中学科普类文章——氦元素(He)

中学科普类文章——氦（He）
氦——它，来自太阳，人类却在月亮上继续找它
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年法国天文学家的杨森（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。

顺便，这位洛克耶，是《Nature》的创办者和首任编辑。

看见了，摸不着？这可不行！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。

差不多相同时间，瑞典一对科研好基友也在研究钇铀矿，克莱夫（Per Teodor Cleve）和兰吉特（Abraham Langlet）一起独立分离了大量高纯度的氦气，并且精确测定了分子量。

对了，钇铀矿的英文是cleveite，看来克莱夫命中注定得在He的分离史上记录一笔。

还有个美国人就比较倒霉了。

化学家希勒布兰德（William Francis Hillebrand）在研究钠铀矿的时候也得到了氦气，并且还注意到了异常的588纳米谱线。

然而他却把谱线归属给了氮气，从而错失氦气分离者的机会。

不读文献害死人啊，同志们！当然了，这位希勒布兰德其实也是大牛，家世显赫的他，首次分离了纯铈（Ce，Cerium）。

什么？宇宙大爆炸产生了He？
细心的小伙伴们一定注意到了，怎么氦气都是从放射性矿物中得到啊？要回答这个问题，就得从氦的特性说起了。

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。

虽然在全宇宙中的丰度很高，但地球上的氦气却非常宝贵。

同时，由于氦气实在太轻了，地球引力拉不住，一旦被从地壳中释放出来，就会飞快逃逸到太空里。

这样只出不进又无法再生，更令地球上的氦显得弥足珍贵。

元素周期兄弟中最高(duo)冷(xing)的大哥
好像该聊聊氦的化学性质。

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。

凭借范德华力，氦能形成一些短命的化合物，比如LiHe和He2。

如果考虑到带电粒子，HeH⁺可是目前人类已知的最强酸，可惜这里的氦只能以离子形式存在。

2017年2月6日，中国南开大学的王慧田、周向锋团队及其合作者在《自然·化学》上发表了有关在高压条件下合成氦钠化合物——Na₂He的论文，结束了氦元素无稳定化合物的历史，标志着我国在稀有气体化学领域走到了最前沿。

他们在110万倍大气压下得到了该化合物，并且用单晶衍射证明其结构。

该工作证实了高压下He 会具有弱的化学活性能够与在高压下还原性显著增强的Na形成化合物。

低温凝固？不存在的
其实，用低冷来形容氦恐怕更加合适。

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。

不跑题，咱只说说氦的低温性质。

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II有一些好玩的性质。

首先它遇热不再沸腾，而是直接从表面蒸发。

这是因为氦II的导热性是人类已知物质中最强的。

一般物体的导热依靠的是价电子，氦II 压根儿没这玩意儿，在量子机制下，热流只能以波的形式在其中传导，类似于声波在空气中的传播。

所以这种现象也叫第二声音（second sound）。

超流体（superfluid）恐怕是氦II最广为人知的标签了——除了低温之外。

氦II 的黏度为零，很惯性地想，氦II可以流动通过极细孔径的管道。

海克在一百年前还发现超流体氦II的另一个现象：把一个小玻璃杯按在氦Ⅱ中。

玻璃杯由空的渐渐装满了。

把这个盛着液态氦的小玻璃杯提出来，挂在半空时，玻璃杯底下出现了液氦，不一会，杯中的液态氦就“漏”光了——这就是超流体的超流动性（superfluidity）。

液氦这么有趣，是不是固氦会更好玩啊？对这个问题，海克也特别想知道，尽管后来拿到诺奖，但很可惜，他没能拿到固氦。

这不能怪他手艺不精，到目前为止，在人类能达到的极限低温0.000001 K下，常压氦仍然是液体。

幸亏海克有个好学生基萨摩（Willem Hendrik Keesom），小伙在1926年给低温液氦加上压力，终于拿到了1立方厘米的固氦。

学术薪火相传，可喜可叹！
超低温下大显身手
聊了半天，氦到底有什么用啊？
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。

咱们前面提到过液氦带来的低温物理学，这门学问的一大分支就是研究超导。

依靠液氦提供的超导环境，其最大用途是支持医学成像产业，特别是磁共振成像MRI，以及化学生物材料方面的高端分析。

这些分析手段在技术上都需要非常强的磁场，一般导体在高电流下产生强磁场是无法实现的，而超导体对电子的流动没有阻力，有能力产生巨大的磁场，从而实现高分辨率的成像。

如果没有液氦提供的低达 4.2K 的超低温度，超导体就不可能产生。

（相关链接：人类的超导发现史）最近几十年，医疗技术飞速提高，科研手段也日新月异，全世界对核磁共振的需求呈指数级增加。

相应的，对液氦的需求也暴增。

然而氦气的开采却产能不足，人类在疯狂吃老本。

2016年中的数据显示，氦的全球消耗量大约是每年80亿立方英尺，但在全球氦气的最大供应国美国，现有的国家储备仅剩下242亿立方英尺。

美国探明的总储量也只有大约1530亿立方英尺。

氦气的短缺，比石油短缺来的还会快。

更让人心忧的是，氦气几乎是无法替代的。

到月球去——踏上寻找氦气之旅
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。

贺岁档大热影片《流浪地球》的原著小说里，基础设定就是人类面临太阳氦闪。

当然，太阳真正氦闪得要等至少60亿年，小说里显然把
这个时间提前了。

（相关链接：《流浪地球》中的科学：太阳何时吞并地球？科学家们已经给出时间表）
五十年又五十年，可控核聚变的应用已经成为核物理领域的老段子。

其技术难点之一就是氢核氘氚的聚变虽然原料便宜，但是会产生大量高能中子，对反应装置产生严重的放射性损伤。

如果能用氦的同位素He-3作为核聚变原料，将会有更多好处：反应产生的能量更大；聚变产生质子而不是中子，原料He-3本身没有放射性，更安全更环保；反应过程易于控制。

He-3的核聚变，也被称为终极聚变。

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。

（相关链接：嫦娥四号着陆月球，十大看点告诉你到底有多牛！）
不过，距离人类能够利用月球的He-3，恐怕还有很长一段时间——希望不是五十年又五十年——所以，在此之前，我们除了仰望明月之外，还得要注意善待氦气，珍惜氦气。

这话似乎说了也白说……毕竟一般人也几乎没机会接触氦气。

但白说我也得说，因为不说白不说。

这意思，你懂的。