ヘリウム

ヘリウム、  2He
赤い光が放射されている透明な管
ヘリウム
発音/ ˈ h iː l i ə m / ⓘ ​(ヒー-リー-əm )
外観無色の気体で、電界中に置かれると灰色の曇った輝き（または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)
  • 4.002 602 ± 0.000 002 [1]
  • 4.0026 ± 0.0001  （要約）[2]
周期表におけるヘリウム
水素ヘリウム
リチウムベリリウムボロン炭素窒素酸素フッ素ネオン
ナトリウムマグネシウムアルミニウムシリコンリン硫黄塩素アルゴン
カリウムカルシウムスカンジウムチタンバナジウムクロムマンガン鉄コバルトニッケル銅亜鉛ガリウムゲルマニウム砒素セレン臭素クリプトン
ルビジウムストロンチウムイットリウムジルコニウムニオブモリブデンテクネチウムルテニウムロジウムパラジウム銀カドミウムインジウム錫アンチモンテルルヨウ素キセノン
セシウムバリウムランタンセリウムプラセオジムネオジムプロメチウムサマリウムユーロピウムガドリニウムテルビウムジスプロシウムホルミウムエルビウムツリウムイッテルビウムルテチウムハフニウムタンタルタングステンレニウムオスミウムイリジウム白金金水銀（元素）タリウム鉛ビスマスポロニウムアスタチンラドン
フランシウムラジウムアクチニウムトリウムプロトアクチニウムウランネプツニウムプルトニウムアメリシウムキュリウムバークリウムカリホルニウムアインシュタイニウムフェルミウムメンデレビウムノーベリウムローレンシウムラザホージウムドブニウムシーボーギウムボーリウムハッシウムマイトネリウムダルムシュタットレントゲンコペルニシウムニホニウムフレロビウムモスコビウムリバモリウムテネシンオガネソン
–
↑
彼
↓
ね
水素←ヘリウム→リチウム
原子番号 （Z）2
グループ第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 位相ガス
沸点4.222 K (-268.928 °C、-452.070 °F)
密度 （STP）0.1786 g/L
液体時（ 沸点）0.125 g/cm 3
三重点2.177 K、5.043 kPa
臨界点5.1953 K、0.22746 MPa
融解熱0.0138  kJ/モル
蒸発熱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）
P （パ）1101001キロ1万10万
T （K）で   1.231.672.484.21
原子の性質
酸化状態共通: (なし)
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
  • 1位: 2372.3 kJ/モル
  • 2位: 5250.5 kJ/mol
共有結合半径午後28時 
ファンデルワールス半径午後1時40分
スペクトル範囲における色の線
ヘリウムのスペクトル線
その他の特性
自然発生原始的な
結晶構造六方最密充填（hcp）
ヘリウムの六方最密充填結晶構造
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 /mol (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
主な同位体[6]減衰
アイソトープ豊富半減期 （t 1/2）モード製品
3彼0.0002%安定した
4彼99.9998%安定した
 カテゴリー: ヘリウム
|参照

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ある。[a]ヘリウムの沸点はすべての元素の中で最も低く、標準圧力では融点がない。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%存在し、これはこれ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つの元素に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、恒星における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]、C.T.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の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よくあります。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ました。しかし、ロッカーだけがこの線が新しい元素によるものだと提唱し、太陽にちなんでその元素に名前をつけました。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、ペル・テオドール・クレーブ、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バイトからヘリウムが放出されていることを発見しました。クレーバイトは現在では独立した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、今日のガスの最大の供給国であるアメリカ合衆国の一部の天然ガス田で大量のヘリウム埋蔵量が発見されました。

液体ヘリウムは極低温技術（最大の用途で、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、気球や飛行船の浮揚ガスである。[21]密度が空気と異なるガスの場合と同様に、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、大気中の含有量は体積比で5.2 ppmである。現在地球上に存在するヘリウムのほとんどは、重い放射性元素（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る。このような崩壊で放出されるアルファ粒子はヘリウム4の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、体積比で最大7%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空間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蓄積される可能性があり、[24]火山活動によって放出された場合もあることが示唆されている。[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の際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想定されていました。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、それがナトリウムの既知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だと結論付けました。ロッカーは、太陽を意味するギリシャ語の ἥλιος ( helios )にちなんで、この元素に名付けました。 [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いう説もあるが、彼はこの新元素の存在を疑っていたため、これは考えにくい。語尾に「-ium」が付くのは珍しい。これは通常、金属元素にのみ適用されるためである。おそらく天文学者であったロッキヤーは、化学の慣習を知らなかったのだろう。[32]

鮮明な黄色、青、紫の線を重ね合わせた可視スペクトルの写真
ヘリウムのスペクトル線

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に、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]

