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空に浮く風船の中に入っているものは? みなさんご存じですね。正解は「ヘリウム」です。

近くのイトーヨーカドーに買い物に行くと、よく子供に風船をもらいます。子供は本当に風船が好きで、 大人が気づかなくても風船をまっ先に見つけます。

もらえる風船の中には、空中に浮くものがあります。その中にはヘリウムが入っています。ヘリウムは水素の次に軽い気体で、化学的に安定しており水素のように爆発することもない気体です。

ヘリウムとはどんな物質なのでしょうか?今日はヘリウムについて学びます。 

知っておきたい基本情報
ヘリウムとは何か? ヘリウム(Helium)は原子番号 2、元素記号 He の元素。無色、無臭で、最も軽い希ガス元素でもある。

すべての元素の中で最も沸点が低く、超高圧下でしか固体にならない。ヘリウムは不活性の単原子ガスとして存在する。

また、存在量は水素に次いで宇宙で2番目に多い。ヘリウムは地球の大気中にも存在し、(0,0005%)鉱物やミネラルウォーターのなかにもとけ込んでいる。天然ガスと共に豊富に産出し、気球や小型飛行船の浮揚用ガスとして用いられたり、液体ヘリウムを超伝導用の低温素材としたり、深海へ潜る際の呼吸ガスとして用いられている。

標準状態ではヘリウムは単原子ガスとしてのみ存在できる。ヘリウムを固化するには非常に特殊な条件下におかなければならない。元素の中で沸点が最も低く、標準圧力下では温度を下げて絶対零度になっても液体のままであり、固化するにはさらに高い圧力をかける必要がある。

極低温下のヘリウムは超流動を示す。

ヘリウムでアヒル声!ドナルドダックボイス現象とは? 風船に次いで使われる用途としては、ドナルドダックボイスがあります。ヘリウムガスを吸うことによって、声が高くなり、アヒルのような声になります。これは、ヘリウムが空気中よりも音の伝わる速さが早いので起きる現象です。この状態で歌を歌ったり、早口言葉をしたりすると、面白いことになります。

この「ヘリウムを吸うと声が変わる」ということは、テレビでもおなじみで小学生でもよく知っています。このためヘリウムガスの入った風船から息を吸おうとすると大変です。

風船に入っているヘリウムは、ヘリウムだけが入っています。人の声を変えるために使うヘリウムはヘリウムだけでなく酸素もちゃんと入っているのでかんちがいしないで下さい。

風船のヘリウムだけを大量に吸いすぎると、酸素不足によって、窒息することがあるので気をつけましょう。 

もっと知りたい発展情報
ヘリウムの種類は?

ヘリウムには同位体としてヘリウム3とヘリウム4がある。

ヘリウム原子の原子核は 2つの陽子と2つの中性子からなり、周りを2つの電子が回って構成される(ヘリウム4)。同位体にヘリウム3(陽子 2、中性子 1、電子 2)がある。

ヘリウム3は、天然には非常に僅かしか存在しないので、原子炉で生成したものが利用される。原子炉内で、リチウム6に中性子を当てると、三重水素とヘリウム4ができ、この三重水素がベータ崩壊して、ヘリウム3となる(半減期12.5年)。

そのほか、人工的に作られた同位体としては、ヘリウム6,ヘリウム8,へリウム10などがある。

ヘリウムは何に使うの?

ヘリウムは空気よりも軽いため、浮揚用ガスとして使われ、広告用バルーンや天体観測用気球、軍事用偵察気球などに使用されている。ヘリウムは水素の 92.64%もの浮揚力があり、燃えないため、水素よりも安全なガスとして風船のガスなど広く利用されている。

ヘリウムの超流動とは?

超流動 (Superfluidity) とは、極低温において液体ヘリウムなどの流動性が高まり容器の壁面をつたって外へ溢れ出たり、原子一個が通れる程度の隙間に浸透したりする現象で、量子効果が巨視的に現れたものである。1937年、ヘリウム4が超流動性を示すことをカピッツア (P. L. Kapitza) が発見した。

ヘリウムは太陽から発見された?

ヘリウム (英 Helium、Greek ἥλιος helios、太陽に由来)は1868年にフランスのピエール・ジャンサンとイギリスのノーマン・ロッキャーがそれぞれ別個に存在を予言した。二人ともその年にあった日食の太陽光線について研究をしており、分光学での輝線スペクトルから未知の元素があることに気付いた。

エドワード・フランクランドがジャンセンの予言を立証し、さらにその元素が太陽の観測から発見されたことから、ギリシャ神話の太陽神ヘリオスの名に -ium をつけた名前を提案した。-ium は本来金属につけるラテン語の派生名詞中性語尾だが、これはこの時点でヘリウムが金属と思われていたからだった。

元素記号 He はその頭文字である。1895年にイギリスのウィリアム・ラムゼー卿によりウラン鉱石からヘリウム単体が取り出され、精製した結果金属でないことがわかったが、名前が変更されることはなかった。スウェーデンの化学者ニールス・ラングレットとパー・テオドール・クレーベはラムゼーと別個にヘリウムの分離に成功していた。

1907年にアーネスト・ラザフォードとトーマス・ロイズはアルファ粒子がヘリウムの原子核(ヘリウム4)であることを発見した。

1908年オランダのヘイケ・カメルリング・オネスは 0.9 K まで温度を下げることで液体ヘリウムを初めて製造した。この偉業により彼は1913年にノーベル賞を受けている。

1926年オネスの弟子であるウィレム・ヘンドリック・ケーソンはに初めて固体ヘリウムを作ることに成功した。
 

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