卞躍躍

氦獨(dú)來(lái)獨(dú)往，在地球上，它的主要存在形式是單獨(dú)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(zhì)；氦與世無(wú)爭(zhēng)，幾乎不與任何元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

氦還是人類在地球以外發(fā)現(xiàn)的首個(gè)化學(xué)元素，人們通過(guò)對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)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(yáng)神——赫里阿斯，也是為了紀(jì)念它與眾不同的發(fā)現(xiàn)地——太陽(yáng)。

從陽(yáng)光中看見(jiàn)氦

在地球上找到氦

1868年夏天，法國(guó)天文學(xué)家皮埃爾·讓森來(lái)到印度觀察日全食。在陽(yáng)光通過(guò)分光鏡形成的光譜中，他發(fā)現(xiàn)了一條前人從未見(jiàn)過(guò)的黃線。兩個(gè)月后，英國(guó)天文學(xué)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(zhì)的光譜鑒別物質(zhì)，確定其化學(xué)組成、相對(duì)含量的方法）自19世紀(jì)中葉被發(fā)明以后，在元素的驗(yàn)證和發(fā)現(xiàn)中貢獻(xiàn)卓著。當(dāng)時(shí)，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(shí)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(yáng)神的名字赫里阿斯（Helios），將其命名為氦（Helium），元素符號(hào)為He。

氦從在陽(yáng)光中被看見(jiàn)，到在地球上被找到，經(jīng)過(guò)了20多年的時(shí)間。1895年春天，英國(guó)化學(xué)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?dú)夂脱鯕馊コ?，他用光譜分析法檢測(cè)剩余氣體時(shí)，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(méi)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(xué)家、化學(xué)家威廉·克魯克斯，最終得到了確認(rèn)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(huì)出現(xiàn)在含有放射性物質(zhì)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(zhì)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(lái)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(wú)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(jiàn)天日，是不會(huì)長(zhǎng)久停留在大氣層中的，它將慢慢擴(kuò)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(guò)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(lái)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(kāi)始并沒(méi)有把氦氣作為重要的資源來(lái)對(duì)待。但是，隨著氦在諸多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，氦氣這個(gè)曾經(jīng)的天然氣開(kāi)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?yàn)樯蓹C(jī)制上的差異，放射性元素衰變產(chǎn)生的氦氣和生物或有機(jī)成因的天然氣之間，可能并沒(méi)有必然的伴生關(guān)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(chǔ)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(duì)地勢(shì)更高的區(qū)域。

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

最后一個(gè)

被人類液化的氣體

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

我們知道，二氧化碳通常是氣態(tài)的，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，當(dāng)溫度降到零下78.5攝氏度以下時(shí)可以變?yōu)楣虘B(tài)，即我們通常所說(shuō)的“干冰”。氮?dú)?、氧氣、氫氣等都可以通過(guò)降低溫度變成各種“冰”。但是，氦卻是唯一不能在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下變成固態(tài)的物質(zhì)，即使從氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)也非常困難，因?yàn)楹獾臉?biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)溫度僅為4.2開(kāi)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(xué)家海克·卡末林·昂內(nèi)斯嘗試?yán)谜舭l(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(gè)被人類液化的氣體。當(dāng)液氦溫度繼續(xù)下降至2.18開(kāi)爾文（零下270.97攝氏度）時(shí)，會(huì)發(fā)生性質(zhì)突變，成為一種超流體，它可以沿容器壁向上流動(dòng)，“爬”進(jìn)容器，并變成超導(dǎo)體。

地球圈層結(jié)構(gòu)示意圖

由于在液氦制備方面的絕對(duì)領(lǐng)先地位，1911年，昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)把汞冷卻到4.15開(kāi)爾文（零下269攝氏度）時(shí)，電阻會(huì)突然消失，這是人類首次發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，他也由此開(kāi)辟出低溫物理學(xué)這一新領(lǐng)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(dǎo)磁體制造磁場(chǎng)，而超導(dǎo)磁體工作需要液氦提供的低溫超導(dǎo)環(huán)境。超導(dǎo)磁體只有在超低溫環(huán)境下才能產(chǎn)生巨大的磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)高分辨率醫(yī)學(xué)成像。

?氦（紫色點(diǎn)）富集的示意（繪圖/魏欣）

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

超導(dǎo)體具有零電阻和完全抗磁性等特性。在未來(lái)，室溫超導(dǎo)可能會(huì)完全顛覆我們生產(chǎn)、運(yùn)輸、消耗電能的方式，帶來(lái)一系列能源變革和技術(shù)革命。

除了低溫物理學(xué)領(lǐng)域，在極高溫度的熱核物理方面，氦也存在應(yīng)用前景。氦在極高的溫度條件下（通常1億攝氏度以上）會(huì)被“點(diǎn)燃”：3個(gè)氦原子核可以聚合成1個(gè)碳原子核，生成的碳原子核又可吸收1個(gè)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?xì)鈶B(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(lái)，一旦完全掌握了以氫或氦為原料的可控核聚變技術(shù)（關(guān)于現(xiàn)階段可控核聚變技術(shù)，見(jiàn)《知識(shí)就是力量》2023年1月刊），人類將實(shí)現(xiàn)清潔能源的開(kāi)發(fā)利用。讓我們一起期待吧！

（責(zé)任編輯 / 高琳? 美術(shù)編輯 / 周游）