氦的自述:人类离不开氦气

  • 发现氦

我的名字叫做氦,符号是He。我也被人叫做太阳元素,因为我首先是在太阳上发现的,后来才在地球上找到。别看我是个独来独去的小不点儿,我可是个未来科技所需的新宠儿。

我的名字叫做氦,我是化学周期表的第2个元素,符号是He。

我也被人叫做太阳元素,因为我首先是在太阳上发现的,后来才在地球上找到。1868年,法国天文学家詹森在分析太阳的光谱时,偶然注意到一条异常的、意外的黄色光谱线。光谱线是每种元素加热到相当高温度时所放出的光线,与波长有关,因此每种元素发出的光谱线的颜色是独一无二的。科学家就利用元素的光谱线识别元素,就像警察利用指纹确定犯罪嫌疑人一样。因此詹森的结论是:必然有一个从未在地球上见过,但存在于太阳上的元素尚未被发现。

氦的光谱线

两年后,苏俄的化学家门捷列夫根据他发明的元素周期表预言:还有一个在元素周期表上位于氢和锂之间,原子量在1到7之间的元素。这个元素就是氦,不过起初门捷列夫并没有把这个元素的预言和先前詹森的发现连接起来。

过了二十多年后,苏格兰化学家拉姆齐在研究铀矿时发现了一种神秘的气体。他发现到这种气体的光谱很像先前詹森发现的那条黄色光谱线,但由于他没有仪器可以肯定这光谱线在光谱中的位置,只好求助于当时最优秀的光谱学家之一的克鲁克,克鲁克终于证明了这种气体就是氦。于是氦就这样在地球上发现了。

  • 宇宙间无处不在的氦

因为氦最初是在太阳上发现的,所以被命名为helium。这字源自于希腊文helios,原意是太阳,因此我的元素符号就定为He。氦也因此而被称为太阳元素。氦可说是第一个在地球以外的宇宙中发现的元素呢!

后来,在地球大气中也发现了我氦,并且发现地球的水中也有。此外,还发现外来的陨石上和宇宙线中也有氦的存在。因此,氦在天地间几乎无所不在。

氦是宇宙中第二个最丰富的元素,仅次于氢。氦和氢二者合起来在宇宙中的比率令人吃惊地高,可达99.9%。虽是如此,氦在地球上却较稀少,氦在地球所有气体中的含量仅排在第六位,即氦气排在氮气、氧气、氩气、二氧化碳和氖气之后。在地球上,几乎所有的氦气都是在天然气或放射性矿石中发现的。

其实,地球上的氦气主要来自放射性矿物(陨石中的氦也是这样来的)。也就是说,放射性矿物的氦是地球上氦的故乡。1公斤铀经过1亿年约能生产2克的我氦气。据估计,地球自形成后,已经产生了好多亿立方米的氦气。

氦被发现后,人们在科学技术实践中逐步摸清了氦的脾气和个性,于是开始把氦派上种种用场。

  • 氦的一些性质及制造氦气

在元素周期表里,氦排在惰性气体之首,因为这族的元素具有化学惰性,不与其他元素反应,所以把它们称为惰性气体。像本族所有其他气体(氖、氩、氪、氙、氡)一样,氦的活性太低,以至于自身也不能和其他元素化合,人们到现在从来没有制成过与氦相关的稳定化合物。

氦无色、无臭、无味且无毒,因此不会对大气造成污染。氦是个单原子分子气体,氦的惰性使得成为少数几个仍以单纯元素形式存在的元素之一,因此又有人称我是单身汉气体。氦有分子小、质量轻、易扩散的特点。氦是除了氢以外密度最小的气体,密度只及空气的七分之一。

也因为如此,氦气在空气中的浮力大,而成为一种有用的气体。尽管氦气的密度比氢气大,浮力比氢气小,但由于氦气不可燃、无毒性,因此具有比氢气大的优势。氦气曾用来代替容易爆炸肇祸的氢气充填气球和飞艇,为人类航空和高空气象探测等事业服务。

