Hélium - Définition et Explications

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Propriétés physiques

L'hélium est un gaz incolore, inodore et non toxique. Il est pratiquement inerte chimiquement, monoatomique en toute circonstance. Dans un vaste domaine de températures et de pressions, il se comporte expérimentalement comme un gaz parfait (Le gaz parfait est un modèle thermodynamique décrivant le comportement de tous les gaz...), ce qui en fait une substance privilégiée pour l'expérimentation (L'expérimentation est une méthode scientifique qui consiste à tester par des expériences...) des théories physico-chimiques. Les 2 isotopes stables de l'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il...) sont les seuls composés chimiques à ne pas posséder de point (Graphie) triple.

Isotopes

On connaît sept isotopes de l'hélium, mais seuls l'hélium 3 et l'hélium 4 sont stables. Dans l'atmosphère terrestre (L'atmosphère terrestre est l'enveloppe gazeuse entourant la Terre solide. L'air sec se compose...), il n'y a qu'un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) d'hélium 3 pour un million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf...) d'hélium 4. Contrairement à la plupart des éléments, l'abondance isotopique de l'hélium varie considérablement selon son origine, en raison des processus de formation différents. L'isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique...) le plus abondant, l'hélium 4, est produit sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...) par la radioactivité (La radioactivité, phénomène qui fut découvert en 1896 par Henri Becquerel sur...) α d'éléments lourds : les particules α qui y sont produites sont des noyaux d'hélium 4 complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou...) ionisés. L'hélium 4 est un noyau à la stabilité inhabituelle, parce que ses nucléons sont arrangés en couches complètes. Il a par ailleurs été formé en quantités énormes lors de la nucléosynthèse primordiale (La nucléosynthèse primordiale est une théorie d'astrophysique qui permet d'expliquer...).

L'hélium 3 n'est présent sur Terre qu'à l'état de traces ; la plupart date de la formation de la Terre, bien qu'un peu tombe encore dessus, piégé dans la poussière interstellaire. Des traces (TRACES (TRAde Control and Expert System) est un réseau vétérinaire sanitaire de...) sont aussi produites encore par la radioactivité β du tritium (Le tritium (T ou 3H) est - comme le deutérium - l'un des isotopes de l'hydrogène. Il...). Les roches de la croûte terrestre (La croûte terrestre est la partie superficielle et solide du matériau dont est faite la Terre....) ont des rapports isotopiques variant jusqu'à un facteur 10 et ces rapports peuvent être utilisés pour la détermination de l'origine des roches et la composition du manteau terrestre. L'hélium 3 est bien plus abondant dans les étoiles, comme produit de la fusion nucléaire (La fusion nucléaire (dite parfois thermonucléaire) est, avec la fission, l’un des...). Par suite, dans le milieu interstellaire (En astronomie, le milieu interstellaire est le gaz raréfié qui, dans une galaxie, existe entre...), le rapport isotopique est environ 100 fois plus élevé que sur Terre. Les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) extraplanétaires, comme le régolithe de la Lune (La Lune est l'unique satellite naturel de la Terre et le cinquième plus grand satellite du...) ou des astéroïdes, ont des traces d'hélium 3 provenant du vent solaire (Le vent solaire est un flux de plasma constitué essentiellement d'ions et d'électrons qui sont...). La surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) de la Lune en contient une concentration de l'ordre de 10-8. Un certain nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) d'auteurs, commençant par Gerald Kulcinski en 1986, ont proposé d'explorer la Lune, d'extraire l'hélium 3 du régolithe et de l'utiliser pour produire de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) par fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état...) nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :).

L'hélium 4 peut être refroidi jusqu'à environ 1 K par évaporation (L'évaporation est un passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux. Elle est différente...). L'hélium 3, qui a un point d'ébullition (L’ébullition est la formation de bulles lors d’un changement violent d’un corps...) inférieur, peut être refroidi jusqu'à 0,2 K par la même méthode. Des mélanges à parts égales d'hélium 3 et 4 se séparent, au-dessous de 0,8 K, car ils ne sont plus miscibles, en raison de leurs différences (L'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que...) d'hélium 4 étant un boson (Les bosons représentent une classe de particules qui possèdent des propriétés...) tandis que l'atome d'hélium 3 est un fermion (Il existe deux grandes classes de particules élémentaires: les fermions et les bosons. Les...), ils obéissent aux deux statistiques (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle...) quantiques différentes). Les réfrigérateurs à dilution (La dilution est un procédé consistant à obtenir une solution finale de concentration...) utilisent cette propriété pour atteindre quelques millikelvins.

