Các nhà khoa học đã biết lâu nay rằng các nguyên tố dồi dào nhất trong Vũ trụ là những chất khí đơn giản như hydrogen và helium. Chúng chiếm phần lớn khối lượng quan sát được của Vũ trụ, nhiều hơn toàn bộ những nguyên tố nặng hơn kia cộng lại. Và giữa hai chất khí đó, helium là nguyên tố nhẹ thứ hai và dồi dào thứ hai, có mặt trong khoảng 24% khối lượng nguyên tố của Vũ trụ quan sát được.
Trong khi chúng ta có xu hướng nghĩ Helium là chất khí vui nhộn làm trò đổi giọng nói của bạn và cho phép các khí cầu bay lên, nhưng nó thật sự là một phần thiết yếu cho sự tồn tại của chúng ta. Ngoài việc là một thành phần chủ chốt của các sao, helium còn là một thành phần chính của các hành tinh khí khổng lồ. Nguyên nhân một phần là do năng lượng liên kết hạt nhân rất cao của nó, cộng với thực tế nó được sinh ra bởi phản ứng nhiệt hạt nhân lẫn sự phân rã phóng xạ. Và chưa hết, các nhà khoa học chỉ mới nhận ra sự tồn tại của nó từ cuối thế kỉ 19.
Khám phá và đặt tên
Bằng chứng đầu tiên của helium thu được vào ngày 18 tháng 8 năm 1868 bởi nhà thiên văn học người Pháp Jules Janssen. Trong khi ở Guntur, Ấn Độ, Janssen đã quan sát một kì nhật thực nhìn qua lăng kính, trên đó ông để ý một vạch phổ màu vàng rực (tại 587,49 nm) phát ra từ sắc quyển của Mặt trời. Lúc ấy, ông tin nó là sodium (Na), vì nó xấp xỉ với các vạch phổ Fraunhofer D1 và D2.
Dãy Fraunhofer là các vạch tối hấp thụ trong quang phổ tương ứng với các nguyên tố hóa học khác nhau. Ảnh: eventbrite.com
Vào ngày 20 tháng 10 cùng năm 1868, nhà thiên văn học người Anh Norman Lockyer quan sát thấy một vạch màu vàng trong quang phổ mặt trời (ông đặt tên là vạch phổ Fraunhofer D3) mà ông kết luận đó là do mọt nguyên tố chưa biết có trong Mặt trời. Lockyer và nhà hóa học người Anh Edward Frankland đặt tên cho nguyên tố là helios, tiếng Hi Lạp nghĩa là Mặt trời.
Các đặc trưng
Helium là nguyên tố đơn giản thứ hai xét về phương diện cấu trúc nguyên tử, đứng sau hydrogen. Nó gồm một hạt nhân với hai proton và hai neutron, cùng với hai electron ở lớp vỏ ngoài. Dạng thường gặp nhất là Helium-4 mà người ta tin rằng là sản phẩm của sự tổng hợp hạt nhân Big Bang. Sự kiện này, tồn tại từ lúc 10 giây đến 20 phút sau Big Bang, được đặc trưng bởi sự sản sinh các hạt nhân khác ngoài đồng vị nhẹ nhất của hydrogen (tức là hydrogen-1 có một proton trong hạt nhân).
Người ta cho rằng sự kiện này đã sản sinh phần lớn helium-4, cùng với những lượng nhỏ các đồng vị hydrogen, helium và lithium. Tất cả những nguyên tố nặng hơn khác được tạo ra muộn hơn nhiều, do sự tổng hợp hạt nhân sao. Những lượng lớn helium mới đã và đang được tạo ra cũng bởi quá trình này, trong đó nhiệt và áp suất tại lõi của các sao làm cho các nguyên tử hydrogen hợp nhất.
Minh họa cấu trúc nguyên tử của helium. Ảnh: Wikipedia Commons
Hạt nhân của nguyên tử helium-4 giống hệt với hạt alpha, hai proton và hai neutron kết hợp được tạo ra trong quá trình phân rã alpha (trong đó một nguyên tố phân hủy, giải phóng khối lượng và trở thành nguyên tố khác). Tính trơ của helium là do mức ổn định và năng lượng thấp của trạng thái đám mây electron của nó, trong đó toàn bộ các electron của nó chiếm giữ toàn bộ các orbital 1s theo cặp, không còn moment động lượng và mỗi hạt triệt tiêu spin nội của hạt kia.
Sự ổn định cũng lí giải sự thiếu tương tác của các nguyên tử helium với nhau, khiến helium là nguyên tố có điểm nóng chảy và điểm sôi thấp nhất.
