它，來自太陽，人類卻在月亮上繼續找它

　　來源：科學大院

　　元素周期表一百餘号元素，大家熟知的氫，往往忽略了排名第二的元素——氦(Helium)，元素符号為He。其實，氦(He)是一個名副其實的“寶藏男孩”，無論是“想帶你去浪漫的土耳其”的熱氣球填充氣體、還是沙巴芭堤雅潛水罐裡的氣體，都離不開氦氣。這些都和氦氣本身的特性離不開。今天，我們就來聊聊這個“寶藏男孩”——氦氣。

　　來自太陽的神秘588譜線

　　英文中男性第三人稱“他”也是He，跟氦一樣——這可不是巧合，因為兩個He都跟太陽有關。男性自然是陽性，跟太陽有關;氦是從對太陽的研究中發現的。

　　法國天文學家Georges Rayet(1839-1906)(圖片來源：維基百科)　　1868年法國天文學家的楊森(Georges Rayet)利用分光鏡觀察太陽表面時，發現了新的黃色譜線。這個發現被他的法國同行簡森(Pierre Janssen)确證之後寫了篇paper提交給法國科學院。與此同時，專業研究太陽的英國科學家洛克耶爵士(Sir Joseph Norman Lockyer)在倫敦也觀察到了這條波長為588納米的譜線。憑借敏銳的洞察力，他推斷這是新元素，并以希臘語的Helios(太陽)對其命名為Helium。順便，這位洛克耶，是《Nature》的創辦者和首任編輯。

　　英國科學家Sir Joseph Norman Lockyer(1836-1920)，當時公認的太陽光譜專家，也是He的命名者 (圖片來源：大英百科)　　看見了，摸不着?這可不行!發現He之後的二十多年裡，不同國家的科學家都在想辦法從地球上尋找這個元素。1895年春天，蘇格蘭化學家拉姆西爵士(Sir William Ramsay)從钇鈾礦石裡首先得到了氦氣。當時拉姆西想弄點氩氣，他用酸處理礦石後得到些氣體，然後他把氣體中的氮氣和氧氣除掉，用光譜法檢測剩餘的氣體，竟然發現了588納米的譜帶。他把這份氣體樣品交給近水樓台先得月的洛克耶爵士分析，洛克耶确認這就是他命名的He。

　　蘇格蘭化學家Sir William Ramsay(1852-1916)，曾獲1904年諾貝爾化學獎。他是發現地球上存在He元素的科學家 (圖片來源：維基百科)

　　差不多相同時間，瑞典一對科研好基友也在研究钇鈾礦，克萊夫(Per Teodor Cleve)和蘭吉特(Abraham Langlet)一起獨立分離了大量高純度的氦氣，并且測定了分子量。對了，钇鈾礦的英文是cleveite，看來克萊夫命中注定得在He的分離史上記錄一筆。

　　還有個美國人就比較倒黴了。化學家希勒布蘭德(William Francis Hillebrand)在研究鈉鈾礦的時候也得到了氦氣，并且還注意到了異常的588納米譜線。然而他卻把譜線歸屬給了氮氣，從而錯失氦氣分離者的機會。不讀文獻害死人啊，同志們!當然了，這位希勒布蘭德其實也是大牛，家世顯赫的他，分離了純铈(Ce，Cerium)。

　　什麼?宇宙大爆炸産生了He?

　　細心的小夥伴們一定注意到了，怎麼氦氣都是從放射性礦物中得到啊?要回答這個問題，就得從氦的特性說起了。

　　氦是宇宙中第二多也是第二輕的元素，氫是第一多也是第一輕——大約占宇宙總物質的24%。這些氦主要是氦-4，其核子具有比較高的結合能，所以核聚變和放射性衰變都會産生氦-4。從起源上看，絕大部分氦直接産生于宇宙大爆炸的一瞬間，還有少量屬于星球核聚變反應的産物，再有少少的一點點來源于放射性α衰變(α粒子就是氦-4的原子核)。正因如此，處理放射性礦物的時候，會得到少量的氦氣;還是因為如此，氦氣實際上屬于不可再生資源。

　　宇宙大爆炸示意圖　　雖然在全宇宙中的豐度很高，但地球上的氦氣卻非常寶貴。同時，由于氦氣實在太輕了，地球引力拉不住，一旦被從地殼中釋放出來，就會飛快逃逸到太空裡。這樣隻出不進又無法再生，更令地球上的氦顯得彌足珍貴。

