地球上最“冷”的元素

李啟翔

誰(shuí)是地球上最“冷”的元素？其實(shí)在前面的“科學(xué)聚焦”欄目中就已經(jīng)藏著答案，那就是能用來(lái)讓汞超導(dǎo)化的元素——氦。

溫度最低才算“冷”

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（你可以理解為我們正常生活的大氣壓）下，我們需要將溫度降低到-268.785℃才能將氦氣液化。這個(gè)溫度已經(jīng)非常接近理論上的最低溫度“絕對(duì)零度”-273.15℃了。氦也因此喜提“最冷元素”的桂冠。

最不活潑也算“冷”

氦元素的性格十分“高冷”。它的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，既不會(huì)燃燒，也不會(huì)與其他的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新的物質(zhì)。氦氣還是在水中溶解度最小的氣體，幾乎不溶于水?？梢哉f(shuō)，氦是最不活潑的元素?？茖W(xué)家將氦氣這樣不輕易與別的元素“玩耍”的氣體稱為惰性氣體。

若即若離的“冷”

氦在宇宙中的含量非常豐富，達(dá)到了9%，僅次于氫的90%，剩下的1%才是所有其他元素。

然而在地球上，氦卻非常稀缺。因?yàn)楹な莾H次于氫的第二輕的元素，地球的引力抓不住它們。如果說(shuō)氫元素還能以水或者其他物質(zhì)的形式存在于地球表面，那么懶惰的氦氣在這顆藍(lán)色星球形成之初，就逃到宇宙中去了。因此，氦氣也被稱為稀有氣體，是一種寶貴的資源。

冷冷的氦，用處多

氦氣液化溫度極低、性質(zhì)不活潑、質(zhì)量輕盈，被廣泛應(yīng)用于科研、醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)和民用等領(lǐng)域。

辨色識(shí)元素

在介紹氦的發(fā)現(xiàn)之前，我們先介紹一下元素光譜法。

曾經(jīng)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)新的化學(xué)元素，主要是從自然界的物質(zhì)中分離提取，這就得碰運(yùn)氣，不但過(guò)程緩慢，還很難找到一些稀有的元素。

后來(lái)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，元素在高溫加熱后，會(huì)放射出特定波長(zhǎng)的光。科學(xué)家基爾霍夫發(fā)現(xiàn)，每一種元素的光譜都是獨(dú)特的，而且只需要一點(diǎn)點(diǎn)樣品就可以得到。之后，他便將光譜法應(yīng)用于新元素的發(fā)現(xiàn)，元素的發(fā)現(xiàn)就此進(jìn)入了爆發(fā)式增長(zhǎng)時(shí)期，極大程度推動(dòng)了近代化學(xué)的發(fā)展。

從陽(yáng)光中發(fā)現(xiàn)

1868年8月，在一次日全食的過(guò)程中，太陽(yáng)被月亮遮得嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)，只露出了周圍一圈日珥。法國(guó)天文學(xué)家皮埃爾·詹森利用光譜儀，從日珥的光譜中觀察到了一條新的亮黃色譜線。他意識(shí)到，這可能是一種新元素。

兩個(gè)月以后，英國(guó)天文學(xué)家約瑟夫·洛克耶在觀察太陽(yáng)光譜時(shí)，也觀察到了這條黃線，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)已知的元素中，沒(méi)有一種能產(chǎn)生這樣的譜線。于是他和一位英國(guó)化學(xué)家一起，將這種元素命名為Helium，意思是“太陽(yáng)”。

1881年，意大利物理學(xué)家帕爾米耶里在分析維蘇威火山的巖漿時(shí)發(fā)現(xiàn)了氦的光譜線，這是人們第一次在地球上發(fā)現(xiàn)氦，說(shuō)明氦元素在地球上同樣存在。而在之前很長(zhǎng)一段時(shí)間里，氦元素被認(rèn)為只存在于太陽(yáng)上。

1895年，蘇格蘭化學(xué)家威廉·拉姆齊將硫酸加入瀝青鈾礦時(shí)，產(chǎn)生了一種不活潑的氣體，最終這種氣體被驗(yàn)證為氦元素。這是人類首次在地球上分離出氦。在那以后，人們又陸續(xù)從其他礦石和天然氣中發(fā)現(xiàn)了氦。

宇宙中的氦

在上期認(rèn)識(shí)氫元素的時(shí)候，我們了解到，恒星的燃燒是氫元素在發(fā)生核聚變反應(yīng)，而燃燒的氫聚合在一起生成的新原子核——這正是氦原子核?？梢哉f(shuō)，氦元素是恒星燃燒的產(chǎn)物。氦作為一種“高冷”的元素，一般不會(huì)繼續(xù)燃燒，但在特定的條件下，宇宙中的氦也會(huì)爆發(fā)出驚人的能量。

氫合成氦的過(guò)程，貫穿了一顆恒星生命周期的大部分時(shí)間。當(dāng)恒星中的氫元素快要燃燒殆盡時(shí)，恒星就進(jìn)入了生命的后期，它會(huì)迅速膨脹為紅巨星。當(dāng)恒星內(nèi)部的溫度上升到一億開爾文后，就打開了氦元素聚變反應(yīng)的開關(guān)。在幾秒鐘到幾分鐘的極短時(shí)間里，大量的氦燃燒起來(lái)，產(chǎn)生爆炸式的劇烈反應(yīng)，使得恒星釋放出一百萬(wàn)倍的能量，這就是電影《流浪地球2》中引發(fā)地球危機(jī)的“氦閃”

地球上的氦

既然地球的引力留不住氦氣，那么人類各行各業(yè)使用的氦氣又是從哪里來(lái)的呢？

由于不溶于水，又無(wú)法與別的化合物相結(jié)合，地球上的氦氣幾乎都是由地殼中的放射性元素衰變產(chǎn)生的，非常稀少，且不可再生。

這些氦氣儲(chǔ)藏在被地殼包圍的地下封閉空間中，經(jīng)常與天然氣等混合在一起，人們?cè)陂_采天然氣后，再將氦氣分離出來(lái)。

由于氦氣暴露到空氣中就會(huì)離開地球，地下的氦氣又不可再生，因此地球上的氦氣終究會(huì)有耗盡的一天，氦氣成了越來(lái)越重要的資源。許多氦氣用量大的機(jī)構(gòu)都開始使用回收系統(tǒng)循環(huán)利用。

太陽(yáng)上氦元素的豐度達(dá)到27%，是太陽(yáng)系中氦元素最多的地方，但人類很難利用。木星、土星、天王星、海王星這些氣體巨行星上也有大量的氦，或許有一天，人類可以想辦法從它們那里獲得氦氣。