元素的故事：嗨，氦！

卞躍躍

氦獨來獨往，在地球上，它的主要存在形式是單獨離散的氦原子，即氦氣；氦輕盈飄逸，它的密度很小，是除了氫氣以外密度最小的物質；氦與世無爭，幾乎不與任何元素發(fā)生化學反應。

氦還是人類在地球以外發(fā)現(xiàn)的首個化學元素，人們通過對太陽光進行光譜分析發(fā)現(xiàn)了它。氦的名字取自希臘神話中的太陽神——赫里阿斯，也是為了紀念它與眾不同的發(fā)現(xiàn)地——太陽。

從陽光中看見氦

在地球上找到氦

1868年夏天，法國天文學家皮埃爾·讓森來到印度觀察日全食。在陽光通過分光鏡形成的光譜中，他發(fā)現(xiàn)了一條前人從未見過的黃線。兩個月后，英國天文學家約瑟夫·諾曼·洛克耶在倫敦也觀察到了這條黃色譜線。

光譜分析法（根據(jù)物質的光譜鑒別物質，確定其化學組成、相對含量的方法）自19世紀中葉被發(fā)明以后，在元素的驗證和發(fā)現(xiàn)中貢獻卓著。當時，若出現(xiàn)新的特征光譜，很可能意味著發(fā)現(xiàn)了新的元素。

洛克耶敏銳地意識到這條黃色譜線可能屬于一種新的元素，他以希臘神話中太陽神的名字赫里阿斯（Helios），將其命名為氦（Helium），元素符號為He。

氦從在陽光中被看見，到在地球上被找到，經(jīng)過了20多年的時間。1895年春天，英國化學家拉姆塞想要制取氬氣（稀有氣體之一），他用酸處理釔（yǐ）鈾礦石后得到一些氣體。把氣體中的氮氣和氧氣去除之后，他用光譜分析法檢測剩余氣體時，竟然發(fā)現(xiàn)了588納米處的氦元素特征譜線。由于氦的光譜黃線附近還有鈉元素的黃線，而拉姆塞沒有更精密的儀器，于是他把氣體樣品交給了以研究光譜著稱的物理學家、化學家威廉·克魯克斯，最終得到了確認的答案，氦在地球上被發(fā)現(xiàn)了！

?地球內(nèi)部的天然放射性元素衰變放射出α射線，即氦原子核。氦原子核在捕獲自由電子之后，就形成了氦原子。因此，氦元素常常會出現(xiàn)在含有放射性物質的地層中（繪圖/魏欣）

與人類捉迷藏的氦氣

宇宙中的氦元素大約占到物質總量的24%，豐度僅次于氫元素，比其他元素要多得多。但是，地球上的氦元素非常少，主要來源是核聚變和放射性元素的衰變。

氦氣在空氣中含量也很少，只占約0.0005%，主要原因是地球引力無法持續(xù)束縛氦氣這類密度很小的氣體。氦氣一旦從封閉的地下重見天日，是不會長久停留在大氣層中的，它將慢慢擴散并最終從地球表面逃逸到宇宙中。

那么，要如何制備氦氣呢？從空氣中制備，成本過于昂貴，所以目前工業(yè)獲取途徑都是從天然氣中分離。

單以地球系統(tǒng)來看，氦氣屬于不可再生資源。與石油和天然氣這些不可再生資源相比，人們一開始并沒有把氦氣作為重要的資源來對待。但是，隨著氦在諸多領域的廣泛應用，氦氣這個曾經(jīng)的天然氣開采副產(chǎn)品，愈發(fā)受到重視。

許多研究都試圖論證氦氣和天然氣可能是伴生的，然而因為生成機制上的差異，放射性元素衰變產(chǎn)生的氦氣和生物或有機成因的天然氣之間，可能并沒有必然的伴生關系。

雖然目前氦氣主要是從天然氣中分離的，但與天然氣、石油和地下水等資源類似，它們的密度不同，儲藏的地層層位也不同，因此氦氣資源可能富集在地層中相對地勢更高的區(qū)域。

世界各國對氦資源的需求量都在增加，這就需要科學家積極尋找解決方案，其中包括地質學家提出新的理論模型，從地層中勘探、開發(fā)這些與人類捉迷藏的“小家伙”。

最后一個

被人類液化的氣體

由于氦氣密度小、性質穩(wěn)定、足夠安全，常被用來填充熱氣球、溫度計、電子管、潛水服等，還可用作原子反應堆和加速器、激光器等高溫作業(yè)環(huán)境下的保護氣體。

我們知道，二氧化碳通常是氣態(tài)的，在標準大氣壓下，當溫度降到零下78.5攝氏度以下時可以變?yōu)楣虘B(tài)，即我們通常所說的“干冰”。氮氣、氧氣、氫氣等都可以通過降低溫度變成各種“冰”。但是，氦卻是唯一不能在標準大氣壓下變成固態(tài)的物質，即使從氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)也非常困難，因為氦氣的標準沸點溫度僅為4.2開爾文（零下268.95攝氏度）。

氦氣“逃逸”示意圖（繪圖/ 魏欣）

1908年，荷蘭物理學家?？恕た┝帧ぐ簝?nèi)斯嘗試利用蒸發(fā)態(tài)的氫氣使氦氣持續(xù)降溫，第一次得到了液態(tài)氦。氦也成為最后一個被人類液化的氣體。當液氦溫度繼續(xù)下降至2.18開爾文（零下270.97攝氏度）時，會發(fā)生性質突變，成為一種超流體，它可以沿容器壁向上流動，“爬”進容器，并變成超導體。

地球圈層結構示意圖

由于在液氦制備方面的絕對領先地位，1911年，昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)把汞冷卻到4.15開爾文（零下269攝氏度）時，電阻會突然消失，這是人類首次發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象，他也由此開辟出低溫物理學這一新領域。

目前，液氦主要用在醫(yī)院的核磁共振掃描儀中。核磁共振需要超導磁體制造磁場，而超導磁體工作需要液氦提供的低溫超導環(huán)境。超導磁體只有在超低溫環(huán)境下才能產(chǎn)生巨大的磁場，實現(xiàn)高分辨率醫(yī)學成像。

?氦（紫色點）富集的示意（繪圖/魏欣）

液氦還可以為超導材料的研究和應用提供低溫超導環(huán)境，其制備和應用也推動了許多量子現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。

超導體具有零電阻和完全抗磁性等特性。在未來，室溫超導可能會完全顛覆我們生產(chǎn)、運輸、消耗電能的方式，帶來一系列能源變革和技術革命。

除了低溫物理學領域，在極高溫度的熱核物理方面，氦也存在應用前景。氦在極高的溫度條件下（通常1億攝氏度以上）會被“點燃”：3個氦原子核可以聚合成1個碳原子核，生成的碳原子核又可吸收1個氦原子核變?yōu)檠踉雍?，后續(xù)還有極小概率繼續(xù)吸收氦原子核嬗（shàn）變?yōu)楦氐脑亍?p>

?二氧化碳氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)變化示意圖，這種變化為物理變化（繪圖/魏欣）

未來，一旦完全掌握了以氫或氦為原料的可控核聚變技術（關于現(xiàn)階段可控核聚變技術，見《知識就是力量》2023年1月刊），人類將實現(xiàn)清潔能源的開發(fā)利用。讓我們一起期待吧！

（責任編輯 / 高琳? 美術編輯 / 周游）