Lịch sử ứng dụng
Đã có thời người ta tin rằng helium chỉ tồn tại trên Mặt trời. Tuy nhiên, vào năm 1882, nhà vật lí người Italy Luigi Palmieri đã phát hiện helium trên Trái đất khi phân tích dung nham từ ngọn núi Vesuvius sau khi nó phun trào vào năm ấy. Và vào năm 1895, trong khi tìm kiếm argon, nhà hóa học người Scotland William Ramsey đã tách được helium bằng cách xử lí một mẩu cleveite bằng acid vô cơ. Sau khi xử lí nguyên tố với acid sulfuric, ông để ý thấy chính vạch hấp thụ D3.
Ramsey đã gửi mẫu chất khí đến William Crookes và Norman Lockyer, họ xác nhận nó là helium. Cũng trong năm đó, helium được tách li một cách độc lập từ khoáng chất cleveite bởi các nhà hóa học Per Teodor Cleve và Abraham Langlet ở Uppsala, Thụy Điển, họ đã có thể xác định chính xác trọng lượng nguyên tử của nó. Trong mấy năm sau đó, các thí nghiệm tương tự cũng cho các kết quả giống như vậy.
Minh họa 3D của nguyên tử helium. Ảnh: Wikipedia Commons
Một số tính chất hấp dẫn của helium được khám phá vào những năm sau đó. Năm 1907, Ernest Rutherford và Thomas Royds chứng minh được rằng hạt alpha thật ra là hạt nhân helium. Năm 1908, helium lần đầu tiên được hóa lỏng bởi nhà vật lí người Hà Lan Heike Kamerlingh Onnes bằng cách làm lạnh chất khí xuống dưới 1 kelvin. Cuối cùng, helium được hóa rắn vào năm 1926 bởi sinh viên của Onnes, Willem Hendrik Keesom, bằng cách cho nguyên tố chịu áp suất gấp 25 lần áp suất khí quyển.
Helium là một trong những nguyên tố đầu tiên được tìm thấy có tính siêu chảy. Năm 1938, nhà vật lí người Nga Pyotr Leonidovich Kapitsa phát hiện thấy helium hầu như không có độ nhớt ở nhiệt độ gần không độ tuyệt đối (hiện tượng siêu chảy). Năm 1972, hiện tượng tương tự được quan sát thấy ở helium-3 bởi các nhà vật lí người Mĩ Douglas D. Osheroff, David M. Lee, và Robert C. Richardson.
Các ứng dụng hiện đại
Ngày nay, khí helim được dùng rộng rãi trong nhiều ứng dụng công nghiệp, thương mại và giải trí. Được biết tới nhiều nhất có lẽ là khí cầu, trong đó khí helium (nhẹ hơn không khí) mang lại lực nổi tự nhiên trong các khí cầu. So với hydrogen, chất khí cũng được dùng để bơm khí cầu, helium có ưu điểm là không dễ bén lửa và ngăn cháy nổ.
Với những tác dụng độc đáo của nó – bao gồm điểm sôi thấp, khối lượng riêng thấp, tính tan thấp, độ dẫn nhiệt cao và tính trơ – helium được sử dụng rộng rãi cho nhiều ứng dụng khoa học và y học. Công dụng quan trọng nhất là trong các ứng dụng đông lạnh, trong đó helium lỏng là chất lỏng làm nguội cho các nam châm siêu dẫn trong máy quét MRI và quang phổ kế.
Máy Va chạm Hadron Lớn tại CERN. Ảnh: CERN/LHC
Một công dụng nữa là trong ngành tên lửa, trong đó helium được dùng làm chất đệm để vận chuyển nhiên liệu và làm chất oxy hóa trong bình chứa nhiên liệu. Nó còn được dùng để ngưng tụ hydrogen và oxygen thành nhiên liệu tên lửa và hydrogen lỏng tiền-nguội trong tên lửa vũ trụ. Máy Va chạm Hadron Lớn tại CERN cũng nhờ helium lỏng để duy trì nhiệt độ không đổi 1,9 kelvin.
Nhờ chiết suất cực kì thấp của nó và cách nó làm giảm các hiệu ứng biến dạng của sự biến thiên nhiệt độ, helium còn được dùng trong kính thiên văn mặt trời, phép ghi sắc khí, và trong “giám định niên đại helium” – tức là xác định tuổi của đá có chứa các chất phóng xạ (như uranium và thorium). Ngoài tính trơ của nó, các tính chất nhiệt của nó, tốc độ âm thanh cao, và giá trị nhiệt dung cao, nó còn được dùng trong các tầng hầm gió siêu thanh và các phòng thí nghiệm kiểm tra khí động lực học. Helium còn được dùng trong lĩnh vực hàn điện hồ quang và dò tìm rò rỉ công nghiệp.
Nguồn: Universe Today