地球上のヘリウムを発見したウィリアム・ラムゼイ卿
ラムゼイが初めてヘリウムを精製したクレヴィアイトのサンプル[34]

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、鉱物クレバイト（少なくとも10％の希土類元素を含むウラン鉱の一種）を鉱酸で処理して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・クレーブとアブラハム・ラングレがクレバ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]ラムゼーの発見に先立ち、アメリカの地球化学者ウィリアム・フランシス・ヒレブランドもヘリウムを単離していました。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を発見したのです。しかし、ヒレブランドはその線を窒素によるものだと主張しました。[43]彼がラムゼーに送った祝辞は、科学における発見、そして発見寸前の興味深い事例を示しています。[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透過させ、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ヘリウムを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。オンネスの弟子ウィレム・ヘンドリック・キーソムは、1926年に外部から圧力をかけることで、最終的に1 cm 3のヘリウムを固体化することに成功した。[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、その中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、1896年にζ Puppis星のスペクトル中にこれまで知られていなかった線の観測を発表したエドワード・チャールズ・ピカリングにちなんで名付けられた（これらの線は現在ではウォルフ・ライエ星や他の高温の星でも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）が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）。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、これらのスペクトル線を電離ヘリウムHe +に帰属させた。[60]ファウラーは当初懐疑的だったが[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]決定的に[水素から]ヘリウムへ移行した」。[53] [63]ボーアのピカリング系列に関する理論的研究は、「古典理論の中で既に解決されていると思われた問題の再検討」の必要性を示し、彼の原子論に重要な裏付けを与えた。[53]

1938年、ロシアの物理学者ピョートル・レオニドヴィチ・カピツァは、ヘリウム4は絶対零度に近い温度では粘性がほとんどないことを発見しました。この現象は現在では超流動と呼ばれています。[64]この現象はボーズ・アインシュタイン凝縮に関連しています。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、同じ現象がヘリウム3で、ただし絶対零度にずっと近い温度で観測されました。ヘリウム3のこの現象は、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ます。[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 Kから1.78 Kまでの狭い圧力範囲で存在する。[66]

抽出と使用

カンザス州デクスター近郊で大量のヘリウムが発見されたことを示す歴史的標識

1903年、カンザス州デクスターで石油掘削作業中に燃えないガス間欠泉が見つかった後、カンザス州の地質学者エラスムス・ハワースは、漏れ出るガスのサンプルを採取し、ローレンスにあるカンザス大学に持ち帰り、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協力を得て、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にのみ可燃性の割合）、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]さらなる分析で、ケイディとマクファーランドは、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地下に大量に存在し、天然ガスの副産物として抽出できることを示した。[70]

リチャード・スレルフォール卿の提案を受け、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ました。その目的は、不燃性で空気より軽いヘリウムガスを防空砲に供給することでした。この計画では、それまでに得られたヘリウムガスは1立方メートルにも満たなかったにもかかわらず、92%のヘリウムを合計5,700立方メートル（20万立方フィート）生産しました。[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級飛行船C-7に使用されました。C-7は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いました。 [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で建造されたUSSシェナンドーが1923年9月に飛行する約2年前のことでした。

第一次世界大戦中には低温ガス液化による抽出プロセスは開発が間に合わず、実用化には至らなかったものの、生産は継続されました。ヘリウムは主に軽航空機の揚力ガスとして利用されました。第二次世界大戦中は、揚力ガスとシールドアーク溶接用のヘリウムの需要が増加しました。ヘリウム質量分析計は、原爆マンハッタン計画においても不可欠な役割を果たしました。[72]

アメリカ合衆国政府は1925年、テキサス州アマリロに国家ヘリウム備蓄を設立し、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標としていた。 [29]当時米国が生産を独占していた希少ヘリウムの輸出を禁止した1925年ヘリウム法と、ヘリウムガスの法外な価格のため、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、これがヒンデンブルク号の事故で悪名を馳せることになる。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/水素ロケット燃料製造用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年のアメリカ合衆国におけるヘリウム使用量は、戦時中のピーク時の8倍以上となった。[73]

1960年のヘリウム法改正（公法86-777）後、米国鉱山局は5つの民間プラントに天然ガスからのヘリウム回収を委託しました。このヘリウム保全プログラムのため、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、これらのプラントとテキサス州アマリロ近郊にある政府所有の部分的に枯渇したクリフサイドガス田を接続しました。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、その後さらに精製されました。[74]

1995年までに10億立方メートルのガスが採取され、埋蔵量は14億ドルの負債を抱えたため、 1996年に米国議会は埋蔵量の廃止を決定した。[27] [75]結果として成立した1996年ヘリウム民営化法[76]（公法104–273）は、米国内務省に埋蔵量を空にするよう指示し、2005年までに売却を開始することとした。[77]

