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Helium

 

das, -s, chemisches Symbol He, ein chemisches Element aus der Gruppe der Edelgase. Helium ist ein farb-, geruch- und geschmackloses, extrem reaktionsträges Gas. Es zeigt eine Reihe von ungewöhnlichen physikalischen Eigenschaften, die hauptsächlich auf reine Quanteneffekte zurückzuführen sind. Als einzige Substanz besitzt es keinen Tripelpunkt (Dreiphasengleichgewicht) und bleibt bei Normaldruck bis in die Nähe des absoluten Nullpunkts flüssig, da die Nullpunktsenergie der Atome größer ist als die in einem Heliumkristall wirksamen Van-der-Waals-Bindungskräfte. Der Übergang in den festen Zustand wird erst bei Drücken oberhalb 2,5 MPa (25 bar) beobachtet. Festes Helium ist der weichste bekannte Festkörper, bei dem sich die Atomabstände und damit viele physikalische Eigenschaften schon bei geringen Druckschwankungen verändern.

 

Die beiden natürlichen Isotope ³He und ⁴He werden bei 3,2 K beziehungsweise 4,2 K flüssig. Flüssiges ⁴He tritt in zwei verschiedenen Modifikationen auf: oberhalb des Lambdapunkts von 2,184 K als normalflüssiges He I, unterhalb als supraflüssiges He II. ³He zeigt Suprafluidität erst unterhalb 2,7 mK. Unterhalb 0,8 K trennt sich das natürliche Isotopengemisch in eine superfluide ⁴He-reiche und eine normalflüssige ³He-reiche Komponente. Dieser Effekt erlaubt den Bau einer kontinuierlich arbeitenden Kältemaschine, die eine Endtemperatur von 2 mK erreicht (Tieftemperaturphysik). Das He II ist der beste bisher bekannte Wärmeleiter.

 

Helium ist innerhalb der Erdatmosphäre und der Erdkruste ein außerordentlich seltenes Element. Die Atmosphäre enthält nur 0,000 46 Volumenprozent Helium. Technisch nutzbare Vorkommen finden sich in manchen Erdgaslagerstätten; hier variiert der Heliumanteil zwischen wenigen Zehntel % und 9 %. Weiter kommt Helium in Uranmineralen vor, in denen es durch radioaktive Zerfallsprozesse entsteht. Spektroskopisch ist Helium in der Sonne und in anderen Sternen nachweisbar; im Weltall ist Helium das zweithäufigste Element. - Das wirtschaftlichste Gewinnungsverfahren für Helium besteht in der Verflüssigung von Erdgas mit anschließender fraktionierender Destillation. In erdgasarmen Gebieten (so auch in Deutschland) wird Helium durch Luftverflüssigung und -zerlegung gewonnen. Aus heliumhaltigen Mineralen (Monazit, Thorianit) wird das Rohgas zunächst durch Erhitzen freigesetzt und anschließend durch Fraktionierung gereinigt. - Verwendung findet Helium als Schutz- und Kühlgas bei verschiedenen technischen Prozessen (z. B. als Schweißgas beim Heliarcverfahren, Schweißen), im Gemisch mit 20 % Sauerstoff als künstliche Atmosphäre (z. B. in Tauchgeräten), zur Erzeugung tiefer Temperaturen (in der Nähe des absoluten Nullpunktes), als Kühlgas für Kernreaktoren, als Testgas für Lecksuchgeräte, zur Füllung u. a. von Ballonen und Luftschiffen, Gasthermometern, elektronischer Schaltgeräten und Hochspannungsröhren.

 

Auf die Existenz des Heliums wurde man aufmerksam, als P. J. C. Janssen 1868 im Sonnenspektrum die gelbe Spektrallinie des Heliums entdeckte, die dann durch J. N. Lockyer und E. Frankland einem bisher unbekannten neuen Element zugeschrieben wurde. 1895 gelang es W. Ramsay erstmals, das Helium aus einem Uranmineral zu isolieren.