Ciri-ciri Helium

Atom helium

Rencana utama: Atom helium

Helium dalam mekanik kuantum

Atom helium. Imej di atas menggambarkan nukleus (merah jambu) dan penyebaran awan elektron (hitam). Nukleus (atas kanan) helium-4 sebenarnya simetri secara sfera dan amat sama dengan awan elektron, namun untuk nukleus-nukleus yang lebih rumit ia tidak selalunya begitu.

Dalam perspektif mekanik kuantum, helium ialah atom kedua paling ringkas untuk dimodelkan selepas atom hidrogen. Helium terdiri daripada dua elektron di dalam orbital atom yang mengelilingi satu nukleus yang mempunyai dua proton dan beberapa neutron. Seperti dalam mekanik Newton, tidak ada sistem dengan lebih daripada dua zarah boleh diselesaikan dengan pendekatan matematik analitik yang tepat (lihat masalah tiga jasad) dan atom helium tidak terkecuali. Oleh itu, langkah matematik berangka diperlukan walaupun untuk menyelesaikan sistem dengan satu nukleus dan dua elektron. Kimia pengiraan seperti ini telah digunakan untuk membentuk satu gambaran mekanik kuantum untuk pengikatan elektron helium yang tepat sehingga <2% nilai yang sebenar, dalam beberapa langkah pengiraan.[37] Dalam model-model sebegini, telah didapati bahawa setiap elektron dalam helium menghalang secara separa nukleus atom daripada elektron yang lain, dan oleh itu cas nuklear berkesan Z yang dilihat oleh setiap elektron ialah kira-kira 1.69 unit dan bukannya 2 unit seperti yang nukleus helium klasik yang "terdedah".

Kestabilan nukleus helium-4 dan petala elektron yang berkaitan

Nukleus atom helium-4 adalah sama dengan satu zarah alfa. Uji kaji penyerakan elektron bertenaga tinggi menunjukkan yang casnya menurun secara eksponen daripada takat maksimum di titik tengah, tepat seperti mana kepadatan cas awan elektron helium sendiri. Simetri ini menunjukkan fizik dasar yang sama: pasangan neutron dan pasangan proton dalam nukleus helium mengikuti peraturan mekanik kuantum yang sama dengan pasangan elektron helium (walaupun zarah-zarah nukleus tertakluk kepada kemampuan pengikatan nuklear yang berbeza), jadi semua fermion ini menduduki sepenuhnya orbital 1s secara berpasangan, tiada satu pun fermion yang memiliki momentum sudutan orbit dan setiap satu membatalkan spin intrinsik yang lain. Jika salah satu daripada zarah-zarah ini ditambah, ia akan memerlukan momentum sudutan dan akan melepaskan tenaga yang lebih sedikit (malahan, tidak ada nukleus dengan lima nukleon yang stabil). Oleh itu, susunan ini adalah sangat stabil dari segi tenaga bagi zarah-zarah ini, dan kestabilan ini menerangkan pelbagai ciri helium dalam alam semula jadi.

Contohnya, awan elektron helium yang stabil dan rendah tenaganya menjelaskan kenadiran unsur itu serta kekurangan interaksi antara atom-atom helium yang menyebabkan helium mempunyai takat didih dan lebur yang paling rendah antara semua unsur kimia.

Dalam cara yang sama, kestabilan tenaga nukleus atom helium-4 yang disebabkan oleh kesan yang sama menjelaskan betapa mudahnya helium-4 dihasilkan dalam tindak balas atom seperti pemancaran zarah berat dan pelakuran. Ada beberapa atom helium-3 yang stabil dihasilkan dalam tindak balas pelakuran hidrogen, tetapi jumlahnya amatlah kecil berbanding dengan jumlah helium-4 yang dihasilkan. Kestabilan helium-4 adalah sebab hidrogen ditukarkan kepada helium-4 (bukannya deuterium atau helium-3 atau unsur-unsur yang lebih berat) dalam Matahari. Ia juga penyebab mengapa zarah alfa ialah jenis zarah barion yang paling biasa dilenting daripada satu nukleus atom; dengan erti kata lain, pereputan alfa adalah lebih biasa daripada pereputan kluster.

Tenaga pengikatan setiap nukleon bagi isotop-isotop biasa. Tenaga pengikatan setiap zarah helium-4 adalah lebih besar daripada mana-mana nuklid yang berdekatan.