　　元素周期兄弟中(duo)冷(xing)的大哥

　　好像該聊聊氦的化學性質。

　　作為惰性氣體的帶頭大哥，氦相當高(duo)冷(xing)，是所有已知元素中最不活潑的。原因很簡單，因為氦原子實在太小了，原子核到穩定電子層的距離非常短，所以氦擁有的電離能和零親和能，電子得失極不容易發生。沒有得失心，那就自然穩如泰山喽~大家要向氦多多學習。

　　憑借範德華力，氦能形成一些短命的化合物，比如LiHe和He2。如果考慮到帶電粒子，HeH⁺可是目前人類已知的最強酸，可惜這裡的氦隻能以離子形式存在。

　　南開大學王慧田、周向鋒團隊合成Na₂He的論文發表在《自然·化學》上　　2017年2月6日，中國南開大學的王慧田、周向鋒團隊及其合作者在《自然·化學》上發表了有關在高壓條件下合成氦鈉化合物——Na₂He的論文，結束了氦元素無穩定化合物的曆史，标志着我國在稀有氣體化學領域走到了最前沿。他們在110萬倍大氣壓下得到了該化合物，并且用單晶衍射證明其結構。該工作證實了高壓下He會具有弱的化學活性能夠與在高壓下還原性顯著增強的Na形成化合物。

　　低溫凝固?不存在的

　　其實，用低冷來形容氦恐怕更加合适。氦的沸點是所有人類已知物質中的，所以常常被用來制造超低溫環境。靠氦的幫助來研究低溫下不同物質的性質，就産生了物理學的新分支——低溫物理學。

　　不跑題，咱隻說說氦的低溫性質。

　　對氦的超低溫研究追溯到一百多年前。1907年德國物理學家海克·昂内斯(Heike Kamerlingh Onnes)把氦氣一直冷至不到1 K(低于零下272.15℃)，得到了液氦——還買一贈一：在氦沸點4.22 K到2.18 K之間，液氦是看上去正常的無色液體氦 I，跟其他低溫液體比如液氮一樣，此時的液氦遇熱也會沸騰冒泡;溫度更低的時候，液氦就變成另一種形态——氦 II。

　　液氮工作溫度範圍 (圖片來源：http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu)　　氦 II有一些好玩的性質。首先它遇熱不再沸騰，而是直接從表面蒸發。這是因為氦 II的導熱性是人類已知物質中最強的。一般物體的導熱依靠的是價電子，氦 II壓根兒沒這玩意兒，在量子機制下，熱流隻能以波的形式在其中傳導，類似于聲波在空氣中的傳播。所以這種現象也叫第二聲音(second sound)。

　　流體He (圖片來源：維基百科)　　超流體(superfluid)恐怕是氦 II最廣為人知的标簽了——除了低溫之外。氦 II的黏度為零，很慣性地想，氦 II可以流動通過極細孔徑的管道。海克在一百年前還發現超流體氦 II的另一個現象：把一個小玻璃杯按在氦Ⅱ中。玻璃杯由空的漸漸裝滿了。把這個盛着液态氦的小玻璃杯提出來，挂在半空時，玻璃杯底下出現了液氦，不一會，杯中的液态氦就“漏”光了——這就是超流體的超流動性(superfluidity)。

　　液氦這麼有趣，是不是固氦會更好玩啊?對這個問題，海克也特别想知道，盡管後來拿到諾獎，但很可惜，他沒能拿到固氦。這不能怪他手藝不精，到目前為止，在人類能達到的極限低溫0.000001 K下，常壓氦仍然是液體。幸虧海克有個好學生基薩摩(Willem Hendrik Keesom)，小夥在1926年給低溫液氦加上壓力，終于拿到了1立方厘米的固氦。學術薪火相傳，可喜可歎!

　　超低溫下大顯身手

　　聊了半天，氦到底有什麼用啊?

