1.

Einleitung

Helium, Symbol He, inertes, farb- und geruchloses, gasförmiges Element mit der Ordnungszahl 2. Helium steht in der achten Hauptgruppe des Periodensystems und zählt zu den Edelgasen. Der Name dieses Gases leitet sich von dem griechischen Wort helios (Sonne) ab und hat folgenden historischen Hintergrund:

1868 entdeckte der französische Astronom Pierre Janssen während einer Sonnenfinsternis (siehe Verfinsterung) im Spektrum der Sonnenkorona (siehe Sonne: Korona) Spektrallinien (siehe Spektroskopie), die sich nicht mit den bis dahin bekannten Linien in Einklang bringen ließen – es handelte sich um neue Linien. Nur kurze Zeit später konnte der englische Astronom Joseph Norman Lockyer durch eine spektralanalytische Untersuchungsreihe der Sonnenprotuberanzen Janssens Beobachtungen bestätigen. Rund 20 Jahre nach diesen Entdeckungen (1889) fand der amerikanische Chemiker William Francis Hildebrand in dem uranhaltigen Erz Uraninit (siehe Pechblende) ein reaktionsträges Gas – Hildebrand hielt dieses Gas zunächst für Stickstoff. Bald darauf erkannte man jedoch, dass es sich bei dem Gas um ein neues Element handeln musste. Schließlich gelang es 1895 dem englischen Chemiker William Ramsay sowie unabhängig und zeitgleich von ihm dem schwedischen Chemiker Per Theodor Cleve, Helium aus Cleveit (UO₂) zu isolieren und nachweisen. (Bei Cleveit handelt es sich ebenfalls um ein uranhaltiges Erz.) Im Jahr 1907 zeigte der englische Physiker Ernest Rutherford, dass Alphateilchen identisch mit den Kernen der Heliumatome sind. Spätere Untersuchungen sollten Rutherfords Ergebnisse bestätigen.

2.

Eigenschaften und Vorkommen

Helium kommt in der Natur nur atomar vor, d. h., seine Atome bilden keine Moleküle. Nach Wasserstoff ist Helium das zweitleichteste aller Gase. Das Edelgas gefriert bei einem Druck von rund 3 000 Kilopascal (30 bar) bei etwa -271,4 °C, also nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt. Bei gleichen Druckverhältnissen siedet das Element bei -268,9 °C. Die Dichte liegt bei 20 °C bei 0,1664 Gramm pro Liter, die Atommasse bei 4,003 u.

Wie die meisten Edelgase ist Helium chemisch inert und geht also mit anderen Elementen praktisch keine Verbindungen ein. Dieses Verhalten hängt u. a. mit seiner (einzigen) vollständig besetzten Valenzelektronenschale zusammen. Daher sollten Verbindungen, wenn überhaupt, nur äußerst schwer zu bilden und sehr instabil sein. (Nebenbei bemerkt hat man Verbindungen mit Edelgasen Xenon und Krypton herstellen können.)

Helium ist von allen Gasen am schwersten zu verflüssigen und kann bei Normaldruck nicht in festem Zustand existieren. Deswegen hat flüssiges Helium eine große Bedeutung als Kühlmittel in der Tiefsttemperaturtechnik, vor allem für Experimente in der Nähe des absoluten Nullpunktes. Flüssiges Helium kann bei Atmosphärendruck auf unter 4 Kelvin (Temperatur: Temperaturskalen) abgekühlt werden, indem man seinen über der Flüssigkeit entstehenden Dampf sehr schnell abzieht. Unterhalb von 2,1 Kelvin geht bei etwa 5,1 Kilopascal (51 Millibar) Helium I in Helium II über. Helium II ist eine Supraflüssigkeit, zeigt also bemerkenswerte physikalische Eigenschaften. Es gefriert nicht und besitzt praktisch die Viskosität null. Das leichtere Isotop Helium 3 hat einen noch tieferen Siedepunkt als das normale Helium 4 und besitzt als Flüssigkeit deutlich andere Eigenschaften.

Helium ist im Universum nach dem Wasserstoff das zweithäufigste Element und spielt in der Kosmologie eine große Rolle. Auf Meereshöhe besteht die Erdatmosphäre zu 5,4 millionstel Teilen aus Helium. In größeren Höhen steigt dieser Anteil leicht an. Rund ein Millionstel des in der Luft vorkommenden Heliums besteht aus Helium 3. Man nimmt heute an, dass es aus dem Zerfall von Tritium, einem radioaktiven Wasserstoffisotop mit der Massenzahl 3, hervorgeht. Erdgas enthält durchschnittlich etwa 0,4 Prozent Helium und ist damit die wirtschaftlich wichtigste Heliumquelle.

3.

Anwendungen

Helium dient als inertes Schutzgas beim Schweißen leichter Metalle oder bestimmter Legierungen, wie beispielsweise Aluminium- oder Magnesiumlegierungen. Dabei verhindert das Heliumgas den Zutritt von Luft zu den erwärmten Werkstücken und damit die Oxidation. Weil Helium nicht brennbar ist, dient es beispielsweise auch als Füllgas für Ballons. Beim Tauchen in größere Tiefen nutzt man als Atemluft kein reines Gemisch aus Sauerstoff und Stickstoff – normale Atemluft enthält etwa 80 Volumenprozent Stickstoff – sondern setzt dieser Mischung Helium zu. Auf diese Weise lässt sich die so genannte Taucherkrankheit (siehe Caissonkrankheit) vermeiden. Auch in der Medizin wird Helium angewandt; hier unterstützt man z. B. die erschwerte Atmung, weil Helium leichter durch verengte Atemwege strömen kann als Stickstoff. In der Chirurgie nutzt man Ionenstrahlen aus Heliumkernen, um beispielsweise Augentumoren oder erkrankte Blutgefäße im Gehirn zu behandeln.

Helium ist in kleinen Mengen als komprimiertes Gas in dickwandigen Stahlflaschen im Handel erhältlich. Größere Mengen transportiert man (aufgrund des geringeren Gewichts und damit der niedrigeren Kosten) als Flüssigkeit in speziell isolierten Behältern.