来自太阳的神秘588谱线

来历科学大院

元素周期表一百余号元素，咱们熟知排名榜首的氢，往往疏忽了排名第二的元素——氦（Helium），元素符号为He。其实，氦（He）是一个当之无愧的“瑰宝男孩”，无论是“想带你去浪漫的土耳其”的热气球填充气体、仍是沙巴芭堤雅潜水罐里的气体，都离不开氦气。这些都和氦气自身的特性离不开。今日，咱们就来聊聊这个“瑰宝男孩”——氦气。

元素周期表排名第二的元素——氦He （来历视觉我国）

来自太阳的奥秘588谱线

英文中男性第三人称“他”也是He，跟氦相同——这可不是偶然，由于两个He都跟太阳有关。男性天然是阳性，跟太阳有关；氦是从对太阳的研讨中发现的。

法国天文学家Gees Rayet（1839-1906）（图片来历维基百科）

1868年法国天文学家的杨森（Gees Rayet）运用分光镜调查太阳外表时，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。与此一起，专业研讨太阳的英国科学家洛克耶爵士（Sir Joseph Norman Lockyer）在伦敦也调查到了这条波长为588纳米的谱线。凭仗敏锐的洞察力，他揣度这是新元素，并以希腊语的Helios（太阳）对其命名为Helium。趁便，这位洛克耶，是《Nature》的创办者和首任修改。

英国科学家Sir Joseph Norman Lockyer（1836-1920），其时公认的太阳光谱专家，也是He的命名者 （图片来历大英百科）

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觅这个元素。1895年春天，苏格兰化学家拉姆西爵士（Sir William Ramsay）从钇铀矿石里首要得到了氦气。其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去，用光谱法检测剩余的气体，居然发现了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剖析，洛克耶承认这就是他命名的He。

苏格兰化学家Sir William Ramsay（1852-1916），曾获1904年诺贝尔化学奖。他是首个发现地球上存在He元素的科学家 （图片来历维基百科）

差不多相一起刻，瑞典一对科研好基友也在研讨钇铀矿，克莱夫（Per Teodor Cleve）和兰吉特（Abraham Langlet）一同独立别离了很多高纯度的氦气，而且准确测定了分子量。对了，钇铀矿的英文是cleveite，看来克莱夫命中注定得在He的别离史上记载一笔。

还有个美国人就比较倒运了。化学家希勒布兰德（William Francis Hillebrand）在研讨钠铀矿的时分也得到了氦气，而且还留意到了反常的588纳米谱线。可是他却把谱线归属给了氮气，然后失去氦气别离者的时机。不读文献害死人啊，同志们！了，这位希勒布兰德其实也是大牛，家世显赫的他，初次别离了纯铈（Ce，Cerium）。

什么？世界大爆炸发作了He？

仔细的小伙伴们必定留意到了，怎样氦气都是从放射性矿藏中得到啊？要回答这个问题，就得从氦的特性说起了。

氦是世界中第二多也是第二轻的元素，氢是榜首多也是榜首轻——大约占世界总物质的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发作氦-4。从来历上看，绝大部分氦直接发作于世界大爆炸的一会儿，还有少数归于星球核聚变反响的产品，再有极少的一点点来历于放射性α衰变（α粒子就是氦-4的原子核）。正因如此，处理放射性矿藏的时分，会得到少数的氦气；仍是由于如此，氦气实际上归于不行再生资源。

世界大爆炸示意图

尽管在全世界中的丰度很高，但地球上的氦气却十分名贵。一起，由于氦气真实太轻了，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

如同该聊聊氦的化学性质。

作为慵懒气体排名榜首的带头大哥，氦适当高（duo）冷（xing），是一切已知元素中最不生动的。原因很简单，由于氦原子真实太小了，原子核到安稳电子层的间隔十分短，所以氦具有最大的电离能和零亲和能，电子得失极不简单发作。没有得失心，那就天然稳如泰山喽~咱们要向氦多多学习。

凭仗范德华力，氦能构成一些短寿的化合物，比方LiHe和He2。假如考虑到带电粒子，HeH⁺可是现在人类已知的最强酸，惋惜这儿的氦只能以离子方式存在。

南开大学王慧田、周向锋团队组成Na₂He的论文宣布在《天然·化学》上

2017年2月6日，我国南开大学的王慧田、周向锋团队及其合作者在《天然·化学》上宣布了有关在高压条件下组成氦钠化合物——Na₂He的论文，完毕了氦元素无安稳化合物的前史，标志着我国在稀有气体化学范畴走到了最前沿。他们在110万倍大气压下得到了该化合物，而且用单晶衍射证明其结构。该作业证明了高压下He会具有弱的化学活性可以与在高压下还原性明显增强的Na构成化合物。

低温凝结？不存在的

其实，用低冷来描述氦恐怕愈加适宜。氦的沸点是一切人类已知物质中最低的，所以常常被用来制作超低温环境。靠氦的协助来研讨低温下不同物质的性质，就发作了物理学的新分支——低温物理学。

不跑题，咱只说说氦的低温性质。

对氦的超低温研讨追溯到一百多年前。1907年德国物理学家海克·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）把氦气一向冷至不到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，跟其他低温液体比方液氮相同，此刻的液氦遇热也会欢腾冒泡；温度更低的时分，液氦就变成另一种形状——氦 II。

