Penemuan-penemuan saintifik

Bukti kewujudan helium yang pertama adalah satu garis spektrum kuning terang dengan panjang gelombang 587.49 nanometer di dalam spektrum pancaran kromosfera Matahari yang telah ditemui pada 18 Ogos 1868 oleh ahli falak Perancis, Jules Janssen dalam gerhana matahari penuh di Guntur, India.[3][4] Garisan ini pada asalnya dianggap dipancarkan oleh natrium. Pada 20 Oktober pada tahun yang sama, ahli falak England, Norman Lockyer telah memerhatikan satu garis kuning dalam spektrum suria yang dinamakannya garis Fraunhofer D3 kerana ia berada berdekatan dengan garis natrium D1 dan D2 yang telah diketahui.[5] Beliau merumuskan yang garisan itu disebabkan oleh satu unsur dalam Matahari yang belum ditemui di Bumi. Lockyer dan ahli kimia England, Edward Frankland menamakan unsur ini dengan perkataan Yunani untuk Matahari, ἥλιος (helios).[6][7][8]

Pada tahun 1882, ahli fizik Itali, Luigi Palmieri telah mengesan helium di Bumi buat kali pertama melalui garis spektrum D3 unsur itu. Beliau menemuinya ketika menganalisa lava dari Gunung Vesuvius.[9]

Pada 26 Mac 1895, ahli kimia Scotland, Sir William Ramsay telah mengasingkan helium di Bumi dengan merawat mineral kleveit (salah satu jenis bijih uranium dengan kira-kira 10% unsur nadir bumi) dengan asid mineral. Ramsay sebenarnya sedang mencari gas argon, tetapi setelah beliau mengasingkan nitrogen dan oksigen daripada gas yang dibebaskan oleh asid sulfurik, beliau telah menemui satu garis spektrum kuning yang serupa dengan garis D3 yang diperhatikan dalam spektrum Matahari.[5][10][11][12] Sampel ini dikenalpasti sebagai helium oleh Lockyer dan ahli fizik Britain, William Crookes. Ia juga telah diasingkan daripada kleveit pada tahun yang sama secara berasingan oleh ahli-ahli kimia bernama Per Teodor Cleve dan Abraham Langlet di Uppsala, Sweden. Mereka telah mengumpul cukup banyak helium untuk menentukan berat atomnya.[4][13][14] Helium telah diasingkan oleh ahli geokimia Amerika, William Francis Hillebrand sebelum Ramsay melakukannya, apabila beliau menemui garisan-garisan spektrum yang luar biasa sewaktu menguji satu sampel mineral uraninit. Namun, beliau menganggap yang garisan-garisan itu dipancarkan oleh nitrogen. Hillebrand telah menghantar surat ucapan tahniah kepada Ramsay atas penemuannya. Satu kes "penemuan" dan "hampir ditemui" dalam sains dapat dilihat di sini.[15]

Pada 1907, Ernest Rutherford dan Thomas Royds telah menunjukkan yang zarah-zarah alfa terdiri daripada nukleus helium. Mereka telah mendemonstrasikannya dengan membenarkan zarah-zarah ini menembusi dinding kaca nipis satu tiub yang dikosongkan, lalu mengadakan satu nyahcas di dalam tiub tersebut untuk mengkaji spektrum gas baru didalamnya. Pada 1908, helium pertama kali dicecairkan oleh ahli fizik Belanda, Heike Kamerlingh Onnes, dengan menyejukkan gas itu ke suhu kurang daripada satu kelvin.[16] Beliau turut mencuba untuk mengeraskan gas itu dengan terus mengurangkan suhu tetapi gagal kerana helium tidak mempunyai suhu titik tigaan di mana fasa pepejal, cecair dan gas berada dalam keseimbangan. Seorang pelajar Onnes, Willem Hendrik Keesom, akhirnya dapat mengeraskan 1 cm3 helium dengan mengenakan tekanan luaran tambahan.[17]