每年仅在美国就要生产大约0.85亿立方米的商用氦气。尽管天然气这种重要能源的基本成分是甲烷,但它含有浓度达0.3%的氦气,通过分馏可以把氦气从甲烷和其他杂质中分离出来。分馏是利用沸点的不同对液体混合物进行分离的一种技术。由于氦气的沸点相当低,只有摄氏零下268.9度,低于其他任何气体,因此氦气不容易液化。其实,氦气是所有气体中最难液化的。如果把天然气冷却,其他气体都会逐渐液化,最后就只留下氦气。

  • 液态氦

提到氦气的物理性质,和别的元素很不一样。比如说,氦气拥有所有元素最低的沸点,即摄氏零下268‭.‬9度,对其他气态元素而言,接近到如此低的温度前都早已液化为液体,只有氦气仍是气体。又氦气的凝固点是摄氏零下272度,因此氦气是唯一不因仅借低温就能固化的气态元素,若想要把氦气固化,不只要低温,还必须增加压力。

氦气既然是最难液化的气体,在化学和物理领域进行超低温实验研究时,就往往离不开液态氦。在1938年,人们还发现了我液态氦的一项绝技,那就是氦气在极低的温度下,会出现有趣的超流效应。

它在重力作用下流动并开始向上流动

处于超流状态的液态氦可以流过普通液体无法通过的极细毛细孔,如果把液态氦放到开口容器中,液态氦会沿着容器的内壁慢慢地爬出去,不一会儿,容器中的液态氦就会全跑光。如果把液态氦装在一个管子里,管口用磨得极细的金刚砂堵住,使它充满微孔,然后用光照射这管子,液态氦会从微孔里喷出约一公尺多高。

氦气也可混在塑胶、人造丝、合成纤维中制成泡沫塑料、泡沫纤维等。用这种泡沫纤维做成棉胎,又轻又暖,特别适合军事上使用。因为这种棉胎大大减轻了战士行军时的负担,而且一旦遇到江河阻拦,只需把棉胎往腰间一围,就变成一个救生圈。

  • 氦气的运用大全

前面说过,氦气不会和其他元素反应,再加上氦气既不能燃烧也不能助燃,因此绝不会腐蚀和损伤任何金属设备。焊接和冶金技术家就这样看中了氦气的高度化学稳定性,例如在轻金属焊接和冶炼中可以拿氦气做为保护剂,防止金属氧化和渗出空气等。

所谓焊接,就是把两块金属加热到高温,然后使它们接合在一起。但在高温时,金属容易和氧形成氧化物,如此一来,不是无法接合,就是纯度不够高。假若这样的接合是在充满氦气的容器内进行,就不会是个问题,只因为氦气具有惰性,不会和金属作用。

氦气也常用于检测裂缝系统,也就是假设一根管子有裂缝,用氦气可以很容易侦测到它。先把氦气从管子的一端输入,然后用侦测器在管子外检测,如此一来就可测出管子的裂缝在哪里,以及裂缝有多大,这也是运用氦气是个惰性气体,不会和管子里的任何物质作用的特性。同样道理,电子技术家也用氦气充填某些真空仪器。

氦气的另一个重要应用是在压力净空系统。在工业界常需要加压某系统,但系统内部的气体往往会和系统内的物质反应。一个解决之道,就是利用氦气是惰性气体,不和任何物质起作用,且氦气又是个无毒气体,因此可以用氦气来净空容器内的所有气体。

