它,来自太阳,人类却在月亮上继续找它

它,来自太阳,人类却在月亮上继续找它
2019年03月13日 09:40 新浪科技综合

  来源:科学大院

  元素周期表一百余号元素,大家熟知排名第一的氢,往往忽略了排名第二的元素——氦(Helium),元素符号为He。其实,氦(He)是一个名副其实的“宝藏男孩”,无论是“想带你去浪漫的土耳其”的热气球填充气体、还是沙巴芭堤雅潜水罐里的气体,都离不开氦气。这些都和氦气本身的特性离不开。今天,我们就来聊聊这个“宝藏男孩”——氦气。

元素周期表排名第二的元素——氦He (来源:视觉中国)元素周期表排名第二的元素——氦He (来源:视觉中国)

  来自太阳的神秘588谱线

  英文中男性第三人称“他”也是He,跟氦一样——这可不是巧合,因为两个He都跟太阳有关。男性自然是阳性,跟太阳有关;氦是从对太阳的研究中发现的。

法国天文学家Georges Rayet(1839-1906)(图片来源:维基百科)法国天文学家Georges Rayet(1839-1906)(图片来源:维基百科)

  1868年法国天文学家的杨森(Georges Rayet)利用分光镜观察太阳表面时,发现了新的黄色谱线。这个发现被他的法国同行简森(Pierre Janssen)确证之后写了篇paper提交给法国科学院。与此同时,专业研究太阳的英国科学家洛克耶爵士(Sir Joseph Norman Lockyer)在伦敦也观察到了这条波长为588纳米的谱线。凭借敏锐的洞察力,他推断这是新元素,并以希腊语的Helios(太阳)对其命名为Helium。顺便,这位洛克耶,是《Nature》的创办者和首任编辑。

英国科学家Sir Joseph Norman Lockyer(1836-1920),当时公认的太阳光谱专家,也是He的命名者 (图片来源:大英百科)英国科学家Sir Joseph Norman Lockyer(1836-1920),当时公认的太阳光谱专家,也是He的命名者 (图片来源:大英百科)

  看见了,摸不着?这可不行!发现He之后的二十多年里,不同国家的科学家都在想办法从地球上寻找这个元素。1895年春天,苏格兰化学家拉姆西爵士(Sir William Ramsay)从钇铀矿石里首先得到了氦气。当时拉姆西想弄点氩气,他用酸处理矿石后得到些气体,然后他把气体中的氮气和氧气除掉,用光谱法检测剩余的气体,竟然发现了588纳米的谱带。他把这份气体样品交给近水楼台先得月的洛克耶爵士分析,洛克耶确认这就是他命名的He。

  苏格兰化学家Sir William Ramsay(1852-1916),曾获1904年诺贝尔化学奖。他是首个发现地球上存在He元素的科学家 (图片来源:维基百科)

  差不多相同时间,瑞典一对科研好基友也在研究钇铀矿,克莱夫(Per Teodor Cleve)和兰吉特(Abraham Langlet)一起独立分离了大量高纯度的氦气,并且精确测定了分子量。对了,钇铀矿的英文是cleveite,看来克莱夫命中注定得在He的分离史上记录一笔。

  还有个美国人就比较倒霉了。化学家希勒布兰德(William Francis Hillebrand)在研究钠铀矿的时候也得到了氦气,并且还注意到了异常的588纳米谱线。然而他却把谱线归属给了氮气,从而错失氦气分离者的机会。不读文献害死人啊,同志们!当然了,这位希勒布兰德其实也是大牛,家世显赫的他,首次分离了纯铈(Ce,Cerium)。

  什么?宇宙大爆炸产生了He?

  细心的小伙伴们一定注意到了,怎么氦气都是从放射性矿物中得到啊?要回答这个问题,就得从氦的特性说起了。

  氦是宇宙中第二多也是第二轻的元素,氢是第一多也是第一轻——大约占宇宙总物质的24%。这些氦主要是氦-4,其核子具有比较高的结合能,所以核聚变和放射性衰变都会产生氦-4。从起源上看,绝大部分氦直接产生于宇宙大爆炸的一瞬间,还有少量属于星球核聚变反应的产物,再有少少的一点点来源于放射性α衰变(α粒子就是氦-4的原子核)。正因如此,处理放射性矿物的时候,会得到少量的氦气;还是因为如此,氦气实际上属于不可再生资源。

