太陽上的氦元素——氦元素的發現

晉代王康琚之《反招隱詩》中有這樣一句話“小隱隱於野，中隱隱於市，大隱隱於朝”。如果將元素週期表比作元素的“王國”，那麼稀有氣體就是隱匿於這元素王國中的隱士。

好傢伙！屬於稀有氣體的2號元素氦直接隱匿到了外太空，就當時的技術水平而言，想要發現地球之外的東西簡直難如登天啊。幸好整個宇宙中，除了“1號大哥”氫就屬它分佈最廣了。但科學家發現它的過程也可謂是經歷了一波三折。

01 氦的發現過程

說到稀有氣體的發現，咱們首先還得先說一說英國的實驗狂人卡文迪許，他的行事作風與稀有氣體甚為相像，都是隱士派。1785年，英國掀起了工業革命的狂潮，逐漸成為了世界霸主。

但這世界的喧囂對身處倫敦的卡文迪許來說似乎毫無影響，他的注意力全集中在實驗上。他發現，空氣中除了氧氣外的剩餘氣體在電火花的作用下可以繼續與氧氣反應，產生的酸性氣體可以被鹼液吸收。

但每次實驗總會殘留一個體積約為原有體積1/120的小氣泡。這樣的實驗結果讓卡文迪許百思不得其解，出於對科學的嚴謹，他只是如實地記錄了實驗資料。雖沒能發現稀有氣體，但他的實驗證明了空氣絕非我們想象的那麼簡單，肯定還存在一些不活潑的氣體。遺憾的是，卡文迪許直到去世也不知道這種氣體到底是什麼。

1859年，德國化學家本生和物理學家基爾霍夫由於兩人有著不同的學科背景，一經會面就提出了許多新穎的想法。兩位科學家共同發現了現代分析化學中最常用的光譜分析法。後來，這種方法在科學界得到推廣。

1868年，法國天文學家皮埃爾·朱爾·塞薩爾·讓森前往印度觀察日全食，利用分光鏡觀察日珥發現一條黃色譜線，與鈉黃光的D1（589。6nm）和D2（589。0nm）線接近。他預測可能是一種新的元素，將這條線稱為D3（587。49nm）線。

同年，英國天文學家諾曼·洛克耶得知此訊息後，兩位科學家合作經過進一步研究和對比，他們認為這是一個地球上不存在，只存在於太陽上的元素，並將其命名為Helium，來自希臘文helios（太陽），中文譯名為“氦”，意為太陽元素。

但此時的化學界持有的觀念是“只有拿到實物才算發現”，對於透過光譜發現的物質，並沒有給予高度的重視和肯定。於是讓“太陽元素”的發現延遲了30年。

30多年過去了，英國也從偏安一隅的小島發展成為了世界性大國，號稱“日不落帝國”。這位因發現6種稀有氣體並確定了它們在元素週期表中的位置而獲得1904年諾貝爾化學獎英國化學家，拉姆塞也終於登場。不愧是化學家本生最得意的弟子，果真是得到了師父的真傳，憑藉著師父交給他的這柄“光劍”在化學界大展拳腳。不久之後便發現了稀有氣體

“氬”

。

有一天，他從資料中得知美國地質學家希爾布朗德寄在加熱鈾礦石和酸的混合物時發現了一種極為穩定的氣體，懷疑這種氣體是“氬”。於是嚴謹的拉姆塞趕緊重複了此實驗，並且將鈾礦石和酸加熱產生的氣體通入到氧氣中，發現在通電的作用下並沒有發生反應。

於是又用光譜分析，他發現在光譜儀上有一條黃色的線，和地球上已經發現的任何一條線都不重合。於是他立馬聯想到這可能是與之前發現的“氬”性質相似的稀有氣體物質，但出於對科學的嚴謹，他請了當時英國最著名的光譜專家克魯斯鑑定發現的新元素。

克魯斯看到這條線後，透過仔細比較，發現這正是1868年讓森和洛克耶發現的“太陽元素”氦，於是他立即將鑑定結果告訴拉姆塞。從那時起，人類便在地球上找到了“太陽元素”氦的足跡，氦元素也變得不再神秘［2］。