除氖气之外,氦气是最好的导电气体,又除了氢气以外,氦气是最佳的导热气体。在所有气体中,惰性气体是比较难溶于水的,而在惰性气体中,又以氦气最难溶于水。氦气的这一特性对潜水员来说十分重要。过去,潜水员潜入海底时,要用橡胶管供应空气,但由于深海的压力很大,而氮气在血液中的溶解度又随着压力的增加而增大,如果潜水员返回水面时上升太快,压力骤然下降,原先溶解在血液中的氮气便纷纷跑出来,这就像汽水瓶盖打开后产生泡沫一样。因此当潜水员出水时,往往会因血管阻塞而得潜水病,严重时会有生命危险。

现在,用氦气取代氮气,是因为氦气的溶解度比氮低,再加上氦气很难溶解在血液中,人们就利用氦气和氧气混合制成混合空气,这样就能给潜水员提供较好的保护,避免患上潜水的主要职业病─ 潜水病。

氦气具有三种可以应用于医药的主要特性,因为氦气是轻的、不燃烧的、无毒的。又氦气可以应用于手术室,稀释极易着火的麻醉剂。又一般防火气体中以二氧化碳最佳,氦气次之,可是二氧化碳不能和麻醉剂应用于治疗,因此氦气是最适宜的防火气体了。如果将氦气取代空气中的氮气,则人体可以轻松呼吸,可以减轻气喘的痛苦。因为氦气的重量仅有氮的七分之一,而呼吸氦气时所需的肌肉力是呼吸空气时所需的三分之一。因此氦气是很好的帮助运送氧气经过障碍气管的一种气体。混合起来的比例,大概氦气占79%,而氧占21%。不过使用时,还必须全凭医生指示。氦气和氧的混合气体,不但可以帮助处理气喘,前面说过,更可以帮助潜水和水底的救援工作。但这一切,对氦气来说还不过是小试锋芒而已。氦气大显身手建立殊勋,最主要是表现在原子核物理学和低温物理学中。

  • 氦在原子能上的建树

原子能时代的序幕首先是由法国物理学家贝克勒在1896年发现天然放射线而揭开的,这些放射性元素在衰变时也放射出氦原子核。氦原子核更通俗的名字就叫α 粒子,英国剑桥大学卡文迪许实验室的物理学教授卢瑟福发现了α 粒子,取了这个名字。他起初没有认识到α 粒子(又称α 射线)就是氦原子核,因此仅仅用希腊字母α 称呼它,这就像代数中多用X来称呼未知数一样。

α 粒子速度高达每秒2万公里以上,能量颇大,于是物理学家就以α粒子做为炮弹去轰击原子核。原子核被击中时,会产生种种变化,例如:原子核被击碎可以产生新的粒子,而释放出原子能等。物理学家就可以通过对这些变化的观测来认识原子,进而利用原子能。

对于原子的轰击,也是由英国物理学家卢瑟福于1910年开始带头研究的,接着世界各国科学家群起加入研究。使用的轰击粒子也逐渐不仅仅限于α 粒子,后来质子、中子等都派上用场。这当中还是以α 粒子所建树的功勋最可观。例如:元素的人工转换而制成其他新元素(这是历史上第一次实现了人类多年的美丽幻想)、发现中子、首次得到人工放射线等。

在使用轰击粒子的初期,人类甚至不知道原子有个原子核。直到1930年代,才开始认识原子核的结构。1940年代以后,进而掌握铀核裂变释放出来的原子核能。于是人类就面临自发现火数十万年以来最大的一场能源革命。

α 粒子做为轰击原子核的炮弹的重要性,曾经一度有所降低,而让位给质子、中子等。原因是氦原子核带有两倍于质子的正电,因此当氦原子核射入原子时,易被带负电的电子吸引而减速,并受到带正电原子核较大的排斥力,因而难以击中原子核。

但在1930年代以后,由于加速器技术的进步,氦可被加速器加速而大大提高能量。这样,我氦又重新神气起来。氦原子核可以击碎各种原子核,引发更多的原子核反应。可以预见,人为加速的α 粒子今后会帮助人类认识原子核内部世界的更多奥秘。

