氦气:来自太阳的神秘元素

作者: 望羲

来源: 科学大院

发布日期: 2019-03-13

氦气是元素周期表中排名第二的元素,具有多种重要应用,包括热气球填充、潜水气体、超导环境等。它最初在太阳中发现,后来在地球上的放射性矿物中被分离出来。氦气在宇宙中的丰度很高,但在地球上非常稀有且不可再生。氦气的化学性质极不活泼,是所有已知元素中最不活泼的,常用于制造超低温环境。此外,氦在热核物理方面有巨大的应用前景,尤其是其同位素He-3在月球上的丰富储量,为未来的能源开发提供了可能。

元素周期表一百余号元素,大家熟知排名第一的氢,往往忽略了排名第二的元素——氦(Helium),元素符号为He。其实,氦(He)是一个名副其实的“宝藏男孩”,无论是“想带你去浪漫的土耳其”的热气球填充气体、还是沙巴芭堤雅潜水罐里的气体,都离不开氦气。这些都和氦气本身的特性离不开。今天,我们就来聊聊这个“宝藏男孩”——氦气。

来自太阳的神秘588谱线。

英文中男性第三人称“他”也是He,跟氦一样——这可不是巧合,因为两个He都跟太阳有关。男性自然是阳性,跟太阳有关;氦是从对太阳的研究中发现的。1868年法国天文学家的拉叶(Georges Rayet)利用分光镜观察太阳表面时,发现了新的黄色谱线。这个发现被他的法国同行简森(Pierre Janssen)确证之后写了篇paper提交给法国科学院。

与此同时,专业研究太阳的英国科学家洛克耶爵士(Sir Joseph Norman Lockyer)在伦敦也观察到了这条波长为588纳米的谱线。凭借敏锐的洞察力,他推断这是新元素,并以希腊语的Helios(太阳)对其命名为Helium。

发现He之后的二十多年里,不同国家的科学家都在想办法从地球上寻找这个元素。1895年春天,苏格兰化学家拉姆西爵士(Sir William Ramsay)从钇铀矿石里首先得到了氦气。当时拉姆西想弄点氩气,他用酸处理矿石后得到些气体,然后他把气体中的氮气和氧气除掉,用光谱法检测剩余的气体,竟然发现了588纳米的谱带。他把这份气体样品交给近水楼台先得月的洛克耶爵士分析,洛克耶确认这就是他命名的He。

氦是宇宙中第二多也是第二轻的元素,氢是第一多也是第一轻——大约占宇宙总物质的24%。这些氦主要是氦-4,其核子具有比较高的结合能,所以核聚变和放射性衰变都会产生氦-4。从起源上看,绝大部分氦直接产生于宇宙大爆炸的一瞬间,还有少量属于星球核聚变反应的产物,再有少少的一点点来源于放射性α衰变(α粒子就是氦-4的原子核)。

正因如此,处理放射性矿物的时候,会得到少量的氦气;还是因为如此,氦气实际上属于不可再生资源。

作为惰性气体排名第一的带头大哥,氦相当高(duo)冷(xing),是所有已知元素中最不活泼的。原因很简单,因为氦原子实在太小了,原子核到稳定电子层的距离非常短,所以氦拥有最大的电离能和零亲和能,电子得失极不容易发生。没有得失心,那就自然稳如泰山喽~大家要向氦多多学习。

氦的沸点是所有人类已知物质中最低的,所以常常被用来制造超低温环境。靠氦的帮助来研究低温下不同物质的性质,就产生了物理学的新分支——低温物理学。对氦的超低温研究追溯到一百多年前。

1907年德国物理学家海克·昂内斯(Heike Kamerlingh Onnes)把氦气一直冷至不到1 K(低于零下272.15℃),得到了液氦——还买一赠一:在氦沸点4.22 K到2.18 K之间,液氦是看上去正常的无色液体氦 I,跟其他低温液体比如液氮一样,此时的液氦遇热也会沸腾冒泡;温度更低的时候,液氦就变成另一种形态——氦 II。

氦的化学性质很不活泼,所以对它的利用,都是应用其物理性质。氦很轻,又惰性,可以用来填充气球和飞艇,安全可靠;惰性气体都可以用来填充霓虹灯管,氦也不例外;各种需要保护气的地方,氦也能大显身手;还有,氦气是人类已知在水中溶解性最差的气体,可以用来加到潜水员的氧气罐里代替氮气,防止减压病;……当然,如今利用最多的,还是液氦。

氦在热核物理方面还存在理论上非常巨大的应用前景。

当温度达到1亿K时,氦就被“点燃”:三个氦原子核聚合成一个碳原子核;生成的碳原子核又可吸收一个氦原子核,变为氧原子核:氧原子核还可吸收一个氦原子核,生成氖原子核,不过发生这一反应的概率很低;氖原子核进一步吸收氦原子核的概率就更低至忽略不计。太阳上的氢被消耗完后,核心将发生坍缩导致温度上升,当核心的温度达到1亿K时,氦聚变将开始进行并生成大量碳。

由于此时的氦核心已经相当于一个小型“白矮星”(电子简并态),热失控的氦聚变将导致氦闪。

但问题是,氦本身已经很稀有,He-3就更少了。全球可提取的He-3总量大约只有15-20吨。不过,月球地壳浅层中He-3储量极为丰富,保守估计在100万吨以上。以人类目前的能量消耗,100吨He-3足够全世界使用一年,8-10吨就够我国使用一年。嫦娥四号探月的目的之一就是了解月球上He-3的详细情况。

理论上来说,月球背面更容易产生He-3,所以咱们的探测器在月球背面着陆。人类在太阳中发现了氦,却到月亮上继续寻找它。

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