　　氦的化學性質很不活潑，所以對它的利用，都是應用其物理性質。氦很輕，又惰性，可以用來填充氣球和飛艇，安全可靠;惰性氣體都可以用來填充霓虹燈管，氦也不例外;各種需要保護氣的地方，氦也能大顯身手;還有，氦氣是人類已知在水中溶解性最差的氣體，可以用來加到潛水員的氧氣罐裡代替氮氣，防止減壓病;……當然，如今利用最多的，還是液氦。

　　液氦為核磁共振提供超低溫工作環境 (圖源：視覺中國)　　咱們前面提到過液氦帶來的低溫物理學，這門學問的一大分支就是研究超導。依靠液氦提供的超導環境，其用途是支持醫學成像産業，特别是磁共振成像MRI，以及化學生物材料方面的高端分析。這些分析手段在技術上都需要非常強的磁場，一般導體在高電流下産生強磁場是無法實現的，而超導體對電子的流動沒有阻力，有能力産生巨大的磁場，從而實現高分辨率的成像。如果沒有液氦提供的低達4.2K的超低溫度，超導體就不可能産生。(相關鍊接：人類的超導發現史)

　　最近幾十年，醫療技術飛速提高，科研手段也日新月異，全世界對核磁共振的需求呈指數級增加。相應的，對液氦的需求也暴增。然而氦氣的開采卻産能不足，人類在瘋狂吃老本。2016年中的數據顯示，氦的全球消耗量大約是每年80億立方英尺，但在全球氦氣的供應國美國，現有的國家儲備僅剩下242億立方英尺。美國探明的總儲量也隻有大約1530億立方英尺。氦氣的短缺，比石油短缺來的還會快。更讓人心憂的是，氦氣幾乎是無法替代的。

　　到月球去——踏上尋找氦氣之旅

　　氦在熱核物理方面還存在理論上非常巨大的應用前景。當溫度達到1億K時，氦就被“點燃”：三個氦原子核聚合成一個碳原子核;生成的碳原子核又可吸收一個氦原子核，變為氧原子核：氧原子核還可吸收一個氦原子核，生成氖原子核，不過發生這一反應的概率很低;氖原子核進一步吸收氦原子核的概率就更低至忽略不計。

　　太陽上的氫被消耗完後，核心将發生坍縮導緻溫度上升，當核心的溫度達到1億K時，氦聚變将開始進行并生成大量碳。由于此時的氦核心已經相當于一個小型“白矮星”(電子簡并态)，熱失控的氦聚變将導緻氦閃。賀歲檔大熱影片《流浪地球》的原著小說裡，基礎設定就是人類面臨太陽氦閃。當然，太陽真正氦閃得要等至少60億年，小說裡顯然把這個時間提前了。(相關鍊接：《流浪地球》中的科學：太陽何時吞并地球?科學家們已經給出時間表)

　　2019年賀歲檔影片《流浪地球》中人類面臨太陽氦閃　　五十年又五十年，可控核聚變的應用已經成為核物理領域的老段子。其技術難點之一就是氫核氘氚的聚變雖然原料便宜，但是會産生大量高能中子，對反應裝置産生嚴重的放射性損傷。如果能用氦的同位素He-3作為核聚變原料，将會有更多好處：反應産生的能量更大;聚變産生質子而不是中子，原料He-3本身沒有放射性，更安全更環保;反應過程易于控制。He-3的核聚變，也被稱為聚變。

　　嫦娥四号着陸器彩色全景圖 (圖片來源：http://www.spacechina.com)　　但問題是，氦本身已經很稀有，He-3就更少了。全球可提取的He-3總量大約隻有15-20噸。不過，月球地殼淺層中He-3儲量極為豐富，保守估計在100萬噸以上。以人類目前的能量消耗，100噸He-3足夠全世界使用一年，8-10噸就夠我國使用一年。嫦娥四号探月的目的之一就是了解月球上He-3的詳細情況。理論上來說，月球背面更容易産生He-3，所以咱們的探測器在月球背面着陸。人類在太陽中發現了氦，卻到月亮上繼續尋找它。(相關鍊接：嫦娥四号着陸月球，十大看點告訴你到底有多牛!)

　　不過，距離人類能夠利用月球的He-3，恐怕還有很長一段時間——希望不是五十年又五十年——所以，在此之前，我們除了仰望明月之外，還得要注意善待氦氣，珍惜氦氣。這話似乎說了也白說……畢竟一般人也幾乎沒機會接觸氦氣。但白說我也得說，因為不說白不說。這意思，你懂的。