元素的故事：嗨，氦！

2023-05-16卞跃跃

知识就是力量 2023年5期

关键词：液氦原子核氦气

卞跃跃

氦独来独往，在地球上，它的主要存在形式是单独离散的氦原子，即氦气；氦轻盈飘逸，它的密度很小，是除了氢气以外密度最小的物质；氦与世无争，几乎不与任何元素发生化学反应。

氦还是人类在地球以外发现的首个化学元素，人们通过对太阳光进行光谱分析发现了它。氦的名字取自希腊神话中的太阳神——赫里阿斯，也是为了纪念它与众不同的发现地——太阳。

从阳光中看见氦

在地球上找到氦

1868年夏天，法国天文学家皮埃尔·让森来到印度观察日全食。在阳光通过分光镜形成的光谱中，他发现了一条前人从未见过的黄线。两个月后，英国天文学家约瑟夫·诺曼·洛克耶在伦敦也观察到了这条黄色谱线。

光谱分析法（根据物质的光谱鉴别物质，确定其化学组成、相对含量的方法）自19世纪中叶被发明以后，在元素的验证和发现中贡献卓著。当时，若出现新的特征光谱，很可能意味着发现了新的元素。

洛克耶敏锐地意识到这条黄色谱线可能属于一种新的元素，他以希腊神话中太阳神的名字赫里阿斯（Helios），将其命名为氦（Helium），元素符号为He。

氦从在阳光中被看见，到在地球上被找到，经过了20多年的时间。1895年春天，英国化学家拉姆塞想要制取氩气（稀有气体之一），他用酸处理钇（yǐ）铀矿石后得到一些气体。把气体中的氮气和氧气去除之后，他用光谱分析法检测剩余气体时，竟然发现了588纳米处的氦元素特征谱线。由于氦的光谱黄线附近还有钠元素的黄线，而拉姆塞没有更精密的仪器，于是他把气体样品交给了以研究光谱著称的物理学家、化学家威廉·克鲁克斯，最终得到了確认的答案，氦在地球上被发现了！

地球内部的天然放射性元素衰变放射出α射线，即氦原子核。氦原子核在捕获自由电子之后，就形成了氦原子。因此，氦元素常常会出现在含有放射性物质的地层中（绘图/魏欣）

与人类捉迷藏的氦气

宇宙中的氦元素大约占到物质总量的24%，丰度仅次于氢元素，比其他元素要多得多。但是，地球上的氦元素非常少，主要来源是核聚变和放射性元素的衰变。

氦气在空气中含量也很少，只占约0.0005%，主要原因是地球引力无法持续束缚氦气这类密度很小的气体。氦气一旦从封闭的地下重见天日，是不会长久停留在大气层中的，它将慢慢扩散并最终从地球表面逃逸到宇宙中。

那么，要如何制备氦气呢？从空气中制备，成本过于昂贵，所以目前工业获取途径都是从天然气中分离。

单以地球系统来看，氦气属于不可再生资源。与石油和天然气这些不可再生资源相比，人们一开始并没有把氦气作为重要的资源来对待。但是，随着氦在诸多领域的广泛应用，氦气这个曾经的天然气开采副产品，愈发受到重视。

许多研究都试图论证氦气和天然气可能是伴生的，然而因为生成机制上的差异，放射性元素衰变产生的氦气和生物或有机成因的天然气之间，可能并没有必然的伴生关系。

虽然目前氦气主要是从天然气中分离的，但与天然气、石油和地下水等资源类似，它们的密度不同，储藏的地层层位也不同，因此氦气资源可能富集在地层中相对地势更高的区域。

世界各国对氦资源的需求量都在增加，这就需要科学家积极寻找解决方案，其中包括地质学家提出新的理论模型，从地层中勘探、开发这些与人类捉迷藏的“小家伙”。

最后一个

被人类液化的气体

由于氦气密度小、性质稳定、足够安全，常被用来填充热气球、温度计、电子管、潜水服等，还可用作原子反应堆和加速器、激光器等高温作业环境下的保护气体。

我们知道，二氧化碳通常是气态的，在标准大气压下，当温度降到零下78.5摄氏度以下时可以变为固态，即我们通常所说的“干冰”。氮气、氧气、氢气等都可以通过降低温度变成各种“冰”。但是，氦却是唯一不能在标准大气压下变成固态的物质，即使从气态变为液态也非常困难，因为氦气的标准沸点温度仅为4.2开尔文（零下268.95摄氏度）。