Mina Grundämnen – Helium

Helium är det näst vanligaste grundämnet i universum. Trots det är det inte så vanligt på jorden, utan kan klassas som utrotningshotat (se: https://www.ntnu.no/blogger/fysikkforfakirer/2018/02/02/utrotningshotade-grundamnen/ ). Men detta beror främst på svårigheter att utvinna helium. Dock är det så att de tyngre grundämnena i jordens inre konstant genererar helium genom alfa-sönderfall.

Helium är ett grundämne som man observerade på solen(därav namnet, Helium efter Helios solguden i grekisk mytologi) innan man fick fram det på jorden. Solförmörkelsen 1868 gjorde att många observerade den gula He-linjen i coronan, Det är dock Janssen som fått äran, ibland med Lockyer som föreslog att det var ett nytt grundämne. De första som isolerade helium på jorden var Cleve och Langlet 1895.

Det främsta vetenskapliga bruket av helium är för att kyla ner supraledare, och det finns många artiklar som tar upp cryogenetiska användelser och studier av helium vid låga temperaturer. Jag har inte jobbat med flytande helium men har arbetat med det på andra sätt.

Helium spektret är ett av de experiment som jag fick göra som student och senare som handledare. Det intressanta med det spektret är att det är två spektra i ett. Singlett-He och Triplett-He, Parahelium och Ortohelium. Något som borde göra det enkelt att lösa, men så är inte fallet. Det går att göra grova beräkningar för att få fram energinivåerna, med systemet är ett tre-kroppa problem utan analytsika lösningar så olika approximationsmetoder måste användas. Men mina erfarenheter med detta visade sig komma till nytta på ett oväntat ställe.

Efter att jag försvarat min avhandling fick jag jobb vid University of Birmingham, UK, där ett experiment med laserspektroskopi på radioaktiva isotoper skulle flyttas till Finland. Vid den tiden var varma jonkällor vid acceleratorer i bruk på den flesta ställen. Men i Jyväskylä använde man sig av en gas-jet (He)(IGISOL) där producerade isotoper stoppades och tog åt sig elektroner i gasen, så att sedan skjutas ut i en gas-jet. Jeten som man får (om tryckskillnaden är stor nog) är supersonisk, dvs de enskilda atomerna är kall (låg spridning i hastighet) i alla fall om man har en fri expansion. Då var det många som sa att det inte skulle vara möjligt att få en smal hastighetetsfördelning som möjliggjorde laserspektroskopi. Det fanns studier som antydde att så var fallet.

Dock hade man i dessa studier använt elektriska fält (runt 500 V/cm) i expansionsvolumen. Då alla atomer rör sig med ungefär samma hastighet där så kommer ett fält att accelerera ev. joner (som skall studeras) och de kommer då att kollidera med långsammare He-atomer och tappa fart, vilket i sin tur ger en ökad hastighetsspridning. Lösningen var att minska fält-styrkan för att undvika detta.

Men det fanns ett problem till, med gas-jet, den är inte speciellt effektiv så allt som stoppas kan inte utnyttjas utan det kan sluta som atomer eller dubbelladdade joner. Här kommer heliums energinivåer in. Grundtillståndet ligger på runt -24eV, vilket gör att allt som stoppas i gasen borde sluta som dubbelladdade joner. Men det sker inte, något som man kan tro beror på föroreningar i gasen. För mycket och man tappar alla joner. Men Helium har två system Triplett-He som är metastabilt har en «jonisationsenergi» runt 4,7 eV. Men denna energinivå tillsäger att man bara får atomer. Så det handlar om en balansgång. Problemet är att man inte vet om det finns Triplett-He i gasen, det borde men vad jag vet så är det inte bekräftat än. Det finns två sätt, 1) obsertvera ljus får gas-kammaren och se efter triplett linjer eller 2) under exteremt rena förhållanden se efter en jon med massa 8, He-molekyl jonen. Även om Helium är en ädelgas så kan den bilda molekyler men då måste en eller båda av atomerna vara i triplett-tillståndet.

Så helium är ett av de grundämnen som jag har ett speciellt förhållande till.