液氮作业温度规模 （图片来历http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu）

氦 II有一些好玩的性质。首要它遇热不再欢腾，而是直接从外表蒸腾。这是由于氦 II的导热性是人类已知物质中最强的。一般物体的导热依托的是价电子，氦 II压根儿没这玩意儿，在量子机制下，暖流只能以波的方式在其间传导，类似于声波在空气中的传达。所以这种现象也叫第二声响（second sound）。

流体He （图片来历维基百科）

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可以活动经过极细孔径的管道。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。玻璃杯由空的逐渐装满了。把这个盛着液态氦的小玻璃杯提出来，挂在半空时，玻璃杯底下呈现了液氦，不一会，杯中的液态氦就“漏”光了——这就是超流体的超活动性（superfluidity）。

液氦这么风趣，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，但很惋惜，他没能拿到固氦。这不能怪他手工不精，到现在为止，在人类能到达的极限低温0.000001 K下，常压氦仍然是液体。幸而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，总算拿到了1立方厘米的固氦。学术薪火相传，可喜可叹！

超低温下大显神通

聊了半响，氦到底有什么用啊？

氦的化学性质很不生动，所以对它的运用，都是运用其物理性质。氦很轻，又慵懒，可以用来填充气球和飞艇，安全可靠；慵懒气体都可以用来填充霓虹灯管，氦也不破例；各种需求维护气的当地，氦也能大显神通；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，避免减压病；……，现在运用最多的，仍是液氦。

液氦为核磁共振供给超低温作业环境 （图源视觉我国）

咱们前面提到过液氦带来的低温物理学，这门学识的一大分支就是研讨超导。依托液氦供给的超导环境，其最大用处是支撑医学成像工业，特别是磁共振成像MRI，以及化学生物资料方面的高端剖析。这些剖析手法在技能上都需求十分强的磁场，一般导体在高电流下发作强磁场是无法完成的，而超导体对电子的活动没有阻力，有才能发作巨大的磁场，然后完成高分辨率的成像。假如没有液氦供给的低达4.2K的超低温度，超导体就不行能发作。（相关链接人类的超导发现史）

最近几十年，医疗技能飞速进步，科研手法也一日千里，全世界对核磁共振的需求呈指数级添加。相应的，对液氦的需求也暴增。可是氦气的挖掘却产能缺乏，人类在张狂吃老本。2016年中的数据显现，氦的全球耗费量大约是每年80亿立方英尺，但在全球氦气的最大供应国美国，现有的国家储藏仅剩余242亿立方英尺。美国探明的总储量也只要大约1530亿立方英尺。氦气的缺少，比石油缺少来的还会快。更让人心忧的是，氦气简直是无法代替的。

到月球去——踏上寻觅氦气之旅

氦在热核物理方面还存在理论上十分巨大的运用远景。当温度到达1亿K时，氦就被“点着”三个氦原子核聚组成一个碳原子核；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，不过发作这一反响的概率很低；氖原子核进一步吸收氦原子核的概率就更低至疏忽不计。

太阳上的氢被耗费完后，中心将发作坍缩导致温度上升，当中心的温度到达1亿K时，氦聚变将开端进行并生成很多碳。由于此刻的氦中心现已适当于一个小型“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《漂泊地球》的原著小说里，根底设定就是人类面对太阳氦闪。，太阳真实氦闪得要等至少60亿年，小说里明显把这个时刻提早了。（相关链接《漂泊地球》中的科学太阳何时吞并地球？科学家们现已给出时刻表）

2019年贺岁档影片《漂泊地球》中人类面对太阳氦闪

五十年又五十年，可控核聚变的运用现已成为核物理范畴的老段子。其技能难点之一就是氢核氘氚的聚变尽管质料廉价，可是会发作很多高能中子，对反响设备发作严峻的放射性损害。假如能用氦的同位素He-3作为核聚变质料，将会有更多优点反响发作的能量更大；聚变发作质子而不是中子，质料He-3自身没有放射性，更安全更环保；反响进程易于控制。He-3的核聚变，也被称为终极聚变。

嫦娥四号着陆器五颜六色全景图 （图片来历http://.spacechina.）

但问题是，氦自身现已很稀有，He-3就更少了。全球可提取的He-3总量大约只要15-20吨。不过，月球地壳浅层中He-3储量极为丰厚，保存估量在100万吨以上。以人类现在的能量耗费，100吨He-3满足全世界运用一年，8-10吨就够我国运用一年。嫦娥四号探月的意图之一就是了解月球上He-3的详细情况。理论上来说，月球反面更简单发作He-3，所以咱们的探测器在月球反面着陆。人类在太阳中发现了氦，却到月亮上持续寻觅它。（相关链接嫦娥四号着陆月球，十大亮点通知你到底有多牛！）

不过，间隔人类可以运用月球的He-3，恐怕还有很长一段时刻——期望不是五十年又五十年——所以，在此之前，咱们除了仰视明月之外，还得要留意善待氦气，爱惜氦气。这话好像说了也白说……究竟一般人也简直没时机触摸氦气。但白说我也得说，由于不说白不说。这意思，你懂的。