Pada 1938, ahli fizik Rusia, Pyotr Leonidovich Kapitsa mendapati yang helium-4 langsung tidak mempunyai kelikatan pada suhu hampir dengan sifar mutlak. Fenomena ini kini dikenali sebagai kebendaliran lampau,[18] dan ia berkaitan dengan pemeluwapan Bose-Einstein. Pada 1972, fenomena yang sama telah ditemui pada helium-3 oleh ahli-ahli fizik Amerika, Douglas D. Osheroff, David M. Lee dan Robert C. Richardson, tetapi ia berlaku pada suhu yang lebih hampir dengan sifar mutlak. Fenomena yang berlaku dalam helium-3 dikatakan berkaitan dengan pasangan-pasangan fermion helium-3 untuk membentuk boson yang lebih kurang sama dengan pasangan-pasangan elektron Cooper yang menghasilkan kesuperkonduksian.[19]

Pengekstrakan dan kegunaan

Selepas satu operasi menggerudi minyak di Dexter, Kansas pada tahun 1903 mengeluarkan satu pancutan gas yang tidak boleh terbakar, ahli geologi negeri Kansas, Erasmus Haworth telah mengumpul contoh-contoh gas yang terlepas itu dan membawanya kembali ke Universiti Kansas di Lawrence. Dengan bantuan ahli-ahli kimia Hamilton Cady dan David McFarland, beliau telah menemui yang isipadu gas itu terdiri daripada 72% nitrogen, 15% metana (satu peratusan yang boleh terbakar jika adanya jumlah oksigen yang cukup), 1% hidrogen dan 12% gas yang tidak dikenalpasti.[4][20] Selepas analisis lanjut, Cady dan McFarland telah mendapati yang 1.84% sampel itu adalah gas helium.[21][22] Ini menunjukkan bahawa meskipun ia agak jarang di Bumi, helium tertumpu dalam kuantiti yang banyak di bawah Dataran Besar Amerika, sedia untuk diekstrak sebagai bahan sampingan gas asli.[23]

Ini membolehkan Amerika Syarikat menjadi pembekal helium terbesar di dunia. Selepas satu cadangan oleh Sir Richard Threlfall, Tentera Laut Amerika Syarikat telah menaja tiga logi helium percubaan kecil sewaktu Perang Dunia Pertama. Tujuannya adalah untuk membekalkan belon-belon bedilan dengan gas yang lebih ringan daripada udara dan tidak boleh terbakar itu. Sejumlah 5,700 m3 gas dengan 92% helium telah dihasilkan sepanjang program tersebut, walaupun sebelum itu kurang daripada satu meter padu gas telah diperolehi.[5] Sebahagian daripada gas ini telah digunakan di dalam kapal udara helium pertama di dunia, C-7 milik Tentera Laut A.S., yang melalukan penerbangan pertamanya dari Hampton Roads, Virginia ke Bolling Field, Washington D.C. pada 1 Disember 1921.[24]

Walaupun proses pengekstrakan helium yang menggunakan pencecairan gas pada suhu yang rendah tidak dibangunkan cukup awal untuk memberi kesan yang penting dalam Perang Dunia Pertama, pengeluaran tetap diteruskan. Helium digunakan terutamanya sebagai gas pengangkat di dalam kapal-kapal udara. Permintaan helium meningkat untuk kegunaan ini sewaktu Perang Dunia Kedua, begitu juga dengan permintaan untuk kimpalan arka dihadang. Spektrometer jisim helium juga penting dalam Projek Manhattan yang menghasilkan bom-bom atom pertama dunia.[25]

Kerajaan Amerika Syarikat telah menubuhkan Rizab Helium Kebangsaan di Amarillo, Texas pada tahun 1925 dengan tujuan untuk membekalkan helium kepada kapal-kapal udara tentera sewaktu perang dan kepada kapal-kapal udara komersial sewaktu damai.[5] Oleh kerana sekatan yang dikenakan oleh tentera Amerika Syarikat ke atas Jerman, bekalan helium kepada negara itu disekat dan Zeppelin-zeppelin Jerman seperti Hindenburg terpaksa menggunakan hidrogen sebagai gas pengangkat. Kegunaan helium selepas Perang Dunia Kedua berkurangan tetapi rizab ini dikembangkan pada tahun 1950-an untuk memastikan bekalan berterusan helium cecair sebagai penyejuk untuk menghasilkan bahan api roket oksigen/hidrogen (dalam banyak-banyak kegunaan lain) sewaktu Perlumbaan Angkasa dan Perang Dingin. Kegunaan helium di Amerika Syarikat pada tahun 1965 adalah kira-kira lapan kali ganda kegunaan puncak sewaktu masa perang.[26]

