كيف اكتُشف عنصر بالنظر إلى الشمس؟
في آب 1868، خلال كسوف كلي رُئي من الهند، رصد الفلكي الفرنسي جول جانسن طيف بروز شمسي وسجّل خطًّا أصفر عند 587.6 نانومتر. كان قريبًا من خطوط الصوديوم، لكنه لم ينطبق على أي منها.
وفي السنة نفسها بلغ الإنجليزي نورمان لوكيير الاستنتاج ذاته واقترح أنه يخصّ عنصرًا مجهولًا. وسمّاه هيليوم، من اليونانية هيليوس، أي الشمس.
قوبل الاقتراح بالشك. فتأكيد وجود عنصر لم يلمسه أحد، استنادًا إلى خط ضوء فحسب، كان يتجاوز ما تقبله كيمياء ذلك العصر. ومرّت سبع وعشرون سنة حتى حصل ويليام رامزي، عام 1895، على الهيليوم في لندن بمعالجة معدن الكليفيت بحمض، فتحقق من أن طيفه يحمل الخط الأصفر نفسه.
الهيليوم هو العنصر الوحيد الذي عُرف خارج الأرض قبل أن يُعرف فيها.
لماذا هو خامل إلى هذا الحد؟
بسبب التوزيع 1s². إلكترونان يملآن الغلاف الأول تمامًا، وهذا الغلاف لا يقبل أكثر: سعة المدار 1s اثنان ولا شيء بعدهما.
والذرة ذات الغلاف الممتلئ لا تكسب شيئًا بمنح الإلكترونات أو بقبولها. طاقة تأيّن الهيليوم 2372 كيلوجول/مول، وهي الأعلى في الجدول الدوري كله. فانتزاع إلكترون منه أكلف منه من أي ذرة أخرى.
ولهذا الاستقرار عواقب تتجاوز الكيمياء. فنواة من بروتونين ونيوترونين مترابطة على نحو استثنائي، ولذلك كانت جسيمات ألفا المنبعثة في الاضمحلالات الإشعاعية أنوية هيليوم لا شظايا أخرى. وطاقة الربط لكل نوكليون في الهيليوم 4 قمة موضعية تهيمن على التخليق النووي النجمي كله.
ولا يُعرف مركّب مستقر للهيليوم في الظروف العادية. وقد وُصفت أنواع تحت ضغوط قصوى، مثل Na₂He فوق مليون جو، لكنها ليست كيمياء اعتيادية.
ما الهيليوم فائق السيولة؟
دون 2.17 كلفن يكفّ الهيليوم السائل عن السلوك كسائل عادي. ويُسمّى الانتقال نقطة لامدا لشكل منحنى السعة الحرارية النوعية.
في تلك الحالة، المسماة الهيليوم II، تصير اللزوجة غير متمايزة عن الصفر. يجري السائل عبر شعيرات بقطر لا يمرّ به أي مائع عادي. ويتسلّق جدران الوعاء في غشاء سمكه عشرات النانومترات ويخرج من حافته: فإن مُلئ كأس بهيليوم فائق السيولة وتُرك معزولًا أفرغ نفسه.
وتفوق موصليته الحرارية موصلية النحاس بمئات المرات. ولذلك لا يغلي الهيليوم فائق السيولة مكوّنًا فقاعات: فأي حرارة تتوزع بسرعة تجعل السطح يتبخر دون غليان موضعي. وعند عبور نقطة لامدا يهدأ حوض الهيليوم الذي كان يفور فجأة، وهذا التبدل المرئي هو العلامة الكلاسيكية في المختبر.
نال بيوتر كابيتسا جائزة نوبل عام 1978 عن هذا العمل. والظاهرة ناتجة عن كون ذرات الهيليوم 4 بوزونات تستطيع كلها احتلال الحالة الكمومية نفسها.
لماذا يندر على الأرض وهو وفير في الكون؟
للسبب نفسه الذي يخصّ الهيدروجين: الكتلة. تزن ذرة الهيليوم أربع وحدات وتتحرك بسرعة تكفي للإفلات من الغلاف الجوي الأرضي. أما الهيليوم البدئي من تكوّن الكوكب فقد ضاع منذ زمن بعيد.
وكل الهيليوم المتاح اليوم إشعاعي المنشأ. فاليورانيوم 238 والثوريوم 232 في صخور القشرة يبعثان جسيمات ألفا عند اضمحلالهما؛ ويلتقط كل جسيم ألفا إلكترونين فيصير ذرة هيليوم. والعملية بالغة البطء: عمر النصف لليورانيوم 238 يبلغ 4468 مليون سنة.
يهاجر هذا الهيليوم عبر الصخر ويتراكم تحت المصائد الجيولوجية نفسها التي تحتجز الغاز الطبيعي. والتركيز في معظم الحقول أدنى من أن يبرر الفصل. ولا تتجاوز العتبة الاقتصادية، نحو 0.3 %، إلا حقول قليلة — في كنساس وقطر والجزائر وروسيا.
ويجري الفصل بالإسالة التجزيئية: يُبرَّد الغاز الطبيعي حتى يتكثف كل ما عداه ويبقى الهيليوم، صاحب أدنى نقطة غليان موجودة، في الطور الغازي.
فيمَ يُستعمل، بعيدًا عن البالونات؟
البالونات جزء صغير ظاهر من استهلاك تقني في معظمه.
الاستعمال الرئيسي تبريد المغانط فائقة التوصيل. يحوي جهاز الرنين المغناطيسي ملفّات يجب أن تبقى دون حرارتها الحرجة، ولا يبلغ 4.2 كلفن سوى الهيليوم السائل. ويستوعب الجهاز النموذجي بين 1000 و2000 لتر. ويستخدم مصادم الهادرونات الكبير في CERN نحو 120 طنًا.
وفي اللحام بالقوس يحمي الهيليوم الحوض المنصهر من أكسجين الجو. وموصليته الحرارية العالية تنتج قوسًا أسخن من الأرغون، وهو ما يناسب الألومنيوم والنحاس.
وفي كشف التسريبات يُستفاد من كون ذرة الهيليوم صغيرة وخاملة كيميائيًا: يُضغط نظام بالهيليوم ويُبحث عنه من الخارج بمطياف كتلة. ويكشف تسريبات لا يُظهرها أي أسلوب آخر.
ويُستعمل كذلك في خلائط التنفس للغوص العميق بديلًا عن النيتروجين الذي يسبب عند الضغط العالي تخديرًا. وخليط الهيليوم والأكسجين، المسمى هيليوكس، يتيح العمل تحت الماء عند أعماق يصير فيها الهواء المضغوط معطّلًا.
وفي البحث يتيح الهيليوم 3 — نظير نادر جدًّا، نحو جزء واحد في المليون من الهيليوم الطبيعي — بلوغ حرارات أدنى بعد. فثلاجة التخفيف التي تمزج الهيليوم 3 بالهيليوم 4 تهبط دون بضعة ميلي كلفن، وهي التقنية التي تُبقي الحواسيب الكمومية فائقة التوصيل باردة.