年の米国のヘリウム使用量（カテゴリー別）の推定値。総使用量は3,400万立方メートルです。[160]
極低温工学（32％）
加圧とパージ（18％）
溶接（13％）
制御された雰囲気（18％）
漏れ検出（4％）
呼吸用混合物（2％）
その他 (13%)
風船はおそらくヘリウムの最もよく知られた用途だが、ヘリウムの用途全体から見ればわずかな部分である。[75]ヘリウムは、その低沸点、低密度、低溶解度、高熱伝導率、不活性など、そのユニークな特性が必要とされる多くの用途に使用されている。2014年の世界のヘリウム総生産量は年間約3,200万kg（1億8,000万標準立方メートル）で、最大の用途（2014年の総生産量の約32%）は極低温用途であり、そのほとんどは医療用MRIスキャナやNMR分光計の超伝導磁石の冷却に関係している。[161]その他の主な用途は、加圧およびパージシステム、溶接、制御された雰囲気の維持、および漏れ検出である。カテゴリ別のその他の用途は比較的わずかな割合であった。[160]
制御された雰囲気
ヘリウムは不活性であるため、シリコンやゲルマニウムの結晶の成長、チタンやジルコニウムの生産、ガスクロマトグラフィーでの保護ガスとして使用されます。 [107]また、不活性であること、熱的および熱的に完全であること、音速が高いこと、熱容量比が高いことから、超音速風洞[162]や衝撃施設でも有用です。[163]
ガスタングステンアーク溶接
ヘリウムは、溶接温度で空気や窒素によって汚染され弱くなる材料のアーク溶接プロセスでシールドガスとして使用されます。 [27]ガスタングステンアーク溶接では多くの不活性シールドガスが使用されますが、特にアルミニウムや銅などの熱伝導率の高い溶接材料では、より安価なアルゴンの代わりにヘリウムが使用されます。
マイナーな用途
産業用リーク検出
ヘリウムの産業用途の1つは、漏れ検出である。ヘリウムは固体中を空気の3倍の速さで拡散するため、高真空装置（極低温タンクなど）や高圧容器の漏れを検出するトレーサーガスとして使用される。 [164]検査対象物をチャンバーに入れ、チャンバーを真空にしてからヘリウムで満たす。漏れ口から漏れたヘリウムは、 10 −9 mbar·L/s（10 −10 Pa·m 3 /s）という小さな漏れ速度でも、高感度装置（ヘリウム質量分析計）で検出される。測定手順は通常自動で、ヘリウム積分テストと呼ばれる。より簡単な方法は、検査対象物をヘリウムで満たし、手持ち式装置で手動で漏れを探すことである。[165]
亀裂からのヘリウムの漏れは、バルク材料を通したガスの浸透と混同してはならない。ヘリウムはガラス、セラミック、合成材料を透過する透過定数（したがって計算可能な透過率）が記録されているが、ヘリウムのような不活性ガスはほとんどのバルク金属を透過しない。[166]
フライト
ヘリウムは空気より軽いため、飛行船や気球は浮力を得るためにヘリウムで膨らまされる。水素ガスは浮力が高く、膜を透過して逃げる速度が低いのに対し、ヘリウムは不燃性で、難燃性であるという利点がある。その他のマイナーな用途としてはロケット工学があり、ヘリウムは飛行中のロケット推進剤タンクを充填するための残余媒体として、また水素と酸素を凝縮してロケット燃料を作るために使われる。また、打ち上げ前に地上支援装置から燃料と酸化剤をパージしたり、宇宙船の液体水素を予冷したりするためにも使われる。例えば、アポロ計画で使われたサターンVロケットは、打ち上げに約37万立方メートル（1,300万立方フィート）のヘリウムを必要とした。[107]
小規模な商業および娯楽用途
呼吸用ガスとしてのヘリウムには麻酔作用がないため、深度が増すにつれて悪化する麻酔作用を軽減するために、トリミックス、ヘリオックス、ヘリアーなどのヘリウム混合ガスが深海潜水に使用されます。 [167] [168]深度とともに圧力が増加すると、呼吸用ガスの密度も増加します。ヘリウムの低分子量は、混合物の密度を下げることで呼吸の労力を大幅に軽減することがわかっています。これにより、流れのレイノルズ数が減少し、乱流が減少して層流が増加し、呼吸が少なくて済みます。[169] [170] 150メートル（490フィート）未満の深さでは、ヘリウムと酸素の混合物を呼吸しているダイバーは、高圧神経症候群の症状である震えや精神運動機能の低下を経験し始めます。[171]この効果は、ヘリウムと酸素の混合物に水素や窒素などの麻薬性ガスを一定量加えることで、ある程度は打ち消すことができる。[172]
ヘリウムネオンレーザーは赤色のビームを生成する低出力ガスレーザーの一種で、バーコードリーダーやレーザーポインターなど様々な実用的な用途があったが、その後、より安価なダイオードレーザーにほぼ普遍的に置き換えられた。[27]
ヘリウムは不活性で熱伝導率が高く、中性子透過性があり、原子炉条件下で放射性同位元素を形成しないため、一部のガス冷却原子炉では熱伝達媒体として使用されています。[164]
ヘリウムはキセノンなどの重いガスと混合すると、高い熱容量比と低いプラントル数が得られるため、熱音響冷凍に有用である。[173]ヘリウムの不活性性は、オゾン層の破壊や地球温暖化の一因となる従来の冷凍システムに比べて環境面で有利である。[174]
ヘリウムはハードディスクドライブにも使用されている。[175]
科学的用途
ヘリウムは屈折率が非常に低いため、一部の望遠鏡ではレンズ間の空間の温度変化による歪みの影響を軽減することができます。[29]この方法は、真空密閉望遠鏡のチューブが重すぎる太陽望遠鏡で特に使用されます。[176] [177]
ヘリウムはガスクロマトグラフィーでよく使われるキャリアガスです。
ウランとトリウムを含む岩石や鉱物の年代は、ヘリウム年代測定と呼ばれる方法でヘリウムのレベルを測定することによって推定することができます。[27] [29]