Selepas "Akta Pemindaan Helium 1960" (Undang-undang Awam 86-777), Biro Lombong-lombong A.S. telah menyusun lima loji swasta untuk mendapatkan helium daripada gas asli. Untuk program pemuliharaan helium ini, Biro ini telah membina satu talian paip sepanjang 684 km dari Bushton, Kansas, untuk menyambungkan loji-loji swasta itu dengan medan gas Cliffside milik kerajaan yang hampir habis, berhampiran Amarillo, Texas. Campuran hidrogen-nitrogen ini disuntik dan disimpan di dalam medan gas Cliffside sehingga ia diperlukan; ketika itu barulah ia ditulenkan.[27]

Menjelang tahun 1995, satu bilion meter padu (109 m3) gas itu telah dikumpulkan dan rizab ini berhutang sebanyak US$1.4 bilion, dan ini memaksa Kongres Amerika Syarikat untuk menghentikan rizab ini secara berperingkat pada 1996.[4][28] "Akta Penswastaan Helium 1996" yang terhasil [29] (Undang-undang Awam 104-273) mengarahkan Jabatan Dalaman Amerika Syarikat untuk memulakan pengosongan rizab ini menjelang 2005.[30]

Helium yang telah dihasilkan antara 1930 hingga 1945 mempunyai ketulenan kira-kira 98.3% (2% nitrogen) yang sesuai untuk kapal-kapal udara. Pada 1945, sejumlah kecil helium berketulenan 99.9% telah dihasilkan untuk tujuan pengimpalan. Menjelang 1949, sejumlah helium komersial Gred A berketulenan 99.95% boleh didapati.[31]

Selama beberapa tahun, Amerika Syarikat telah menghasilkan lebih 90% helium boleh guna komersial di dunia, manakala bakinya dihasilkan di loji-loji pengekstrakan di Kanada, Poland, Rusia dan beberapa negara lain. Pada pertengahan 1990-an, satu loji baru di Arzew, Algeria memulakan operasi. Ia menghasilkan 17 juta meter padu helium, dan jumlah ini cukup untuk memenuhi permintaan helium Eropah. Sementara itu, menjelang tahun 2000, penggunaan helium di dalam Amerika Syarikat telah meningkat sehingga lebih 15 juta kilogram setahun.[32] Pada tahun 2004-2006, dua loji baru telah dibangunkan di Ras Laffan, Qatar dan Skikda, Algeria. Algeria dengan pantas menjadi penghasil helium kedua terbesar di dunia.[33] Sepanjang tempoh ini, penggunaan helium dan kos pengeluarannya telah meningkat.[34] Dalam tempoh masa antara 2002 hingga 2007, harga helium telah berganda.[35]

Setakat 2012, Rizab Helium Kebangsaan Amerika Syarikat merangkumi 30 peratus helium seluruh dunia.[36] Rizab itu dijangka akan kehabisan helium pada tahun 2018.[36] Meskipun begitu, satu rang undang-undang yang diusulkan dalam Senat Amerika Syarikat akan membenarkan rizab ini untuk terus menjual helium. Rizab-rizab besar yang lain adalah di Hugoton di Kansas dan medan-medan gas berdekatan Kansas dan di panhandle Texas dan Oklahoma. Loji-loji helium yang baru dijadualkan untuk dibuka pada tahun 2012 di Qatar, Rusia dan negeri Wyoming di Amerika Syarikat, namun pembukaan loji-loji ini tidak dijangka akan memulihkan kekurangan gas ini.[36]