宇宙大爆炸示意图宇宙大爆炸示意图

  虽然在全宇宙中的丰度很高,但地球上的氦气却非常宝贵。同时,由于氦气实在太轻了,地球引力拉不住,一旦被从地壳中释放出来,就会飞快逃逸到太空里。这样只出不进又无法再生,更令地球上的氦显得弥足珍贵。

  元素周期兄弟中最高(duo)冷(xing)的大哥

  好像该聊聊氦的化学性质。

  作为惰性气体排名第一的带头大哥,氦相当高(duo)冷(xing),是所有已知元素中最不活泼的。原因很简单,因为氦原子实在太小了,原子核到稳定电子层的距离非常短,所以氦拥有最大的电离能和零亲和能,电子得失极不容易发生。没有得失心,那就自然稳如泰山喽~大家要向氦多多学习。

  凭借范德华力,氦能形成一些短命的化合物,比如LiHe和He2。如果考虑到带电粒子,HeH⁺可是目前人类已知的最强酸,可惜这里的氦只能以离子形式存在。

南开大学王慧田、周向锋团队合成Na₂He的论文发表在《自然·化学》上南开大学王慧田、周向锋团队合成Na₂He的论文发表在《自然·化学》上

  2017年2月6日,中国南开大学的王慧田、周向锋团队及其合作者在《自然·化学》上发表了有关在高压条件下合成氦钠化合物——Na₂He的论文,结束了氦元素无稳定化合物的历史,标志着我国在稀有气体化学领域走到了最前沿。他们在110万倍大气压下得到了该化合物,并且用单晶衍射证明其结构。该工作证实了高压下He会具有弱的化学活性能够与在高压下还原性显著增强的Na形成化合物。

  低温凝固?不存在的

  其实,用低冷来形容氦恐怕更加合适。氦的沸点是所有人类已知物质中最低的,所以常常被用来制造超低温环境。靠氦的帮助来研究低温下不同物质的性质,就产生了物理学的新分支——低温物理学。

  不跑题,咱只说说氦的低温性质。

  对氦的超低温研究追溯到一百多年前。1907年德国物理学家海克·昂内斯(Heike Kamerlingh Onnes)把氦气一直冷至不到1 K(低于零下272.15℃),得到了液氦——还买一赠一:在氦沸点4.22 K到2.18 K之间,液氦是看上去正常的无色液体氦 I,跟其他低温液体比如液氮一样,此时的液氦遇热也会沸腾冒泡;温度更低的时候,液氦就变成另一种形态——氦 II。

液氮工作温度范围 (图片来源:http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu)液氮工作温度范围 (图片来源:http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu)

  氦 II有一些好玩的性质。首先它遇热不再沸腾,而是直接从表面蒸发。这是因为氦 II的导热性是人类已知物质中最强的。一般物体的导热依靠的是价电子,氦 II压根儿没这玩意儿,在量子机制下,热流只能以波的形式在其中传导,类似于声波在空气中的传播。所以这种现象也叫第二声音(second sound)。

流体He (图片来源:维基百科)流体He (图片来源:维基百科)

  超流体(superfluid)恐怕是氦 II最广为人知的标签了——除了低温之外。氦 II的黏度为零,很惯性地想,氦 II可以流动通过极细孔径的管道。海克在一百年前还发现超流体氦 II的另一个现象:把一个小玻璃杯按在氦Ⅱ中。玻璃杯由空的渐渐装满了。把这个盛着液态氦的小玻璃杯提出来,挂在半空时,玻璃杯底下出现了液氦,不一会,杯中的液态氦就“漏”光了——这就是超流体的超流动性(superfluidity)。

  液氦这么有趣,是不是固氦会更好玩啊?对这个问题,海克也特别想知道,尽管后来拿到诺奖,但很可惜,他没能拿到固氦。这不能怪他手艺不精,到目前为止,在人类能达到的极限低温0.000001 K下,常压氦仍然是液体。幸亏海克有个好学生基萨摩(Willem Hendrik Keesom),小伙在1926年给低温液氦加上压力,终于拿到了1立方厘米的固氦。学术薪火相传,可喜可叹!

  超低温下大显身手

  聊了半天,氦到底有什么用啊?