Kestabilan luar biasa helium-4 juga penting dari segi kosmologi: ia menjelaskan mengapa beberapa minit selepas Letupan Besar, sedang satu "sup" proton dan neutron bebas yang pada asalnya telah terhasil dalam nisbah 6:1 menyejuk sehingga pengikatan nuklear boleh terjadi, hampir semua nukleus atom gabungan yang pertama sekali terbentuk ialah helium-4. Ikatan helium-4 adalah sangat kuat sehingga penghasilan helium-4 memakan hampir semua neutron bebas dalam beberapa minit sebelum ia boleh mereput beta, dan turut meninggalkan beberapa untuk menghasilkan atom-atom yang lebih berat seperti litium, berilium atau boron. Pengikatan nuklear helium-4 setiap nukleon adalah lebih kuat daripada mana-mana unsur ini (lihat nukleosintesis dan tenaga pengikatan). Justeru, setelah helium dihasilkan, tidak ada lagi pacuan tenaga yang ada untuk menghasilkan unsur 3, 4 dan 5. Helium lebih mudah melakur membentuk unsur seterusnya dengan tenaga yang lebih rendah setiap nukleon, karbon. Namun, oleh kerana kekurangan unsur-unsur pertengahan, proses ini memerlukan tiga atom helium melanggar satu sama lain hampir serentak (lihat proses alfa ganda tiga). Oleh itu, tidak ada cukup masa untuk jumlah karbon yang banyak terbentuk dalam minit-minit pertama selepas Letupan Besar sebelum alam semesta awal yang sedang berkembang menyejuk sehingga pelakuran helium kepada karbon tidak lagi boleh dilakukan. Ini menyebabkan alam semesta awal mempunyai nisbah hidrogen/helium yang sama seperti yang diperhatikan pada hari ini (3 bahagian hidrogen kepada 1 bahagian helium-4 mengikut berat), dengan hampir semua neutron di angkasa terkandung dalam helium-4.

Semua unsur yang lebih berat (termasuklah unsur-unsur yang perlu untuk membentuk planet berbatu seperti Bumi, dan untuk hidupan berasaskan karbon dan lain-lain) telah dihasilkan selepas Letupan Besar dalam bintang-bintang yang cukup panas untuk melakur helium. Semua unsur selain hidrogen dan helium merangkumi hanya 2% jisim atom alam semesta. Sebaliknya, helium-4 membentuk 23% jirim biasa alam semesta — hampir semua jirim biasa alam semesta yang bukan hidrogen.

Fasa gas dan plasma

Tiub nyahcas helium yang dibentukkan sama dengan simbol atom unsur itu.

Helium ialah gas adi kedua paling tidak bertindak balas selepas neon dan oleh itu adalah yang kedua paling tidak bertindak balas antara semua unsur kimia;[38] ia lengai dan beratom tunggal dalam keadaan-keadaan piawai. Disebabkan jisim mol (atom) helium yang agak rendah, daya pengaliran terma, haba tertentu dan kelajuan bunyi helium dalam fasa gas adalah lebih rendah daripada mana-mana gas lain kecuali hidrogen. Untuk sebab yang sama, dan juga disebabkan oleh saiz atom-atom helium yang kecil, kadar pembauran helium merentasi pepejal adalah tiga kali ganda kadar pembauran udara dan 65% kadar pembauran hidrogen.[5]

Helium ialah gas monoatom yang paling kurang terlarut dalam air[39] dan juga yang paling tidak larut antara semua gas (CF4, SF6 dan C4F8 mempunyai keterlarutan pecahan mol yang lebih rendah, iaitu masing-masing 0.3802, 0.4394, dan 0.2372 x2/10−5, berbanding helium: 0.70797 x2/10−5),[40] dan indeks pembiasan helium adalah lebih hampir kepada satu daripada mana-mana gas lain.[41] Helium mempunyai pekali Joule-Thomson negatif dalam suhu persekitaran biasa, yang bermaksud ia memanas apabila dibiarkan mengembang dengan bebas. Ia hanya akan menyejuk jika dibiarkan mengembang dengan bebas apabila ia berada di bawah suhu penyonsangan Joule-Thomson (kira-kira 32 ke 50 K bertekanan 1 atmosfera).[5] Apabila diprasejukkan di bawah suhu ini, helium boleh dicecairkan melalui penyejukan pengembangan.