1930年から1945年の間に生産されたヘリウムの純度は約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ました。1990年代半ば、アルジェリアのアルズーに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、ヨーロッパ全体の需要を満たすのに十分な生産量となりました。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以上に増加しました。[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ました。アルジェリアはすぐにヘリウムの第2位の生産国になりました。[80]この間、ヘリウムの消費量と生産コストはともに増加しました。[81] 2002年から2007年にかけて、ヘリウムの価格は倍増しました。[82]

2012年時点で、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、備蓄がガスの販売を継続することを可能にするものであった。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、同州近郊のガス田、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に新しいヘリウム工場が開設される予定だったが、ヘリウム不足の緩和にはつながらないと予想されていた。[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年のカタールの外交危機は同国のヘリウム生産に深刻な影響を与えました。[85] 2014年は、長年にわたる有名なヘリウム不足に続き、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

中心からグレースケールの密度が減少する、拡散した灰色の球体の画像。長さスケールは約1オングストローム。挿入図には、長さスケール1フェムトメートルに2つの赤色原子と2つの青色原子を含む核構造の概略が示されている。
ヘリウム原子。核（ピンク）と電子雲の分布（黒）が描かれている。ヘリウム4の核（右上）は実際には球対称で、電子雲とよく似ているが、より複雑な核では必ずしもそうではない。

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番目にモデル化しやすい原子です。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、3つ以上の粒子からなる系を厳密な解析的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手法は、わずか数ステップの計算で、正しい値の2%未満という精度でヘリウムの電子結合の量子力学的描像を作成するために使用されています。[88]このようなモデルは、ヘリウム中の各電子が部分的に他の電子から原子核を遮蔽し、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電荷にならないことを示しています。

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。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法則に従う（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）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、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）は非結合である。[90]

例えば、ヘリウムの電子雲状態の安定性と低エネルギーは、ヘリウムの化学的不活性、そしてヘリウム原子同士の相互作用がほとんどないことで、すべての元素の中で最も低い融点と沸点を生み出している。同様に、同様の効果によって生じるヘリウム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を伴う原子反応においてヘリウム4を容易に生成できることを説明している。安定なヘリウム3（陽子2個と中性子1個）は水素からの核融合反応で生成されるが、宇宙におけるその存在量は約1000万個と推定されている。ヘリウム4に対して10 −5である。 [91]

一般的な同位体の核子あたりの結合エネルギー。ヘリウム4の粒子あたりの結合エネルギーは、近隣の核種すべてよりも大幅に大きい。

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、当初約6:1の比率で生成された自由陽子と中性子の「スープ」が核結合が可能な温度まで冷却された結果、最初に形成された複合原子核のほぼすべてがヘリウム4原子核であったという事実を、この安定性が説明しています。ヘリウム4原子核は比較的強い結合力を持つため、その生成には数分間でほぼすべての自由中性子がベータ崩壊する前に消費され、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がほとんどありませんでした。ヘリウム4の核子当たりの結合力はこれらの元素のどれよりも強い（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]ヘリウムが核子当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、この過程では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、初期膨張宇宙が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冷えるまで、大量の炭素が形成される時間はなかった。このため、初期宇宙の水素/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に対してヘリウム41）、宇宙のほぼすべての中性子はヘリウム4に閉じ込められていた。

地球のような岩石惑星や炭素系生命体、その他の生命に必要な元素を含む、より重い元素はすべて、ビッグバン以来、ヘリウムを核融合させるほど高温の恒星で生成されてきた。今日、水素とヘリウム以外の元素は、宇宙の原子物質の質量のわずか2%を占めるに過ぎない。対照的に、ヘリウム4は宇宙の通常の物質、つまり水素以外の通常の物質のほぼすべてを占める約24%を占めている。[91] [93]

ガス相とプラズマ相

Hとeの文字の形をした明るい赤色のガス放電管
元素記号「He」の形をしたヘリウム放電管。

ヘリウムはネオンに次いで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番目に反応性が低い。[94]ヘリウムは化学的に不活性で、あらゆる標準条件下で単原子状態にある。ヘリウムのモル（原子）質量が比較的低いため、気相における熱伝導率、比熱、音速はすべて水素を除く他のどの気体よりも大きい。これらの理由とヘリウム単原子分子の小ささにより、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]

ヘリウムは最も水溶性の低い単原子気体であり、[95]あらゆる気体の中でも最も水溶性の低いものの 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) 未満でのみ、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。

