氦——宇宙中**不活泼的元素,当人们放飞充满氦气的气球,借以放飞自己梦想的时候,殊不知一部分**的宝贵资源在地球上永远的消失了。尽管氦是宇宙中**丰富的元素,但对于地球而言,氦是非常贫瘠、且**的宝贵资源。让我们先从氦的发现说起:
1868年8月18日,法国天文学家皮埃尔·让森(Pierre Jules César Janssen)到英属印度马德拉斯州(现位于安得拉邦)的贡图尔观察日全食,并用光谱仪发现了一条波长为587.49 nm的亮黄色谱线。让森担心是仪器出了问题,于是再次对日珥进行光谱分析,观察结果与之前一样。他将这个发现写信汇报给了法国科学院。由于交通条件所限,直到10月份信函才到达巴黎。
就在皮埃尔·让森信件到达法国科学院同**,英国天文学家约瑟夫·诺曼·洛克耶(Joseph Norman Lockyer)爵士的信件也到达了法国科学院。原来同年10月20日,洛克耶在伦敦分析太阳光谱时,发现了相同的黄线,并对其命名为“D3”。法国天文学家皮埃尔·让森和英国天文学家约瑟夫·诺曼·洛克耶爵士被公认为是氦元素的发现者。这是人类**次在地球上尚未发现,但从外星体上先发现了的新的元素。英国天文学家约瑟夫·诺曼·洛克耶爵士和英国化学家爱德华·弗兰克兰(Edward Frankland)爵士共同以希腊语中的?λιος(helios,意思为“太阳”),为这一元素命名为Helium。
1881年,意大利物理学家路易吉·帕尔米耶里(Luigi Palmieri)在分析维苏威火山的岩浆时发现了氦的D3线,这是氦在地球上的**发现记录。但直到1895年3月26日,苏格兰化学家威廉·拉姆塞(William Ramsay)爵士(这位伟大的化学家会在以后讲稀有气体时多次提到)将钇铀矿(一种沥青铀矿,其质量的10%为稀土元素)用酸处理,**在地球上分离出氦。
为什么人们一直以为在地球上是没有氦元素?
为什么在发现氦元素将近30年后才分离出氦?
首先,地球上的氦元素主要是单质氦气形式存在,氦气是惰性气体,非常稳定,没有稳定的化合物;**氦原子核太轻了,地球的引力不足以吸引住氦原子,氦气一旦进入大气就会飘逸到宇宙之中;第三氦气的溶解度很低,几乎不溶于水。因此人类获得氦气的方法是开采被封存在地壳里的氦气,而这些氦气主要由放射性物质衰变后释放出来的。
氦对我们非常重要,有很多应用场景:
1、 低温冷却:氦的沸点是4.2开尔文,也就是零下268摄氏度,非常接近**零度。超低温冷却技术在超导技术等领域有较广泛的应用,对前沿物理研究、磁共振成像技术(MRI),核磁共振技术(NMR)等领域发挥着重要作用。氦气是目前**一种具有这些特性、而且能够为我们所用的物质
2、 保护气和检验分析:氦气是惰性气体,无毒无辐射,可以做保护气和检验分析。氦气常用于镁、锆、铝、钛等金属焊接的保护气;氦气还应用于真空检漏,氦质谱检漏仪的重要组件
3、 气球填充:氦气的密度是0.1786kg每立方米,远远小于空气密度1.29kg每立方米,而且化学性质极不活跃,比氢气**很多(兴登堡氢气飞艇爆炸事件),因此常常作为飞船或气球的填充气体
4、 用于潜水的氦氧混合气体:由于潜水时巨大的水压,正常空气中的氮气会被压入血液,导致“醉氮反应”的发生,这是一种非常危险的情况,人体会在“醉氮”情况下像醉酒一样头晕眼花、反应迟钝、失去判断力。但是氦氧混合气体就能有效避免这种情况发生,因为氦气在高压下也不会溶到人体血液里
5、超流体:氦气液化后当温度降低到2.18开尔文(大约零下271摄氏度)时,性质会发生突变,粘度变得极小,可以沿着杯壁向**动,这是一种超流体状态,具有极好的流动性和导热性。
尽管氦在宇宙中是储量**丰富的元素,但在地球上却很难保存,从氦元素的发现和分离史中就可以感受到氦元素得来不易。当我们想再次放飞气球、放飞梦想时,会不会想到这些氦气一旦进入大气,它们将从地球上永远消失,会不会放弃这个念头呢?