太阳上和宇宙线中的α 粒子是怎么来的呢?这个问题与恒星能源的探索和热核反应的发现有关。

太阳和其他恒星为什么多少亿年以来能够几乎是始终如一地给我们送来大量的光线?其能源是什么,这是历代学者百思不得解的问题。一直到了今天,这一大自然的最重要的秘密才算从本质上被揭穿。

在前面说过,在宇宙中以氢最多,而氦次之。由于原子核物理学的进展,至1930年代,就有物理学家认为,太阳能的来源是在高温下氢原子核聚变生成氦原子核的巨大放能过程,即热核反应,许多恒星的能源大约也跟这类似。在宇宙的原始辐射中,氢原子核和氦原子核都是主角。

根据这种看法,宇宙线可能是遥远恒星的热核反应的原料和产物,从恒星放射出来以后,受到星际磁场这一巨大的宇宙加速器的加速,才以惊人的速度来到我们地球。看来,恒星世界是我氦的庞大制造厂。其产量之大,使地球上的放射性矿物能力显得微不足道。或许可以这样说:恒星宇宙是氦的真正故乡。

太阳上的氦来自氢的核聚变反应,科学家往往把这过程称为氢燃烧,太阳辐射到地球上的能量正是由氢核聚变反应产生的。在太阳内部高温高压的条件下发生着一系列的核反应,最终结果是质子聚变生成氦原子核。要激发上述的反应,需要摄氏1,000万度高温和约1,000万帕(100大气压)的压力。幸运的是,即使在上述极限条件下,氢的燃烧仍很缓慢。太阳上的氢核聚变反应已进行50亿年,预计还能再持续50亿年。

氦在世界上最重要的应用就是使用于低温冷却系统。这是因为氦可在摄氏零下268.9度才液化成液体,这温度够冷到把任何物质冷却。也正因如此,氦常拿来做超导装置的辅助工具。

所谓超导,简单地说,就是电流流动时不具抗力(零阻力)。如此一来,一旦电流在整个物质内流动,将会永远不停地流动,且不会有能量的损耗。可以想见,未来总有一天超导会革命性地改变我们的电力系统。问题是超导只出现在非常低温的情况下,一个办法就是使用液态的我氦。

在液态氦的超低温下,各种物质的性质变得非常特别。这使我们得以建立一门全新的学科,叫做低温电子学。几十年以来,科学家发现到一系列的金属(如水银)和合金可用液态氦做为冷却剂,冷却至极低的温度时这些合金就会失去电阻,这称为超导性,有超导性的物体则称为超导体。还发现,某些半导体(如锗)用液态氦冷却至极低的温度,虽不会变成超导体,但若同时给它加上一定大小的电压,电流也可以几乎无阻地通过,即形成所谓的击穿。

学者们就利用超导体和在超低温下可被击穿的半导体,做成许多精巧的电子元件用在各种电子设备上。这种元件小至可与人类身体的神经元相比,而且性能非常优越。这样使我们可能制成许多妙不可言的装置,像是:撤去电源仍能永保磁性的强大电磁铁、完全无摩擦的陀螺仪、看得见原子的电子显微镜等。

但冷却到摄氏零下268度,氦也可以变成氦水 ─又称液态氦;继续冷却到零下272.2度,还可以使氦变成氦冰 ─又称「固态氦」。利用液态氦可得到接近绝对零度(即摄氏零下273.16度)的超低温。

这种超低温技术对于低温物理、原子核物理、理论物理的研究都很有用。例如世界上很多用于研究物质结构的大型粒子加速器,都采用液态氦冷却其超导磁铁;天文学家也利用液态氦来冷却许多探测仪器,以避免热噪声的干扰,进而更容易、更准确地接收来自遥远星系的讯息。

  • 总结

氦自从被发现以来就这样多方面为人们服务着,无怪乎有人形容氦是个带有劳碌命性格的单身汉气体。虽是如此,今后氦肯定会为未来人类世界做出更大的贡献。