它,來自太陽,人類卻在月亮上繼續找它
2019年03月13日09:40

  來源:科學大院

  元素週期表一百餘號元素,大家熟知排名第一的氫,往往忽略了排名第二的元素——氦(Helium),元素符號為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里的氣體,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。

元素週期表排名第二的元素——氦He (來源:視覺中國)
元素週期表排名第二的元素——氦He (來源:視覺中國)

  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)
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)確證之後寫了篇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。憑藉敏銳的洞察力,他推斷這是新元素,並以希臘語的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)
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,摸不著?這可不行!發現He之後的二十多年里,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)從釔鈾礦石里首先得到了氦氣。當時拉姆西想弄點氬氣,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,用光譜法檢測賸餘的氣體,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,洛克耶確認這就是他命名的He。

  蘇格蘭化學家Sir William Ramsay(1852-1916),曾獲1904年諾貝爾化學獎。他是首個發現地球上存在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釔鈾礦,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,並且精確測定了分子量。對了,釔鈾礦的英文是cleveite,看來克萊夫命中註定得在He的分離史上記錄一筆。

  還有個美國人就比較倒霉了。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,並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,同誌們!當然了,這位希勒布蘭德其實也是大牛,家世顯赫的他,首次分離了純鈰(Ce,Cerium)。

  什麼?宇宙大爆炸產生了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產生氦-4。從起源上看,絕大部分氦直接產生於宇宙大爆炸的一瞬間,還有少量屬於星球核聚變反應的產物,再有少少的一點點來源於放射性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,氦氣實際上屬於不可再生資源。

宇宙大爆炸示意圖
宇宙大爆炸示意圖

  雖然在全宇宙中的丰度很高,但地球上的氦氣卻非常寶貴。同時,由於氦氣實在太輕了,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。這樣只出不進又無法再生,更令地球上的氦顯得彌足珍貴。

  元素週期兄弟中最高(duo)冷(xing)的大哥

  好像該聊聊氦的化學性質。

  作為惰性氣體排名第一的帶頭大哥,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,所以氦擁有最大的電離能和零親和能,電子得失極不容易發生。沒有得失心,那就自然穩如泰山嘍~大家要向氦多多學習。

  憑藉範德華力,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,可惜這裏的氦只能以離子形式存在。

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
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歷史,標誌著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,並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適。氦的沸點是所有人類已知物質中最低的,所以常常被用來製造超低溫環境。靠氦的幫助來研究低溫下不同物質的性質,就產生了物理學的新分支——低溫物理學。

  不跑題,咱只說說氦的低溫性質。

  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·昂內斯(Heike Kamerlingh Onnes)把氦氣一直冷至不到1 K(低於零下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態——氦 II。

液氮工作溫度範圍 (圖片來源:http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu)
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,在量子機製下,熱流只能以波的形式在其中傳導,類似於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)
流體He (圖片來源:維基百科)

  超流體(superfluid)恐怕是氦 II最廣為人知的標籤了——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。把這個盛著液態氦的小玻璃杯提出來,掛在半空時,玻璃杯底下出現了液氦,不一會,杯中的液態氦就“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,海克也特別想知道,儘管後來拿到諾獎,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,終於拿到了1立方釐米的固氦。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里代替氮氣,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)
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,其最大用途是支援醫學成像產業,特別是磁共振成像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產生強磁場是無法實現的,而超導體對電子的流動沒有阻力,有能力產生巨大的磁場,從而實現高解像度的成像。如果沒有液氦提供的低達4.2K的超低溫度,超導體就不可能產生。(相關鏈接: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。然而氦氣的開採卻產能不足,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80億立方英呎,但在全球氦氣的最大供應國美國,現有的國家儲備僅剩下242億立方英呎。美國探明的總儲量也只有大約1530億立方英呎。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,核心將發生坍縮導致溫度上升,當核心的溫度達到1億K時,氦聚變將開始進行並生成大量碳。由於此時的氦核心已經相當於一個小型“白矮星”(電子簡並態),熱失控的氦聚變將導致氦閃。賀歲檔大熱影片《流浪地球》的原著小說里,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,小說里顯然把這個時間提前了。(相關鏈接:《流浪地球》中的科學:太陽何時吞併地球?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
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,但是會產生大量高能中子,對反應裝置產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,將會有更多好處:反應產生的能量更大;聚變產生質子而不是中子,原料He-3本身沒有放射性,更安全更環保;反應過程易於控製。He-3的核聚變,也被稱為終極聚變。

嫦娥四號著陸器彩色全景圖 (圖片來源:http://www.spacechina.com)
嫦娥四號著陸器彩色全景圖 (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總量大約只有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。嫦娥四號探月的目的之一就是瞭解月球上He-3的詳細情況。理論上來說,月球背面更容易產生He-3,所以咱們的探測器在月球背面著陸。人類在太陽中發現了氦,卻到月亮上繼續尋找它。(相關鏈接:嫦娥四號著陸月球,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。

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