圖2。 英國化學家卡文迪許、皮埃爾·朱爾·塞薩爾·讓森、諾曼·洛克耶

02 氦元素的用途

重要的節日總需要一些五顏六色的氣球來烘托氣氛，因為氦氣自身密度小，充入氣球，能讓氣球高高升起。由於最外層只有兩個電子，已經達到了兩電子穩定結構，所以極難發生化學反應，通常用作保護氣。

使其成為鋁、不鏽鋼、銅和鎂合金等高導熱性材料焊接的理想氣體，還可用作熱處理過程中的淬火氣體以及熔爐氣體，提升零件質量。氦氣也可與氬氣結合使用，用於氣囊充氣。

此外，它還廣泛應用於航空航天領域。它可作為航天衛星發射發動機燃料的推進劑，用於接收宇宙飛船發來的傳真照片或接收衛星轉播的訊號。氦在電子製造領域，可用於光纖、液晶面板和半導體的製造。

在醫學成像領域也有著重要的作用，特別是使用高強度磁場的磁共振成像（MRI）和核磁共振（NMR）時，這都得益於氦的極低沸點。由於氦這一性質以及液氦技術的發展還催生了一個新的科學分支——低溫物理學。

圖2。 英國化學家卡文迪許、皮埃爾·朱爾·塞薩爾·讓森、諾曼·洛克耶

03 保護氦氣

氦氣已經成為國防軍工和高尖端技術領域不可缺少的戰略性物資［4］，我們需要找到更好的保護手段，防止它被我們完全耗盡。但由於氦氣的密度極小，地球引力無法將它束縛住，洩漏到空氣中，很容易從地球逃逸，飄散到外太空，這就導致了地球上的氦氣資源極度貧乏。

有人就說了，氫氣的密度比氦氣還要小，那為什麼不會逃逸呢？這是因為相對於氦，氫的化學性質活潑，可以與氧氣發生反應，生成自然界最珍貴的自然資源“水”。這也是地球面積的71%被海洋所佔據的原因。

相對世界其它國家，我國一直屬於貧氦國家，氦資源總量少、氦含量低。製備氦的方法主要有四種，分別是天然氣分離法、合成氨法（從合成氨尾氣中分離提純氦氣）、空氣分餾法和鈾礦石法。

目前，工業上採取的方法是天然氣分離法。但我國含氦天然氣中的氦含量小於1%。渭河盆地只有部分樣品含氦量較高，最大值為4。942%。自產氦只能滿足少量使用者的需求，約97。5%的氦依賴於進口。因此能否在中國找到豐富的氦資源，並加以利用和保護，是我們面臨的問題。

最近一項新的研究表明，氦氣主要是從地核或地幔遷移出來的。由於氦氣的密度小，所以猜測氦氣應廣泛富集於地勢高、地層結構完整的區域，而在盆地區域和斷裂帶區域儲量並不高。所以猜測我國的青藏高原、赤峰地區、九寨溝地區由於山脈轉折幅度大、層位眾多、成藏基本條件良好，因此具有較大的氦氣資源儲備潛力。如果這些推測被證實，將極大推動我國氦氣資源的開發利用，進而解決一系列卡脖子技術問題。

參考文獻

［1］ 黃元。 最高冷的元素——氦［J］。 物理， 2020， 49（8）： 551-554。

［2］ 孫博勳。 稀有氣體的前世今生［J］。 大學化學， 2019， 34（8）： 8-19。

［3］ 姚虹聿。 氦元素開發利用新技術［J］。 檢察風雲， 2022（9）： 38-39。

［4］ 張哲，王春燕，王秋晨，等。 中國氦氣市場發展前景展望［J］。 油氣與新能源， 2022， 34（1）： 36-41。

［5］ 柳永剛，張翔，劉子銳，等。 甘肅省首個高品位氦氣盆地的發現及勘探前景［J］。 甘肅地質， 2020， 29（Z2）： 29-36。

［6］ 張哲，王春燕，王秋晨，等。 淺談中國氦氣供應鏈技術壁壘與發展方向［J］。 油氣與新能源， 2022， 34（2）： 14-19。

［7］ 陳福利，李欣，閆林，等。 中國氦氣資源特徵與氦資源勘查儲備戰略［C］//首屆全國礦產勘查大會論文集， 2021： 638-652。