Kebanyakan helium di angkasa ditemui dalam bentuk plasma dengan ciri-ciri yang agak berbeza daripada helium berbentuk atom. Dalam plasma, elektron-elektron helium tidak terikat kepada nukleus masing-masing dan ini menjadikan helium plasma mempunyai kebolehaliran elektrik yang sangat tinggi walaupun gas ini hanya diionkan separa. Zarah-zarah bercas amat dipengaruhi oleh medan magnet dan medan elektrik. Misalnya, zarah-zarah hidrogen terion dalam angin suria bertindak balas dengan magnetosfera Bumi dan membentuk arus-arus Birkeland dan aurora.[42]

Fasa pepejal dan cecair

Helium yang dicecairkan. Helium ini bukan sahaja cecair, malah ia telah disejukkan sehingga mencapai kebendaliran super. Titisan di bawah gelas ini adalah cecair helium yang dengan sendirinya melalui dinding bekas ini dan keluar, dan akan mengosongkan bekas ini. Tenaga yang memacu proses ini dibekalkan oleh tenaga keupayaan helium yang sedang jatuh. Lihat bendalir lampau.
Rencana utama: Helium cecair

Tidak seperti unsur-unsur lain, helium akan terus berada dalam fasa cecair sehingga dalam suhu sifar mutlak dalam tekanan biasa. Ini adalah kesan terus mekanik kuantum: lebih tepat lagi, tenaga titik sifar sistem ini terlalu tinggi untuk membolehkan pembekuan. Helium pepejal memerlukan suhu 1-1.5 K (kira-kira −272 °C) dan tekanan 25 bar (2.5 MPa).[43] Biasanya, sukar untuk membezakan antara helium pepejal dengan helium cecair kerana indeks pembiasan kedua-duanya adalah lebih kurang sama. Pepejal helium mempunyai takat didih yang mendadak dan struktur kristal, tetapi sangat boleh mampat; jika tekanan dikenakan keatasnya di dalam makmal, isipadunya akan berkurang sebanyak lebih 30%.[44] Dengan modulus pukal kira-kira 27 MPa,[45] ia lebih kurang 100 kali ganda lebih boleh mampat daripada air. Helium pepejal mempunyai kepadatan 0.214 ± 0.006 g/cm3 pada 1.15K dan 66 atm; kepadatan yang diramalkan pada 0 K dan 25 bar (2.5 MPa) ialah 0.187 ± 0.009 g/cm3.[46]

Keadaan helium I

Isotop helium-4 wujud dalam keadaan cecair tidak berwarna biasa yang dikenali dengan nama helium I di bawah takat didihnya 4.22 K dan di atas titik lambdanya 2.1768 K.[5] Seperti cecair-cecair kriogenik yang lain, helium I mendidih apabila dipanaskan dan mengecut apabila suhunya direndahkan.

Helium I mempunyai indeks pembiasan seperti gas, 1.026. Ini menjadikan permukaannya terlalu sukar untuk dilihat sehinggakan pelampung-pelampung styrofoam perlu digunakan untuk menunjukkan kedudukan permukaan cecair ini.[5] Cecair tidak berwarna ini mempunyai kelikatan yang sangat rendah iaitu 0.145–0.125 g/mL (antara 0 dan 4 K);[47] nilai ini hanya satu perempat daripada nilai yang diramalkan daripada fizik klasik.[5] Mekanik kuantum diperlukan untuk menjelaskan sifat ini. Oleh itu, kedua-dua jenis helium cecair dipanggil bendalir kuantum, yakni ia memaparkan ciri-ciri atomnya pada skala makroskopik. Ini mungkin kesan daripada takat didihnya berada sangat hampir dengan sifar mutlak yang menghalang pergerakan molekul rawak (tenaga haba) daripada menutup ciri-ciri atomnya.[5]

Keadaan helium II

Apabila helium cecair disejukkan di bawah titik lambdanya, ia dikenali sebagai helium II dan mula menunjukkan ciri-ciri luar biasa. Helium II tidak boleh mendidih disebabkan daya pengaliran termanya yang tinggi; jika haba dikenakan ke atas helium II, ia akan terus mengewap kepada bentuk gas. Helium-3 juga mempunyai fasa bendalir lampau, tetapi hanya di suhu yang lebih rendah; kesannya, tidak banyak yang diketahui tentang ciri-ciri seperti itu dalam isotop ini.[5]

Tidak seperti cecair-cecair biasa, helium II akan merayap sepanjang permukaan-permukaan untuk mencapai paras yang sama; selepas seketika, paras di dalam kedua-dua bekas akan menjadi sama. Filem Rollin juga meliputi bahagian dalam bekas yang lebih besar; jika ia tidak ditutup, helium II akan merayap keluar dan terlepas.[5]