地球外ヘリウムの大部分は恒星中のプラズマであり、原子ヘリウムとは全く異なる性質を持つ。プラズマ中では、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電離していない場合でも、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、太陽風中では、荷電粒子は電離した水素と共に地球の磁気圏と相互作用し、ビルケランド電流やオーロラを発生させる。[98]

液相

ヘリウム4の状態図。（大気圧は約0.1MPa）
液化ヘリウム。このヘリウムは液体であるだけでなく、超流動点まで冷却されています。ガラスの底にある液滴は、ヘリウムが容器の側面から自然に漏れ出し、容器の外に排出される様子を表しています。このプロセスに必要なエネルギーは、落下するヘリウムの位置エネルギーによって供給されます。

ヘリウムは大気圧下で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あり、具体的には、系の零点エネルギーが高すぎて凍結できないためです。凍結するには約25気圧以上の圧力が必要です。ヘリウムには2つの液相があります。ヘリウムIは通常の液体であり、より低温で存在するヘリウム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、通常の無色の液体状態、ヘリウムIとして存在します。[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、そのため表面が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球がよく使用されます。 [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の特性を示します。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）によって原子の特性が隠されないことによる影響であると考えられます。[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、非常に特異な特性を示す。高い熱伝導率のため、沸騰しても泡立つことなく、表面から直接蒸発する。ヘリウム3も超流動相を示すが、その温度ははるかに低いため、この同位体の特性についてはあまり知られていない。[29]

一つの容器の中にもう一つの容器が入った断面図。外側の容器には液体が入っており、内側の容器の壁を越えて内側の容器に流れ込む傾向があります。
通常の液体とは異なり、ヘリウムIIは表面を伝って移動し、同じ高さまで達しようとします。しばらくすると、2つの容器内の液面は等しくなります。ローリンフィルムは大きな容器の内側も覆っています。もし密閉されていなければ、ヘリウムIIは漏れ出てしまうでしょう。[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、10～100nmという細い毛細管を流れる際には、測定可能な粘度は示されない。[27]しかし、2枚の可動円板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の二流体モデルを用い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振る舞う励起状態のヘリウム原子が一定量含まれていると考えられる。[100]

噴水効果では、焼結ディスクを介してヘリウムIIの貯蔵庫に接続されたチャンバーが構築されます。焼結ディスクは超流動ヘリウムを容易に漏出させますが、非超流動ヘリウムは通過できません。容器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します。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出することで圧力が上昇し、容器から液体が噴出します。[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、第二音波と呼ばれる現象を引き起こす。[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より温かい領域に到達し、そこで蒸発する。ヘリウム II は表面の材質に関わらず 30 nm の厚さの膜となって移動する。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性質のため、ヘリウム II を閉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と、ヘリウム II は表面やバルブに沿ってクリープし、より温かい領域に到達して蒸発する。ローリン膜を伝播する波は浅瀬の重力波と同じ方程式に従いますが、重力ではなく、復元力はファンデルワールス力です。[104]これらの波は第三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、固体と液体を区別することは難しい場合が多い。固体ヘリウムは融点が鋭く、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]高温では、ヘリウムは十分な圧力で固体化する。室温では約114,000気圧が必要である。[110]

ヘリウム4とヘリウム3はいずれも複数の結晶性固体相を形成し、いずれも少なくとも25気圧を必要とする。いずれも六方最密充填（hcp）結晶構造を持つα相、面心立方（fcc）結晶構造を持つβ相、そして体心立方（bcc）結晶構造を持つγ相を形成する。 [111]

同位体

ヘリウムには9つの同位体が知られており、そのうちヘリウム3とヘリウム4の2つが安定している。地球の大気中では、1つの原子が3
彼は100万人ごとに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起源によって大きく異なり、これは生成過程の違いによる。最も一般的な同位体であるヘリウム4は、地球上ではより重い放射性元素のアルファ崩壊によって生成される。生成されるアルファ粒子は完全に電離したヘリウム4の原子核である。ヘリウム4は、核子が完全な殻状に配列しているため、非常に安定した原子核である。また、ビッグバン元素合成の際にも大量に生成された。[112]

ヘリウム3は地球上に微量しか存在しません。そのほとんどは地球形成以来存在していますが、一部は宇宙塵に閉じ込められて地球に降り注いでいます。[113]また、微量のヘリウム3はトリチウムのベータ崩壊によっても生成されます。[114]地殻の岩石は同位体比が最大10倍も変化し、これらの比は岩石の起源や地球マントルの組成を調べるのに用いられます。[113] 3
彼は核融合の産物として恒星中にはるかに多く存在する。したがって、星間物質中の3
彼は4
地球の約100倍の高さです。[ 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が含まれています。月の表面には10ppb程度のヘリウム3の濃度が含まれており、これは地球の大気中の約5pptよりもはるかに高い値です。[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きました。

