ヘリウム

ヘリウム（Helium）は原子番号 2、元素記号 He の元素。無色、無臭で、最も軽い希ガス元素でもある。すべての元素の中で最も沸点が低く、超高圧下でしか固体にならない。ヘリウムは不活性の単原子ガスとして存在する。また、存在量は水素に次いで宇宙で2番目に多い。ヘリウムは地球の大気中にも存在し、(0,0005%）鉱物やミネラルウォーターのなかにもとけ込んでいる。天然ガスと共に豊富に産出し、気球や小型飛行船の浮揚用ガスとして用いられたり、液体ヘリウムを超伝導用の低温素材としたり、深海へ潜る際の呼吸ガスとして用いられている。

[編集] 特徴

標準状態ではヘリウムは単原子ガスとしてのみ存在できる。ヘリウムを固化するには非常に特殊な条件下におかなければならない。元素の中で沸点が最も低く、標準圧力下では温度を下げて絶対零度になっても液体のままであり、固化するにはさらに高い圧力をかける必要がある。液体とガスの臨界温度の差は 5.19 K しかない。固体ヘリウムは H-3 と H-4 で必要な圧力が異なり、圧力を調節して体積の30%をコントロールすることができる。ヘリウムは比熱容量が非常に高く、密度の高い蒸気となり、部屋の温度が上昇すると素早く膨張する。

固体ヘリウムは 1.5 K、100M Pa という非常に低い温度と高い圧力の下でしか存在できない。だいたいこのくらいの温度以上になると相転移を起こしてしまう。これ以下の温度ではそれぞれ立方体型の分子を作っている。（※以下訳抜け）

極低温下のヘリウムは超流動を示す。

[編集] 用途

ヘリウムは空気よりも軽いため、浮揚用ガスとして使われ、広告用バルーンや天体観測用気球、軍事用偵察気球などに使用されている。ヘリウムは水素の 92.64%もの浮揚力があり、燃えないため、水素よりも安全なガスとして風船のガスなど広く利用されている。

その他の用途としては以下のような物がある。

ヘリウムと酸素の混合ガスはテクニカルダイビングなど、深海潜水用の呼吸ガスとして用いられる。ヘリウムは窒素よりも麻酔作用が少ないため、窒素中毒を起こしにくく、さらに粘度が低いため、高圧下でも呼吸抵抗が小さく、身体からの排泄速度が速いため、使い方によっては減圧症になる可能性を低減できる。欠点として、アヒルの鳴き声のような聞き取りにくい声となる（ドナルドダックボイス現象）こと、また熱伝導率が高いため、体温調節が難しくなること、また空気と比較してはるかに高価であることがある。
ヘリウムは沸点、融点ともに最も低い元素であり、液体ヘリウムは他の超低温物質よりも低温となり、超伝導や低温学など、絶対零度に近い環境での研究が必要な分野で冷媒として使用されている。また、ヘリウム3とヘリウム4を使った希釈冷凍法がある。
ヘリウムはクロマトグラフィーなどの搬送ガスとしても使用されている。
水素爆弾では水素がヘリウムになる核融合反応が使用されている。
液体ヘリウムはロケットの噴射口を守る冷却剤、シリコンやゲルマニウム結晶の保護材、あるいは原子炉の冷却剤、超音速風洞実験での充満ガスとして用いられている。
同位体であるヘリウム3は核融合発電の燃料としての利用が考えられている。しかし、現在熱核融合炉で想定されている温度の領域では、トリチウム燃料の場合に比べて核融合反応が起こりにくい上、地球上で天然に採取する事はほとんど不可能である。太陽から噴出して月面に堆積した物を採取する、木星などのヘリウム型惑星で採取する等の方法が検討されているが、いずれにしろ実用化はかなり先の話であろう（アニメ『機動戦士ガンダム』シリーズでは木星産のヘリウム3に、『プラネテス』では月産のヘリウム3に主要エネルギーとして依存する社会が舞台になっている）。
液体ヘリウムはMRIで使われている。
ヘリウムは分子が小さく、きわめて微小な孔にも浸入可能であるため、配管のリーク（漏れ）を高精度で検査するのに用いられることがある（配管に気体のヘリウムを流してヘリウムリークディテクタで漏れを検知する）。前述の特徴のほか、化学的に安定で人畜に無害、また大気中にほとんど存在しないため誤検出の心配がないなど、この用途には理想的な物質であるとされている。

[編集] 歴史

ヘリウム（英 Helium、Greek ἥλιος helios、太陽に由来）は1868年にフランスのピエール・ジャンサンとイギリスのノーマン・ロッキャーがそれぞれ別個に存在を予言した。二人ともその年にあった日食の太陽光線について研究をしており、分光学での輝線スペクトルから未知の元素があることに気付いた。エドワード・フランクランドがジャンセンの予言を立証し、さらにその元素が太陽の観測から発見されたことから、ギリシャ神話の太陽神ヘリオスの名に -ium をつけた名前を提案した。-ium は本来金属につけるラテン語の派生名詞中性語尾だが、これはこの時点でヘリウムが金属と思われていたからだった。元素記号 He はその頭文字である。1895年にイギリスのウィリアム・ラムゼー卿によりウラン鉱石からヘリウム単体が取り出され、精製した結果金属でないことがわかったが、名前が変更されることはなかった。スウェーデンの化学者ニールス・ラングレットとパー・テオドール・クレーベはラムゼーと別個にヘリウムの分離に成功していた。

1907年にアーネスト・ラザフォードとトーマス・ロイズはアルファ粒子がヘリウムの原子核（ヘリウム4）であることを発見した。また、1908年オランダのヘイケ・カメルリング・オネスは 0.9 K まで温度を下げることで液体ヘリウムを初めて製造した。この偉業により彼は1913年にノーベル賞を受けている。また、オネスの弟子であるウィレム・ヘンドリック・ケーソンは1926年に初めて固体ヘリウムを作ることに成功した。

[編集] 同位体

ヘリウム原子の原子核は 2つの陽子と2つの中性子からなり、周りを2つの電子が回って構成される（ヘリウム4）。同位体にヘリウム3（陽子 2、中性子 1、電子 2）がある。

ヘリウム3は、天然には非常に僅かしか存在しないので、原子炉で生成したものが利用される。原子炉内で、リチウム6に中性子を当てると、三重水素とヘリウム4ができ、この三重水素がベータ崩壊して、ヘリウム3となる（半減期12.5年）。

そのほか、人工的に作られた同位体としては、ヘリウム6,ヘリウム8,へリウム10などがある。

ヘリウムの同位体を用いた地球化学的な応用は大きく分けて2つある。まず、ヘリウム3をトレーサーとした地球物質の循環を探ることができる。もうひとつは岩石中に天然に存在する放射性同位体であるウランやトリウムの放射壊変(アルファ崩壊)に伴って放出されるヘリウム4の蓄積量から、その岩石の生成年代を求めることができる(U,Th/He dating)。

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カテゴリ: 元素

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出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』

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