低温のヘリウムは極低温学や特定の極低温用途に使用されている。用途の一例として、液体ヘリウムは、磁気共鳴画像診断用の超伝導磁石など、特定の金属を超伝導に必要な極低温まで冷却するために使用される。欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器は、温度を1.9 K（-271.25 °C、-456.25 °F）に維持するために96トンの液体ヘリウムを使用している。[178]
医療用途
ヘリウムは2020年4月に米国で人間と動物への医療用として承認されました。[179] [180]
汚染物質として
化学的には不活性であるが、ヘリウム汚染は微小電気機械システム（MEMS）の動作を阻害し、iPhoneが故障する可能性がある。[181]
吸入と安全性
効果
標準状態での中性ヘリウムは無毒であり、生物学的役割を担わず、人間の血液中に微量に存在します。
ヘリウム中の音速は、空気中の音速のほぼ3倍です。ガスを充填した空洞の自然共振周波数はガス中の音速に比例するため、ヘリウムを吸入すると、声の増幅器である声道の共振周波数がそれに応じて増加します。[27] [182]この増幅器（声道）の共振周波数の増加により、喉頭が空気で満たされている場合と比較して、声帯の直接振動によって生成される音波の高周波成分の増幅が増加します。ヘリウムガスを吸入した後に人が話すと、喉頭を制御する筋肉は、喉頭が空気で満たされている場合と同じように動きます。そのため、声帯の直接振動によって生成される基本周波数（ピッチと呼ばれることもあります）は変化しません。[183] しかし、高周波優先増幅は増幅された音の音色の変化を引き起こし、結果として葦のようなアヒルの声質になる。共鳴周波数を下げるという逆の効果は、六フッ化硫黄やキセノンなどの高密度ガスを吸入することで得られる。
危険
ヘリウムを吸いすぎると危険です。ヘリウムは単純な窒息剤なので、通常の呼吸に必要な酸素と置き換わってしまいます。[27] [184] 2003年にバンクーバーで窒息した若者や、2006年に南フロリダで窒息した成人2名など、死亡例が記録されています。[185] [186] 1998年には、ビクトリア州のオーストラリア人少女がパーティー用の風船の中身を全部吸い込んだ後、意識を失い、一時的に顔が青ざめました。 [187] [188] [189]加圧シリンダーや風船の充填バルブから直接ヘリウムを吸い込むのは、流量と圧力が高いと気圧外傷を引き起こし、肺組織が破裂して致命的となる 可能性があるため、極めて危険です。 [184] [190]
ヘリウムによる死亡はまれである。メディアに記録された最初の症例は、1998年に友人のパーティーでヘリウムを吸入して死亡したテキサス州の15歳の少女の症例である。ヘリウムによる死亡の正確な種類は特定されていない。[187] [188] [189]
米国では、2000年から2004年の間に報告された死亡者は2人のみで、そのうち1人は2002年にノースカロライナ州で気圧外傷で死亡した男性である。[185] [190] 2003年にはバンクーバーで若者が窒息死し、2000年にはオーストラリアの27歳の男性がボンベで呼吸した後に塞栓症を起こした。[185]それ以来、2006年には南フロリダで2人の成人が窒息死し、[185] [186] [191] 2009年と2010年にも事例があり、そのうちの1人はヘリウムタンクにつながれた袋を頭からかぶった状態で発見されたカリフォルニアの若者で、[192]北アイルランドでは別の10代の若者が窒息死した。[193]オレゴン州イーグルポイントでは、 2012年にパーティー中に10代の少女が気圧外傷で死亡した。[194] [195] [196]ミシガン州の少女がその年の後半に低酸素症で死亡した。[197]
2015年2月4日、日本のガールズグループ「3B Jr.」の12歳のメンバー（匿名）が、1月28日のメイン番組収録中に、ゲームの一環として大量のヘリウムガスを吸入した後、気泡が脳への血流を妨げた結果、空気塞栓症（意識不明・昏睡状態）を起こしたことが明らかになった。この事件は1週間後まで公表されなかった。 [198] [199]テレビ朝日のスタッフは緊急記者会見を開き、メンバーは病院に搬送され、目や手足が動くなどリハビリの兆候が見られるが、意識はまだ十分に回復していないことを伝えた。警察は安全対策を怠ったとして捜査を開始した。[200] [201]
極低温ヘリウムの安全性の問題は液体窒素の場合と同様である。極低温のため低温火傷を引き起こす可能性があり、圧力解放装置が設置されていない場合は液体とガスの膨張率により爆発を引き起こす可能性がある。10 K未満のヘリウムガスが室温まで温められると急速かつ大幅な熱膨張が起こるため、 5～10 Kのヘリウムガスの容器は液体ヘリウムが入っているものとして取り扱う必要がある。 [107]
高圧（約20気圧または2MPa以上 ）では、ヘリウムと酸素の混合物（ヘリオックス）は、一種の逆麻酔効果である高圧神経症候群を引き起こす可能性があります。混合物に少量の窒素を加えると、この問題を軽減できます。 [202] [171]
参照
注記