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。等量の液体混合物3
彼と4
彼は以下0.8 Kでは、それらの相似性の違いにより、2つの混ざら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] 希釈冷凍機はこの非混和性を利用して、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が可能です。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]

温度（K）密度（kg/m^3）比熱（kJ/kg °C）動粘度（kg/ms）動粘度（m^2/s）熱伝導率（W/m °C）熱拡散率（m^2/s）プラントル数
1005.1939.63E-061.98E-050.0732.89E-050.686
1200.4065.1931.07E-052.64E-050.08193.88E-050.679
1440.33795.1931.26E-053.71E-050.09285.28E-050.7
2000.24355.1931.57E-056.44E-050.11779.29E-050.69
2550.19065.1931.82E-059.55E-050.13571.37E-040.7
3660.13285.1932.31E-051.74E-040.16912.45E-040.71
4770.102045.1932.75E-052.69E-040.1973.72E-040.72
5890.082825.1933.11E-053.76E-040.2255.22E-040.72
7000.070325.1933.48E-054.94E-040.2516.66E-040.72
8000.060235.1933.82E-056.34E-040.2758.77E-040.72
9000.054515.1934.14E-057.59E-040.331.14E-030.687
10005.1934.46E-059.14E-040.3541.40E-030.654

化合物

ヘリウム水素化物イオンの構造、[122] HeH +
疑わしいフルオロヘリウムアニオンOHeFの構造

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ません。[107]電離していない限り電気絶縁体です。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、電離ポテンシャル以下の電圧で放電しても電離した状態を維持できます。[29]ヘリウムは、グロー放電、電子衝撃、またはその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します。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+
この方法で生成された例もある。[123] HeH +も基底状態では安定しているが、極めて反応性が高い。これは既知の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 も生成している。[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。[124]

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。[125]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。[126]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。[ 127 ]

ヘリウム原子は、高圧加熱によって中空炭素ケージ分子（フラーレン）に挿入されます。形成された内包フラーレン分子は高温でも安定です。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ります。[128]ヘリウム3を使用すれば、ヘリウム核磁気共鳴分光法によって容易に観測できます。[129]ヘリウム3を含むフラーレンは数多く報告されています。ヘリウム原子は共有結合やイオン結合で結合していませんが、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ます。

高圧下では、ヘリウムは様々な他の元素と化合物を形成する。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の圧力下で室温にて成長した。[130]絶縁性 電子化物 Na 2 Heは、113 GPaを超える圧力下で熱力学的に安定していることが示されている。これは蛍石型構造を有する。[131]

発生と生成

自然の豊かさ

地球上では稀少ではあるものの、ヘリウムは既知の宇宙で2番目に豊富な元素であり、そのバリオン質量の23%を占めています。ヘリウムより豊富なのは水素のみです。[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ました。そのため、その存在量の測定は宇宙論モデルに貢献しています。最初の分子結合は、原始ヘリウム原子が陽子と結合してヘリウム水素化物イオン[132] HeH +を形成したときに形成されました。恒星では、ヘリウムは陽子-陽子連鎖反応と恒星元素合成の一部であるCNOサイクルにおける水素の核融合によって生成されます。[112]

地球の大気圏では、ヘリウムの体積濃度はわずか5.2 ppmです。[133] [134]地球の大気圏のヘリウムのほとんどはいくつかのプロセスによって宇宙に逃げてしまうため、新しいヘリウムが継続的に生産されているにもかかわらず、濃度は低く、ほぼ一定です。[135] [136] [137]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す。

地球上のヘリウムの大部分は放射性崩壊によって生成する。ヘリウムは、閃ウラン鉱とその変種であるクレバイトやピッチブレンド[19] [138]、カルノータイトやモナザイト（グループ名。「モナザイト」は通常モナザイト-(Ce)を指す）[139] [140]などのウランやトリウムの鉱物に多量に含まれる。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、岩石圏全体で年間約3000トンのヘリウムが生成されていると推定される。[141] [142] [143]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、隕石中の鉄にも少量含まれています。ヘリウムは天然ガスと同程度の条件下で地下に閉じ込められているため、地球上で最も高いヘリウム濃度を持つ天然ガスは天然ガス中に存在し、商業用ヘリウムの大部分は天然ガスから抽出されています。その濃度は、ニューメキシコ州サンファン郡の小規模ガス田では数ppmから7%以上まで、幅広い範囲で変化します。[144] [145]

2021年現在、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。[146] 2015年と2016年には、北米のロッキー山脈の地下[147]と東アフリカ大地溝帯[25]にも追加の推定埋蔵量があると発表された。

