晋代王康琚之《反招隐诗》中有这样一句话“小隐隐于野,中隐隐于市,大隐隐于朝”。如果将元素周期表比作元素的“王国”,那么稀有气体就是隐匿于这元素王国中的隐士。好家伙!属于稀有气体的2号元素氦直接隐匿到了外太空,就当时的技术平而言,想要发现地球之外的东西简直难如登天啊。幸好整个宇宙中,除了“1号大哥”氢就属它分布最广了。但科学家发现它的过程也可谓是经历了一波三折。

# 01

氦的发现过程

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说到稀有气体的发现,咱们首先还得先说一说英国的实验狂人卡文迪许,他的行事作风与稀有气体甚为相像,都是隐士派。1785年,英国掀起了工业革命的狂潮,逐渐成为了世界霸主。但这世界的喧嚣对身处伦敦的卡文迪许来说似乎毫无影响,他的注意力全集中在实验上。他发现,空气中除了氧气外的剩余气体在电火花的作用下可以继续与氧气反应,产生的酸性气体可以被碱液吸收。但每次实验总会残留一个体积约为原有体积1/120的小气泡。这样的实验结果让卡文迪许百思不得其解,出于对科学的严谨,他只是如实地记录了实验数据。虽没能发现稀有气体,但他的实验证明了空气绝非我们想象的那么简单,肯定还存在一些不活泼的气体。遗憾的是,卡文迪许直到去世也不知道这种气体到底是什么。

1859年,德国化学家本生和物理学家基尔霍夫由于两人有着不同的学科背景,一经会面就提出了许多新颖的想法。两位科学家共同发现了现代分析化学中最常用的光谱分析法。后来,这种方法在科学界得到推广。

1868年,法国天文学家皮埃尔·朱尔·塞萨尔·让森前往印度观察日全食,利用分光镜观察日珥发现一条黄色谱线,与钠黄光的D1(589.6nm)和D2(589.0nm)线接近。他预测可能是一种新的元素,将这条线称为D3(587.49nm)线。同年,英国天文学家诺曼·洛克耶得知此消息后,两位科学家合作经过进一步研究和对比,他们认为这是一个地球上不存在,只存在于太阳上的元素,并将其命名为Helium,来自希腊文helios(太阳),中文译名为“氦”,意为太阳元素。但此时的化学界持有的观念是“只有拿到实物才算发现”,对于通过光谱发现的物质,并没有给予高度的重视和肯定。于是让“太阳元素”的发现延迟了30年[1]。

30多年过去了,英国也从偏安一隅的小岛发展成为了世界性大国,号称“日不落帝国”。这位因发现6种稀有气体并确定了它们在元素周期表中的位置而获得1904年诺贝尔化学奖英国化学家,拉姆塞也终于登场。不愧是化学家本生最得意的弟子,果真是得到了师父的真传,凭借着师父交给他的这柄“光剑”在化学界大展拳脚。不久之后便发现了稀有气体“氩”。

有一天,他从资料中得知美国地质学家希尔布朗德寄在加热铀矿石和酸的混合物时发现了一种极为稳定的气体,怀疑这种气体是“氩”。于是严谨的拉姆塞赶紧重复了此实验,并且将铀矿石和酸加热产生的气体通入到氧气中,发现在通电的作用下并没有发生反应。于是又用光谱分析,他发现在光谱仪上有一条黄色的线,和地球上已经发现的任何一条线都不重合。于是他立马联想到这可能是与之前发现的“氩”性质相似的稀有气体物质,但出于对科学的严谨,他请了当时英国最著名的光谱专家克鲁斯鉴定发现的新元素。克鲁斯看到这条线后,通过仔细比较,发现这正是1868年让森和洛克耶发现的“太阳元素”氦,于是他立即将鉴定结果告诉拉姆塞。从那时起,人类便在地球上找到了“太阳元素”氦的足迹,氦元素也变得不再神秘[2]。

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图2. 英国化学家卡文迪许、皮埃尔·朱尔·塞萨尔·让森、诺曼·洛克耶、威廉·拉姆塞(依次从左向右)(图源自于网络)

# 02

氦元素的用途

重要的节日总需要一些五颜六色的气球来烘托气氛,因为氦气自身密度小,充入气球,能让气球高高升起。由于最外层只有两个电子,已经达到了两电子稳定结构,所以极难发生化学反应,通常用作保护气。使其成为铝、不锈钢、铜和镁合金等高导热性材料焊接的理想气体,还可用作热处理过程中的淬火气体以及熔炉气体,提升零件质量。氦气也可与氩气结合使用,用于气囊充气。

此外,它还广泛应用于航空航天领域。它可作为航天卫星发射发动机燃料的推进剂,用于接收宇宙飞船发来的传真照片或接收卫星转播的信号。氦在电子制造领域,可用于光纤、液晶面板和半导体的制造。在医学成像领域也有着重要的作用,特别是使用高强度磁场的磁共振成像(MRI)和核磁共振(NMR)时,这都得益于氦的极低沸点[3]。由于氦这一性质以及液氦技术的发展还催生了一个新的科学分支——低温物理学[1]。

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图2. 充了氦气的气球(左)、核磁共振技术(右)(图源自网络)

# 03

保护氦气

氦气已经成为国防军工和高尖端技术领域不可缺少的战略性物资[4],我们需要找到更好的保护手段,防止它被我们完全耗尽。但由于氦气的密度极小,地球引力无法将它束缚住,泄漏到空气中,很容易从地球逃逸,飘散到外太空,这就导致了地球上的氦气资源极度贫乏。有人就说了,氢气的密度比氦气还要小,那为什么不会逃逸呢?这是因为相对于氦,氢的化学性质活泼,可以与氧气发生反应,生成自然界最珍贵的自然资源“水”。这也是地球面积的71%被海洋所占据的原因。

相对世界其它国家,我国一直属于贫氦国家,氦资源总量少、氦含量低。制备氦的方法主要有四种,分别是天然气分离法、合成氨法(从合成氨尾气中分离提纯氦气)、空气分馏法和铀矿石法[5]。目前,工业上采取的方法是天然气分离法。但我国含氦天然气中的氦含量小于1%。渭河盆地只有部分样品含氦量较高,最大值为4.942%。自产氦只能满足少量用户的需求,约97.5%的氦依赖于进口[6]。因此能否在中国找到丰富的氦资源,并加以利用和保护,是我们面临的问题。

最近一项新的研究表明,氦气主要是从地核或地幔迁移出来的[3]。由于氦气的密度小,所以猜测氦气应广泛富集于地势高、地层结构完整的区域,而在盆地区域和断裂带区域储量并不高。所以猜测我国的青藏高原、赤峰地区、九寨沟地区由于山脉转折幅度大、层位众多、成藏基本条件良好,因此具有较大的氦气资源储备潜力[1]。如果这些推测被证实,将极大推动我国氦气资源的开发利用,进而解决一系列卡脖子技术问题。

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图3. 全球氦气资源分布格局(2020年)(图源自于中国知网[6])(左)地核中可能存在大量氦元素(图源自于中国知网[3])(中)、氦气由于密度小,倾向于富集于高原地区(图源自于中国知网[1])(右)