Helium II ialah sejenis bendalir lampau, iaitu satu keadaan jirim mekanik kuantum (lihat: fenomena kuantum makroskopik) dengan ciri-ciri yang aneh. Contohnya, apabila ia mengalir melalui rerambut (kapilari) bersaiz 10-7 ke 10-8 m, ia tidak mempunyai kelikatan yang boleh diukur.[4] Namun, apabila ukuran diambil daripada dua cakera bergerak, satu kelikatan yang lebih kurang dengan kelikatan gas helium telah diperoleh. Teori kini menjelaskannya dengan model dua bendalir untuk helium II. Dalam model ini, helium cecair di bawah titik lambda dilihat seperi ia mempunyai sebahagian atom helium dalam keadaan asas yang merupakan bendalir lampau dan mengalir dengan tepat sifar kelikatan, dan sebahagian atom helium dalam keadaan teruja yang berkelakuan lebih seperti bendalir biasa.[48]

Dalam kesan air pancut, satu bekas yang disambungkan dengan satu takungan helium II oleh satu cakera tersinter yang helium bendalir lampau boleh lalui dengan mudah tetapi helium bukan bendalir lampau tidak boleh, dibina. Jika bahagian dalam bekas ini dipanaskan, helium bendalir lampau akan bertukar kepada helium bukan bendalir lampau. Untuk mengekalkan pecahan keseimbangan helium bendalir lampau, helium bendalir lampau membocor dan meningkatkan tekanan, menyebabkan cecair memancut keluar daripada bekas itu.[49]

Daya pengaliran terma helium II adalah lebih besar daripada mana-mana bahan lain yang diketahui; sejuta kali ganda daripada helium I dan beberapa ratus kali ganda daripada kuprum.[5] Ini kerana pengaliran haba berlaku dengan mekanisma kuantum yang luar biasa. Kebanyakan bahan yang mengalirkan haba dengan baik mempunyai jalur valens elektron bebas yang berfungsi sebagai pemindah haba. Helium II tidak mempunyai jalur sebegini tetapi ia tetap mengalirkan haba dengan baik. Aliran habanya dikawal oleh persamaan-persamaan yang serupa dengan persamaan gelombang yang digunakan untuk mencirikan penyebaran bunyi dalam udara. Apabila haba dikenakan, ia bergerak melalui helium II bersuhu 1.8 K pada kelajuan 20 meter sesaat dalam bentuk gelombang. Gelombang ini dikenali sebagai bunyi kedua.[5]

Helium II juga memiliki sifat merayap. Apabila satu permukaan dijangkau melepasi paras helium II, helium II akan merayap di atas permukaan ini melawan daya graviti. Helium II akan melepaskan diri daripada satu bekas yang tidak ditutup dengan merangkak di sepanjang permukaan dalaman sehingga ia mencapai satu kawasan yang lebih panas lalu menyejat. Ia bergerak dalam bentuk lapisan setebal 30 nm tidak kira jenis bahan permukaan. Lapisan ini dikenali sebagai filem Rollin dan dinamakan sempena orang yang pertama kali mencirikan sifat ini, Bernard V. Rollin.[5][50][51] Disebabkan oleh sifat merayap ini dan kebolehan helium II membocor dengan cepat melalui bukaan kecil, sukar untuk mengurung helium cecair. Melainkan bekas itu dibina dengan teliti, helium II akan merayap di sepanjang permukaan dan melalui injap-injap sehingga ia mencapai tempat yang lebih panas, di mana ia akan mengewap. Gelombang yang tersebar sepanjang satu filem Rollin dikawal oleh persamaan yang sama dengan gelombang graviti dalam air yang cetek, tetapi berbanding graviti, daya yang mengembalikan semula ialah daya van der Waals.[52] Gelombang ini dikenali sebagai bunyi ketiga.[53]

Rujukan

WikiPedia: Helium http://balloonartists.com.au/helium-dangers.html http://www.lousballoons.com.au/dangers-of-helium.h... http://www.phys.unsw.edu.au/PHYSICS_!/SPEECH_HELIU... http://www.oma.be/BIRA-IASB/Public/Research/Thermo... http://www.cbc.ca/news/world/two-students-die-afte... http://www.phys.ualberta.ca/~therman/lowtemp/proje... http://cdsweb.cern.ch/record/455564 http://visits.web.cern.ch/visits/guides/tools/pres... http://www.aga.com/international/web/lg/aga/like35... http://arstechnica.com/information-technology/2013...