土地管理局（BLM）は、コロラド州西部における天然資源管理のための2024年10月計画を提案しました。この計画では、54万3000エーカーの土地を石油・ガス採掘のリースから閉鎖し、69万2300エーカーを開放したままとしています。開放された土地のうち、16万5700エーカーがヘリウム回収に適していると特定されています。アメリカ合衆国は、回収可能なヘリウムを推定3060億立方フィート保有しており、これは現在の年間21億5000万立方フィートの消費量を約150年間賄うのに十分な量です。[148]

現代の抽出と流通

空気からヘリウムを抽出するのは経済的ではない。[149] 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。[150]ヘリウムの沸点は他の元素よりも低いため、他のほぼすべてのガス（主に窒素とメタン）を液化するためには低温高圧が使用される。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、その際に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、製造された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] [151]

2008年には、およそ1億6900万標準立方メートル（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、そのうちおよそ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、カタールからであった。[152] 2013年までに、カタール（エア・リキードが経営するカタールガス社）でのヘリウム生産の増加により、カタールが世界のヘリウム生産量に占める割合は25％にまで増加し、米国に次ぐ世界第2位のヘリウム輸出国となった。[153] 2024年には、米国がカタールを抜いて世界最大のガス生産国となり、その年のヘリウム抽出量は6800万SCMであったのに対し、カタールは6400万SCMであった。[154] 2016年にタンザニアで 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、[155] 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。[156]

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] [157]このガスの多くはかつてパイプラインで国立ヘリウム埋蔵量に送られていましたが、2005年以降、この埋蔵量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した[153] 。 [158]残りの埋蔵量を2021年に売却する努力にもかかわらず、国立ヘリウム埋蔵量の残りは、3年にわたって土地管理局によって競売にかけられました。 [159] [160] [161]最終的に2024年6月27日にメッサーグループ[162]に売却されました。 [154]米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。[163]

特殊な半透膜やその他の障壁を介した原油天然ガスの拡散は、ヘリウムを回収して精製する別の方法です。[164] 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。[165]当時の使用量（米国で年間7200万SCM、下の円グラフを参照）では、これは米国の約58年間のヘリウム使用量に相当し、世界の使用量ではこれよりも少なく（おそらく80％の時間）、ただし、節約と処理の要因が有効な埋蔵量に影響します。

ヘリウムは液体または気体で市販されています。液体の場合は、最大1,000リットルのヘリウムを収容できるデュワーと呼ばれる小型断熱容器、または公称容量が最大42 m ³（約11,000米ガロン）の大型ISO容器で供給されます。気体の場合は、少量のヘリウムは最大8 m ³（約0.282標準立方フィート）の高圧ボンベで供給され、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）のチューブトレーラーで供給されます。

自然保護活動家

ノーベル賞受賞物理学者ロバート・コールマン・リチャードソンをはじめとするヘリウム保護論者は、2010年の論文で、ヘリウムの自由市場価格が「無駄な」使用（例えばヘリウム風船など）につながっていると指摘している。2000年代の価格は、米国議会が2015年までに国内の膨大なヘリウム備蓄を売却することを決定したことで引き下げられた。[22]リチャードソンは、ヘリウムの過剰な浪費をなくすには、ヘリウム価格を20倍にする必要があると主張した。ナットールらは2012年に発表した論文「ヘリウムの浪費を止めよう」の中で、持続可能なヘリウム市場を構築するための国際ヘリウム機関の設立を提案した。[166]

アプリケーション

中央に穴が開いており、側面にレールが取り付けられた大きな固体の円筒。
液体ヘリウムの最大の用途は、最新のMRI スキャナーの超伝導磁石を冷却することです。
2014年の米国におけるヘリウム使用量（カテゴリー別）の推定値。総使用量は3,400万立方メートル。[167]
  1. 極低温工学（32.0%）
  2. 加圧およびパージ（18.0％）
  3. 溶接（13.0％）
  4. 制御された雰囲気（18.0％）
  5. 漏れ検出（4.00％）
  6. 呼吸用混合物（2.00％）
  7. その他（13.0％）

ヘリウムの用途としておそらく風船が最もよく知られているが、ヘリウムの用途全体から見ればほんの一部に過ぎない。[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活かされる多くの用途に使用されている。2014年の世界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使われている。[168]その他の主な用途は、加圧およびパージシステム、溶接、制御雰囲気の維持、リーク検出などである。その他の用途はカテゴリー別では比較的少ない割合であった。[167]

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成長、チタンやジルコニウムの製造、ガスクロマトグラフィー[107]において保護ガスとして使用されます。また、その不活性性、熱的・熱量的に完全な性質、高い音速、そして高い熱容量比のため、超音速風洞[169]やインパルス施設[170]でも有用です。

