ヘリウムは、地球上で最も軽い不活性気体です。その独特の性質から、MRI装置の冷却や飛行船の浮揚など、様々な分野で利用されています。このクイズでは、ヘリウムの発見の経緯、化学的特徴、天然の存在量、物理的性質など、ヘリウムに関する基礎知識を問います。ヘリウムの特性や利用方法について理解を深めていただければと思います。
Q1 : 地球上で商業的にヘリウムを主に回収・採取する資源はどれか？
商業的なヘリウム生産は主に天然ガス田から行われます。地殻内で放射性元素のアルファ崩壊により生じたヘリウムは時間をかけて地下に蓄積され、密閉された天然ガス鉱床に高濃度で含まれることがあります。そのため天然ガスを処理する過程でヘリウムが回収され、分留などで分離・精製されます。大気中にもヘリウムは存在しますが濃度が非常に低く経済的に大量回収する方法としては天然ガス資源が主流です。
Q2 : 宇宙におけるヘリウムについて正しい記述はどれか？
宇宙においてヘリウムは水素に次いで二番目に豊富な元素であり、ビッグバン核生成（ビッグバン翌数分の間）で大量に作られました。初期宇宙では主に水素とヘリウム（特にヘリウム-4）が生成され、その後の星の内部でも水素がヘリウムに核融合してさらにヘリウムを生みます。従って『ビッグバンで水素に次いで大量に生成された』が正しく、他の選択肢は事実と異なります。
Q3 : MRI装置において液体ヘリウムが主に用いられる理由はどれか？
MRI（核磁気共鳴画像法）装置では超伝導コイルを用いた高磁場が必要で、これら超伝導材料を超伝導状態に保つためには極低温が要ります。液体ヘリウムは沸点約4.2 Kと非常に低いため、超伝導磁石を冷却して常に超伝導状態を維持する冷媒として使われます。液体ヘリウムは主に冷却目的で用いられ、他の選択肢はMRIにおける液体ヘリウムの主目的を正確に表していません。
Q4 : ヘリウムを詰めた風船が空中に浮くのはなぜか？
風船が浮く基本的な理由はアルキメデスの原理による浮力で、周囲の空気を置き換えることで働く力が重力より大きくなると上昇します。ヘリウムは分子量が約4で、空気の平均分子量（約29）よりはるかに小さいため同じ体積あたりの質量（密度）が小さく、同体積の空気より軽くなります。したがってヘリウムを入れた風船は周囲の空気より軽くなり浮力を受けて上昇します。
Q5 : 天然に最も豊富なヘリウム同位体はどれか？
天然に存在するヘリウムのほとんどはヘリウム-4（4He）です。4Heはビッグバン核生成や恒星内部の核融合で大量に生成される安定同位体で、地球上で見つかるヘリウムの大部分を占めます。一方ヘリウム-3は非常に稀で、トリチウムは放射性の水素同位体でヘリウムの同位体ではありません。従って天然のヘリウムとして最も豊富なのはヘリウム-4です。
Q6 : ヘリウム-4が超流動状態に移るラムダ点（約何Kか）？
ヘリウム-4は約2.17ケルビンでラムダ点と呼ばれる転移を迎え、そこを下回ると超流動（ヘリウムII）になります。超流動状態では粘性がほとんどゼロになる、二重流体モデルで説明される非粘性成分が現れる、毛細管を逆流するような現象（噴出効果）や熱伝導が異常に高くなるなどの特異な物性を示します。ラムダ点は実験的に観測可能な明確な転移温度で、液体ヘリウム研究の重要な基準です。
Q7 : ヘリウム（He-4）の常圧における沸点はおおよそ何ケルビンか？
ヘリウム-4の常圧（1気圧）での沸点は約4.22ケルビンです。これは全元素中で最も低い沸点に近い値であり、ヘリウムは極低温でしか液体化しません。液体ヘリウムはさらに低温で超流動状態（ヘリウムII）になり、その転移点は約2.17 K（ラムダ点）です。ヘリウムの極めて低い沸点は超伝導磁石や低温物理実験などの冷却媒体として重宝される理由の一つです。
Q8 : ヘリウムが最初に発見されたの理由はどれか？
ヘリウムは最初に太陽のスペクトル観測によって同定されました。1868年に太陽のフラッシュスペクトル中に未知の黄色線（後に“D3”と呼ばれる線）が観測され、ジョセフ・ノーマン・ロックウッドらが新元素の存在を提唱し、これをギリシャ語の太陽を意味する「helios」に由来する“helium”と命名しました。その後1895年にウィリアム・ラムゼイらが地球上で天然ガスからヘリウムを単離しましたが、発見の起点は太陽スペクトルの観測です。
Q9 : 地球大気中に含まれるヘリウムの体積濃度は約どれくらいか？
地球大気中のヘリウム濃度は非常に低く、体積比で約5.24 ppm（0.000524%）程度とされています。ヘリウムは軽くて逃げやすいため大気中には蓄積されにくく、地殻中で放射性元素のアルファ崩壊により生成されたヘリウムが天然ガスにトラップされる形で産出されます。したがって大気中濃度はppmオーダーの非常に小さい値で、選択肢の中では約5.24 ppmが実測値に近い正しい値です。
Q10 : ヘリウムの原子番号はどれか？
ヘリウムの原子番号は2で、陽子の数を示します。元素記号はHe、原子番号2のため原子核には陽子が2個あり、中性原子では電子も2個存在して電子配置は1s2となります。ヘリウムは周期表で第18族の希ガス（貴ガス）に属し、化学的に非常に安定で反応性がほとんどないことが特徴です。原子番号は元素の基本的な識別子であり、ヘリウムの場合は常に2を示しますのでこの数値が正解です。
まとめ
いかがでしたか？ 今回はヘリウムクイズをお送りしました。
皆さんは何問正解できましたか？
今回はヘリウムクイズを出題しました。
ぜひ、ほかのクイズにも挑戦してみてください！
次回のクイズもお楽しみに。