- ^ 数名の著者は、ヘリウムを希ガスの列に配置することに異議を唱え、アルカリ土類金属とともにベリリウムの上に配置することを好んでいる。彼らは、ヘリウムの 1s 2電子配置がアルカリ土類金属の ns 2価電子配置に類似していることを根拠にそうし、さらに、ヘリウムを第 2 族に配置するとより規則的になる特定の傾向を指摘している。[7] [8] [9] [10] [11]これらは、カイノ対称性と第一列異常に関係する傾向がある。つまり、どのタイプの第 1 軌道も異常に小さい。これは、より高次の類似物とは異なり、同じタイプのより小さな軌道からの電子間反発を受けないためである。軌道のサイズのこの傾向のため、第 1 族および第 13 ～ 17 族では、各主族の最初と 2 番目の元素間の原子半径に大きな差が見られます。この差は、ネオンとアルゴンの間、およびヘリウムとベリリウムの間に見られますが、ヘリウムとネオンの間には見られません。これは、希ガスの沸点や水中での溶解度にも同様に反映されます。ヘリウムはネオンに近すぎるため、族の最初の 2 つの元素間に見られる大きな差は、ネオンとアルゴンの間にのみ見られます。ヘリウムを第 2 族に移動すると、ヘリウムが第 2 族の最初の元素になり、ネオンが第 18 族の最初の元素になるため、この傾向は第 2 族と第 18 族でも一貫します。どちらも、族のカイノ対称な最初の元素の特徴的な特性を示します。[12]しかし、ヘリウムの並外れた不活性度は他の軽い希ガスであるネオンやアルゴンの不活性度に非常に近いため、ヘリウムと他の希ガスの分類はほぼ普遍的です。[13]
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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. (I collected some time ago an amorphous substance having a buttery consistency and a faded yellow color which had sublimated on the rim of a fumarole near the mouth of the eruption. Having analyzed this sublimated substance with a spectroscope, I recognized the lines of sodium and potassium and a very distinct linear line which corresponds exactly to D3, which is that of helium. For the present, I'm making a mere announcement of the fact, proposing to return to this subject after having subjected the sublimate to a chemical analysis.)
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External links
General
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- U.S. Geological Survey publications on helium beginning 1996: Helium
- Where is all the helium? Aga website
- It's Elemental – Helium
- Chemistry in its element podcast (MP3) from the Royal Society of Chemistry's Chemistry World: Helium
- International Chemical Safety Cards – Helium includes health and safety information regarding accidental exposures to helium
More detail
- Helium at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)
- Helium at the Helsinki University of Technology; includes pressure-temperature phase diagrams for helium-3 and helium-4
- Lancaster University, Ultra Low Temperature Physics – includes a summary of some low temperature techniques
- Video: Demonstration of superfluid helium (Alfred Leitner, 1963, 38 min.)
Miscellaneous
- Physics in Speech with audio samples that demonstrate the unchanged voice pitch
- Article about helium and other noble gases
Helium shortage
- アメリカのヘリウム供給: 連邦政府所有地からより多くのヘリウムを生産するための選択肢: 米国下院天然資源委員会エネルギー鉱物資源小委員会での監視公聴会、第 113 回議会、第 1 会期、2013 年 7 月 11 日木曜日
- ヘリウムプログラム：BLM のヘリウム備蓄の保管と販売が直面する緊急の問題：下院政府監査院天然資源委員会での証言
- クレイマー、デイビッド (2012 年 5 月 22 日)。「上院法案は米国のヘリウム備蓄を保護する: 不足が生じた場合、この法案は科学者にヘリウムの優先権を与える。Physics Today の Web サイト」。2012 年 10 月 27 日のオリジナルからアーカイブ。
- Richardson, Robert C.; Chan, Moses (2009). 「ヘリウムはいつなくなるのか？」(PDF)。2015-06-14 にオリジナル(PDF)からアーカイブ。