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体化した材料のアーク溶接プロセスにおいて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。

マイナーユース

産業用リーク検出

部屋に置かれた金属製のフレームを持つ大型の装置（約 3×1×1.5 m）の写真。
デュアルチャンバーヘリウムリーク検出機

ヘリウムの産業用途の一つにリーク検出がある。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）や高圧容器のリーク検出にトレーサーガスとして用いられる。 [171]検査対象物をチャンバーに入れ、真空引きした後、ヘリウムで充填する。リーク部から漏れたヘリウムは、10 −9 mbar·L/s (10 −10 Pa·m 3 /s)という低リーク速度でも、高感度装置（ヘリウム質量分析計）によって検出される。測定手順は通常自動で行われ、ヘリウム積分試験と呼ばれる。より簡便な方法として、検査対象物をヘリウムで充填し、携帯型装置を用いて手動でリークを探す方法がある。[172]

亀裂からのヘリウムの漏洩は、バルク材料を透過するガスの透過と混同すべきではありません。ヘリウムはガラス、セラミック、合成材料を透過する際の透過定数（したがって透過速度は計算可能）が記録されていますが、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ません。[173]

フライト

グッドイヤー・ブリンプ
ヘリウムは密度が低く不燃性であるため、グッドイヤー飛行船などの飛行船に充填するガスとして最適です。

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。水素ガスは浮力が大きく、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、実際に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に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するため、そして宇宙船内で液体水素を予冷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]

軽度の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ので、深度が深くなる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。 [174] [175]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、ヘリウムの低分子量は混合物の密度を下げることによって呼吸の努力を大幅に軽減することが分かっています。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。[176] [177] 150メートル（490フィート）以下の深さでは、ヘリウムと酸素の混合ガスを呼吸しているダイバーは、震えや精神運動機能の低下、高圧神経症候群の症状を経験し始めます。[178]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、ある程度打ち消すことができます。[179]

ヘリウムネオンレーザーは赤色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りましたが、その後、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ました。[27]

ヘリウムは不活性で高い熱伝導性、中性子透過性があり、原子炉条件下で放射性同位体を形成しないため、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。[171]

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。[180]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。[181]

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。[182]

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における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、真空密閉型の望遠鏡筒では重すぎる太陽望遠鏡で特に使用されます。[183] ​​[184]

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。

ウランや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]

低温ヘリウムは、極低温学や特定の極低温用途に利用されています。用途例としては、液体ヘリウムは、磁気共鳴画像法（MRI ）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ます。欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）は、 96トンの液体ヘリウムを使用して、温度を1.9 K（-271.25 °C、-456.25 °F）に維持しています。[185]

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。[186] [187]

汚染物質として

化学的には不活性ですが、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ります。[188]

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。

ヘリウムが人間の声に与える影響
ヘリウムが人間の声に与える影響
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ヘリウム中の音速は、空気中の音速の約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] [189]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が増幅されます。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る）は変化しません。 [190]しかし、高周波数優先増幅は増幅された音の音色を変化させ、結果として葦のようなアヒルのような声質となる。六フッ化硫黄やキセノンなどの高濃度ガスを吸入することで、共鳴周波数を下げるという逆の効果が得られる。

危険

ヘリウム
危険
GHSラベル：
GHS04: 圧縮ガス
警告
H280
P410+P403 [191]
NFPA 704（ファイアダイヤモンド）
[191]
NFPA 704 4色ダイヤモンドHealth 1: Exposure would cause irritation but only minor residual injury. E.g. turpentineFlammability 0: Will not burn. E.g. waterInstability 0: Normally stable, even under fire exposure conditions, and is not reactive with water. E.g. liquid nitrogenSpecial hazards (white): no code
1
0
0

ヘリウムを過剰に吸入すると危険である。ヘリウムは単純な窒息剤であり、正常な呼吸に必要な酸素と置き換わるからである。[27] [192] 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2人の成人など、死亡例が記録されている。[193] [194] 1998年には、オーストラリアのビクトリア州の少女がパーティー用風船の中身をすべて吸入した後、意識を失い、一時的に顔が青ざめた。 [195] [196] [197]加圧シリンダーや風船充填バルブからヘリウムを直接吸入することは、高流量と高圧力により気圧外傷を引き起こし、致命的な肺組織の破裂を引き起こす可能性があるため、極めて危険である。 [192] [198]

ヘリウムによる死亡はまれである。メディアで初めて記録された症例は、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原因は不明である。[195] [196] [197]

