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    ヘリウムという不思議な元素

    2014.06.13 Friday

    つくづく思うのですが、ヘリウムというのは不思議な元素です。
    まず風船に入れたら風船が浮く。これだけで子どもたちは大喜びです。
    まだやったことがないですが、ぽちゃ美女や振袖女子にヘリウム入れて浮いたら感動します。(どっちも計算上は浮くはず)
    風船がヘリウムで浮くのは比重の重い空気が落下して風船が押し上げられることによります。

    もう一つ、声が変わるというのも不思議です。
    子供の頃はまだヘリウムが安かったので、友達の間でよく流行りました。
    これは音速が空気よりも速いためで、その理由は粘度が低いことによります。

    以上はよく知られている性質と用途です。

    ・・・

    さて、ヘリウムのもう一つ重要な性質としてどの物質とも反応しないことが挙げられます。
    反応性が低いのは元素の周期表の右側に位置する希ガスというグループに共通した性質ですが、キセノンを酸化するフッ素でもヘリウムを酸化することはできません。
    ヘリウムは原子核のすぐ近くに閉殻の電子があるため第一イオン化エネルギーが2372kJ/molもあり、それを酸化できる酸化剤は存在しないのです。

    安定しているからこそ風船や変声に使えるわけで、水素との最大の違いはそこです。
    尚、殻構造の類似した水素は電子が1個しかなく、一般にはそれを捨てることで安定しようとします。

    ・・・

    ヘリウムの沸点はあらゆる元素の中で最も低い4K(ケルビン)で、それをさらに冷却して2.17Kに達すると粘度がゼロになることが1938年に発見されました。
    これを超流動といい、壁をよじ登ってこぼれたり原子一個分の隙間から漏れ出すという奇妙な現象が起きます。

    この理由を説明するのはちょっと難しいのですが、ヘリウム原子がボース粒子という電磁波と同じタイプの粒子であることによります。
    常温ではボース粒子としての性質が現れませんが、極低温では基底状態に収束するため電磁波のように同じ場所に複数存在できるようになるのです。

    ・・・

    ところで、ヘリウムという元素はどこでどうやって生まれたのでしょうか。
    それを知るには宇宙の歴史を紐解く必要があります。

    宇宙の始まりはインフレーションに続くビッグバンで、その時にエネルギーからクオークや電子が生まれて、それが物質の元になりました。
    最初に作られた物質は大部分が水素で、ヘリウムも少しだけできました。

    現在の宇宙にはもっとたくさんのヘリウムがありますが、それは星の中心で作られています。
    太陽の中心でも、毎秒6億トンの水素がヘリウムに転換しています。

    これが宇宙に存在する大部分のヘリウムのルーツですが、地球で資源として掘り出されるヘリウムは生まれが異なります。

    太陽よりもずっと重い星が死ぬ時に大爆発を起こし、ウランやトリウムなどの重い元素を作ります。
    資源としてのウランも星の爆発の名残で、原子力の利用は星が爆発した時のエネルギーを間接利用していると言えます。
    これらの重い元素は長い年月をかけて鉛まで崩壊しますが、その過程で出たアルファ線が電子を捕獲するとヘリウムになります。

    ・・・

    風船に使われるヘリウムはとても奥の深いおもしろい元素です。
    もう一つおもしろいのは宇宙には炭素や酸素よりもたくさんあるのに地球にはちょっとしかないということです。
    この理由はぜひご自分で考えてみてください。

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