  氦的化学性质很不活泼,所以对它的利用,都是应用其物理性质。氦很轻,又惰性,可以用来填充气球和飞艇,安全可靠;惰性气体都可以用来填充霓虹灯管,氦也不例外;各种需要保护气的地方,氦也能大显身手;还有,氦气是人类已知在水中溶解性最差的气体,可以用来加到潜水员的氧气罐里代替氮气,防止减压病;……当然,如今利用最多的,还是液氦。

液氦为核磁共振提供超低温工作环境 (图源:视觉中国)液氦为核磁共振提供超低温工作环境 (图源:视觉中国)

  咱们前面提到过液氦带来的低温物理学,这门学问的一大分支就是研究超导。依靠液氦提供的超导环境,其最大用途是支持医学成像产业,特别是磁共振成像MRI,以及化学生物材料方面的高端分析。这些分析手段在技术上都需要非常强的磁场,一般导体在高电流下产生强磁场是无法实现的,而超导体对电子的流动没有阻力,有能力产生巨大的磁场,从而实现高分辨率的成像。如果没有液氦提供的低达4.2K的超低温度,超导体就不可能产生。(相关链接:人类的超导发现史)

  最近几十年,医疗技术飞速提高,科研手段也日新月异,全世界对核磁共振的需求呈指数级增加。相应的,对液氦的需求也暴增。然而氦气的开采却产能不足,人类在疯狂吃老本。2016年中的数据显示,氦的全球消耗量大约是每年80亿立方英尺,但在全球氦气的最大供应国美国,现有的国家储备仅剩下242亿立方英尺。美国探明的总储量也只有大约1530亿立方英尺。氦气的短缺,比石油短缺来的还会快。更让人心忧的是,氦气几乎是无法替代的。

  到月球去——踏上寻找氦气之旅

  氦在热核物理方面还存在理论上非常巨大的应用前景。当温度达到1亿K时,氦就被“点燃”:三个氦原子核聚合成一个碳原子核;生成的碳原子核又可吸收一个氦原子核,变为氧原子核:氧原子核还可吸收一个氦原子核,生成氖原子核,不过发生这一反应的概率很低;氖原子核进一步吸收氦原子核的概率就更低至忽略不计。

  太阳上的氢被消耗完后,核心将发生坍缩导致温度上升,当核心的温度达到1亿K时,氦聚变将开始进行并生成大量碳。由于此时的氦核心已经相当于一个小型“白矮星”(电子简并态),热失控的氦聚变将导致氦闪。贺岁档大热影片《流浪地球》的原著小说里,基础设定就是人类面临太阳氦闪。当然,太阳真正氦闪得要等至少60亿年,小说里显然把这个时间提前了。(相关链接:《流浪地球》中的科学:太阳何时吞并地球?科学家们已经给出时间表)

2019年贺岁档影片《流浪地球》中人类面临太阳氦闪2019年贺岁档影片《流浪地球》中人类面临太阳氦闪

  五十年又五十年,可控核聚变的应用已经成为核物理领域的老段子。其技术难点之一就是氢核氘氚的聚变虽然原料便宜,但是会产生大量高能中子,对反应装置产生严重的放射性损伤。如果能用氦的同位素He-3作为核聚变原料,将会有更多好处:反应产生的能量更大;聚变产生质子而不是中子,原料He-3本身没有放射性,更安全更环保;反应过程易于控制。He-3的核聚变,也被称为终极聚变。

嫦娥四号着陆器彩色全景图 (图片来源:http://www.spacechina.com)嫦娥四号着陆器彩色全景图 (图片来源:http://www.spacechina.com)

  但问题是,氦本身已经很稀有,He-3就更少了。全球可提取的He-3总量大约只有15-20吨。不过,月球地壳浅层中He-3储量极为丰富,保守估计在100万吨以上。以人类目前的能量消耗,100吨He-3足够全世界使用一年,8-10吨就够我国使用一年。嫦娥四号探月的目的之一就是了解月球上He-3的详细情况。理论上来说,月球背面更容易产生He-3,所以咱们的探测器在月球背面着陆。人类在太阳中发现了氦,却到月亮上继续寻找它。(相关链接:嫦娥四号着陆月球,十大看点告诉你到底有多牛!)

  不过,距离人类能够利用月球的He-3,恐怕还有很长一段时间——希望不是五十年又五十年——所以,在此之前,我们除了仰望明月之外,还得要注意善待氦气,珍惜氦气。这话似乎说了也白说……毕竟一般人也几乎没机会接触氦气。但白说我也得说,因为不说白不说。这意思,你懂的。

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