アメリカ合衆国では、2000年から2004年の間に報告された死亡者は2人のみで、これには2002年にノースカロライナ州で気圧外傷で死亡した男性が含まれている。[193] [198] 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。[193]その後、2006年には南フロリダで2人の成人が窒息死し、[193] [194] [199] 2009年と2010年にも事例があり、そのうちの1人はカリフォルニア州の若者で、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。[200]また北アイルランドでは10代の若者が窒息死した。[201]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。[202] [203] [204]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。[205]

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日に行われた同局の本番組収録中に、ゲームで大量のヘリウムガスを吸入した際に気泡が脳への血流を阻害し、意識不明・昏睡状態となる「空気塞栓症」を起こしてい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。 [206] [207]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ものの、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。[208] [209]

極低温ヘリウムの安全性の問題は液体窒素と同様です。極低温のため低温火傷を引き起こす可能性があり、また、圧力緩和装置が設置されていない場合、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ります。5～10Kのヘリウムガスの容器は、10K未満のヘリウムガスを室温まで温めると急速かつ顕著な熱膨張が発生するため、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ります。[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ことで、この問題を軽減することができます。[210] [178]

参照

注記

  1. ^ 少数の著者は、ヘリウムを希ガス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主張している。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連する傾向がある。つまり、どのタイプの第 1 軌道も異常に小さい。これは、より高い類似体とは異なり、同じタイプのより小さな軌道との電子間反発を受けないためである。軌道の大きさのこの傾向のため、第 1 族および第 13 ～ 17 族では、各主族の最初と 2 番目の元素間で原子半径に大きな差が見られます。これはネオンとアルゴン、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。これは同様に、ヘリウムがネオンに近すぎる場合の希ガスの沸点や水への溶解度にも影響し、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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  15. ^ CTヘイグ大尉 (1868)「1868年8月18日の日食の分光観測に関する報告」ロンドン王立協会紀要、17  : 74–80。74ページより：「私は、互いに近接した二つの赤い炎のスペクトルを観察し、そのスペクトルには二つの幅の広い明るい帯が極めて明確に区別されており、一つは茜色、もう一つは淡い金色であったことを直ちに述べることができる。」
  16. ^ ポグソンは1868年の日食の観測結果を地元インディアン政府に提出したが、報告書は公表されなかった。(ビーマン・B・ナス著『ヘリウムの物語と天体物理学の誕生』（ニューヨーク、ニューヨーク：シュプリンガー、2013年）、8ページ。) しかし、ロッカーは彼の報告書から引用した。ロッカー、J・ノーマン（1896年）「ヘリウムの物語。序文」『ネイチャー』第53巻第319～322ページ、 2018年8月17日アーカイブ。  「ポグソンは1868年の日食について、黄色の線は『Dか、Dの付近にあった』と述べた。」
  17. ^ ジョン・ハーシェル中尉 (1868)「ボンベイ管区のジャムカンディで見た1868年の日食の記録」『ロンドン王立協会紀要』 17 :  104–120。113ページより：「皆既日食の瞬間が近づくにつれ、…D線付近のスペクトルの輝度が増大していくのを記録しました。その輝度は非常に高かったため、ちょうど良い雲が光を弱めるまでは、その線を測定できませんでした。このことについては、いかなる説明もできません。」117ページより：「また、機器の性能がD線と同一であることを証明する限りにおいて、オレンジ線がD線と同一であることに疑問の余地はないと考えています。」
  18. ^ 1868年の日食に関するフランス科学アカデミーへの最初の報告書では、ヤンセンは太陽スペクトルの黄色い線について何も言及していない。参照：
    • Janssen (1868) 「Indication de quelques-uns des résultats obtenus à Cocanada、pendant l'éclipse du mois d'août dernier, et à la suite de cette éclipse」（昨年 8 月の日食中とその日食後にコカナダで得られた結果の一部に関する情報）、Comptes rendus ... 、67  : 838–839。
    • Wheeler M. Sears, Helium: The Disappearing Element (Heidelberg, Germany: Springer, 2015), p. 44.
    • フランソワーズ・ローネ、ストーム・ダンロップ訳『天文学者ジュール・ヤンセン：天体物理学の世界旅行家』（ハイデルベルク、ドイツ：シュプリンガー、2012年）、45ページ。
    しかしその後、1868年12月19日付のシャルル・サント＝クレール・ドヴィル宛の未発表の書簡の中で、ヤンセンはドヴィルに対し、フランス科学アカデミーに以下のことを報告するよう依頼した。「8月18日のプロミネンスのスペクトルの一部は、明るいD線であったと複数の観測者が主張しています。明るい黄色の線は確かにD線に非常に近かったのですが、その光はD線よりも屈折しやすい（つまり波長が短い）ものでした。その後の太陽研究によって、私がここで述べたことが正確であることが証明されました。」（参照：(Launay, 2012)、45ページ）
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