On peut fabriquer par réactions nucléaires d'autres isotopes de l'hélium, qui sont instables, et se désintègrent rapidement vers d'autres noyaux. L'isotope de demie-vie la plus courte, si on peut même parler d'isotope dans ce cas, est l'hélium 2 (2 protons, sans neutron), qui se désintègre en deux protons en 3×10-27 s. L'hélium 5 et l'hélium 7 se désintègrent par émission d'un neutron (Le neutron est une particule subatomique de charge électrique totale nulle.), avec une demi-vie (La demi-vie est le temps mis par une substance (médicament, noyau radioactif, ou autres) pour...) de 7,6×10-23 s et 2,9×10-21 s, respectivement. L'hélium 6 et l'hélium 8 se désintègrent par radioactivité β, avec une demi-vie de 0,8 s et 0,119 s, respectivement. Les isotopes 6 et 8 ont une structure lâche, dans laquelle des neutrons orbitent loin du cœur, ce que l'on appelle halo nucléaire.

Gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...)

La conductivité thermique (La conductivité thermique est une grandeur physique caractérisant le comportement des...) de l'hélium gazeux est supérieure à celle de tous les gaz, sauf l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.), et sa chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...) spécifique est exceptionnellement élevée. Son coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain...) Joule-Thomson est négatif à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) ambiante, ce qui signifie que, contrairement à la plupart des gaz, il se réchauffe lorsqu'il peut se détendre librement. La température d'inversion de Joule-Thomson est d'environ 40 K soit -233,15 °C à la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) d'1 atm. Une fois refroidi en dessous de cette température, l'hélium peut être liquéfié par le refroidissement dû à sa détente.

L'hélium est aussi le gaz le moins hydrosoluble de tous les gaz connus. En raison de la petite taille de ses atomes, sa vitesse (On distingue :) de diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de...) à travers les solides est égale à trois fois celle de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...) et environ 65 % celle de l'hydrogène.

L'indice de réfraction (L'indice de réfraction provient du phénomène de réfraction qui désigne le changement de...) de l'hélium est plus proche de l'unité que celui de n'importe quel autre gaz. La vitesse du son dans l'hélium est supérieure à celle dans tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) autre gaz, sauf l'hydrogène.

Contrairement au plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées...), le gaz est un excellent isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes....) électrique.

Plasma

Une lampe à décharge fonctionnant à l'hélium.

La plupart de l'hélium extraterrestre se trouve dans l'état de plasma, dont les propriétés diffèrent notablement de celles de l'hélium atomique. Dans le plasma, les électrons de l'hélium ne sont pas liés au noyau, ce qui conduit à une très grande conductivité électrique (La conductivité électrique est l'aptitude d'un matériau à laisser les charges électriques se...), même quand l'ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une...) est partielle. Les particules chargées sont très sensibles aux champs électrique et magnétique. Par exemple, dans le vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface...) solaire, l'hélium et l'hydrogène ionisés interagissent avec la magnétosphère (La magnétosphère est la région entourant un objet céleste dans lequel les phénomènes...) terrestre, donnant lieu aux phénomènes de courants de Birkeland et aux aurores polaires.

Comme les autres gaz nobles, l'hélium a des niveaux d'énergie métastables qui lui permettent de rester excité dans une décharge électrique (Le terme décharge électrique désigne des phénomènes variés :) dont la tension (La tension est une force d'extension.) est inférieure à son potentiel d'ionisation. Ceci permet son utilisation dans les lampes à décharge.

Liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...)

Contrairement aux autres éléments, l'hélium reste liquide jusqu'au zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr,...) absolu, à des pressions inférieures à 25 atm. Ceci est une conséquence directe de la mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) quantique : plus précisément l'énergie des atomes dans l'état fondamental (En physique quantique, les états fondamentaux d'un système sont les états quantiques de plus...) du système est trop élevée pour permettre la solidification (La solidification est l'opération au cours de laquelle un liquide passe à l'état solide. Cela...) (voir solide). En outre, les phases liquide et solide ont des indices de réfraction (La réfraction, en physique des ondes — notamment en optique, acoustique et sismologie...) très voisins, ce qui rend difficile l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...). Lire également Hélium solide.

Au-dessous du point d'ébullition à 4,22 K et au-dessus du point lambda à 2,1768 K, l'hélium 4 existe sous forme d'un liquide normal incolore, appelé hélium I. Comme les autres liquides cryogéniques, il bout quand il est chauffé et se contracte quand sa température est abaissée. L'hélium I a un indice de réfraction voisin de celui des gaz : 1,026, ce qui rend sa surface tellement difficile à apercevoir que l'on utilise souvent des flotteurs de mousse de polystyrène pour voir son niveau. Ce liquide incolore a une viscosité très faible et une densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) de 0,125 = 1/8, qui n'est qu'un quart de la valeur prévue par la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) classique. Il faut recourir à la mécanique quantique (La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour but d'étudier et de...) pour expliquer cette propriété et donc l'hélium liquide sous ses diverses formes est appelé fluide quantique, pour signifier que les effets de la mécanique quantique, normalement sensibles seulement à l'échelle microscopique, se manifestent à l'échelle macroscopique car l'atome d'héluim 4 est un boson. Ceci s'interprète comme un effet du fait que le point d'ébullition est si rapproché du zéro absolu que les mouvements thermiques aléatoires ne peuvent plus masquer les propriétés atomiques.

Superfluide (La superfluidité est un état quantique de la matière qui a été découvert pour la première...)

L'hélium liquide en dessous du point lambda commence à présenter des caractères tout à fait inhabituels, dans un état appelé hélium II.

À la transition de l'hélium I vers l'hélium II au point lambda, l'hélium se dilate. Quand la température baisse, l'hélium II continue à se dilater, jusqu'environ 1 K, où il recommence à se contracter comme la plupart des corps.

L'hélium II peut s'écouler à travers des capillaires de 10-7 à 10-8 m, sans viscosité mesurable. Cependant quand on mesure la viscosité entre deux disques tournant l'un par rapport à l'autre, on trouve une viscosité comparable à celle de l'hélium gazeux. La théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) actuelle explique ce fait en utilisant un modèle à deux fluides de László Tisza pour l'hélium II. Dans ce modèle, l'hélium liquide, au-dessous du point lambda, consiste en un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses...) d'atomes d'hélium dans l'état fondamental et d'atomes dans des états excités, qui se comportent plus comme un fluide ordinaire.

Une illustration de cette théorie est donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire,...) par l'effet fontaine. Dans cette expérience, un tube vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en...), présentant un petit ajutage à son extrémité supérieure, est plongé par son extrémité inférieure dans un bain d'hélium II. Il y est bouché par un disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une...) fritté, au travers duquel seul le fluide sans viscosité peut circuler. Si l'on chauffe le tube, en l'éclairant par exemple, on va y transformer la partie superfluide en fluide ordinaire. Pour rétablir l'équilibre des deux fluides avec le bain, du superfluide va pénétrer à travers le bouchon fritté, et pour conserver le volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...), une partie du contenu du tube sera éjecté par l'ajutage supérieur, formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de...) un jet, que l'on peut interrompre en cessant de chauffer.

La conductivité thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) de l'hélium II est supérieure à celle de tout autre corps connu. Ceci empêche l'hélium II de bouillir, car tout apport de chaleur se transporte immédiatement à la surface, où il provoque tout simplement l'évaporation en gaz. Cette conductivité est un million de fois supérieure à celle de l'hélium I, et plusieurs centaines de fois celle du cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre...). Ceci est dû au fait que la conduction de la chaleur se fait par un mécanisme quantique exceptionnel. La plupart des matériaux bons conducteurs de la chaleur ont une bande de valence (En physique du solide, la bande de valence est la bande d'énergie où se situent les électrons...) d'électrons libres qui servent (Servent est la contraction du mot serveur et client.) à conduire la chaleur. L'hélium II n'a pas de telle bande et pourtant conduit bien la chaleur. Le flux de chaleur (Le flux de chaleur est une transmission de chaleur (ou énergie thermique) à travers un corps. Le...) obéit à des équations semblables aux équations d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) de la propagation du son dans l'air. Quand de la chaleur est introduite, elle se déplace à 20 m⋅s-1 à 1,8 K dans l'hélium II. On appelle ces ondes deuxième son.

L'hélium II rampe sur les surfaces de façon à rétablir l'équilibre hydrostatique.

Contrairement aux liquides ordinaires, l'hélium II rampe le long des surfaces, même, apparemment, contre la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.). Il s'échappera d'un récipient non fermé en rampant sur les côtés, à moins qu'il ne rencontre un endroit moins froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) où il s'évapore. Quelle que soit la surface, il se déplace en un film de quelque 30 nm. Ce film est appelé film de Rollin, en souvenir du physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la...) qui l'a caractérisé le premier, Bernard V. Rollin. Suite à cet effet et à la capacité de l'hélium II de passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques...) rapidement à travers de petites ouvertures, il est difficile de confiner l'hélium liquide. À moins que le récipient ne soit astucieusement construit, l'hélium II escaladera les parois et passera à travers les vannes jusqu'à ce qu'il atteigne une région plus chaude où il s'évaporera. Les ondes qui se propagent le long d'un film de Rollin obéissent aux mêmes équations que les vagues en eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) peu profonde, mais la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) de rappel est ici la force de van der Waals à la place de la gravité. Ces ondes sont connues sous le nom de troisième son.

Solide

L'hélium ne se solidifie que sous l'effet de fortes pressions. Le solide pratiquement invisible et incolore qui en résulte est fortement compressible ; une compression en laboratoire peut réduire son volume de plus de 30 %. Avec un module d'élasticité cubique de l'ordre de 5×107 Pa, il est cinquante fois plus compressible que l'eau. Dans des conditions normales de pression, et à l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de...) des autres éléments, l'hélium ne se solidifie pas et reste liquide jusqu'au zéro absolu. L'hélium solide nécessite une pression minimale d'environ 26 atm. Il est souvent assez difficile de distinguer l'hélium solide de l'hélium liquide, leurs indices de réfraction étant presque identiques. Le solide a une chaleur latente (L'enthalpie de changement d'état, molaire ou massique, correspond à la quantité de chaleur...) (chaleur de fusion) élevée et une structure cristalline hexagonale, comme celle de l'eau.

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