化学元素氦

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比空气轻的氦气使气球能够飞行。

氦最初是在太阳周围的日冕中发现的，后来在维苏威火山泄漏的气体中发现，它是宇宙中第二丰富的元素。

元素周期表上的第二个元素是惰性的，无色无味，但一点也不无聊。氦出现在半导体、生日气球和大型强子对撞机中。由于密度极低，氦气漂浮在空气中。低密度也是吸入氦气时奇怪的“吱吱声”效应的原因。声带周围的气体密度越低，声带振动的速度就越快，从而使声音的音调向空中传播。

事实

根据杰斐逊国家线性加速器实验室，氦的性质是:

•原子序数(原子核中的质子数):2

•原子符号(在元素周期表上):He

•原子量(原子的平均质量):4.002602

•密度:0.0001785克每立方厘米

•室温下的相:气体

•熔点:零下458.0华氏度(零下272.2摄氏度)

•沸点:零下452.07华氏度(零下268.93摄氏度)

•同位素数量(同一元素的原子具有不同数量的中子):8个; 2个稳定

•最常见的同位素:He-4(99.%的自然丰度)和He-3(0.000134%的自然丰度)

太阳中的发现

1868年8月18日，日全食遮住了太阳。法国天文学家皮埃尔·杨森在印度观察并测量了太阳的大气层，即色球层。根据杰斐逊实验室的说法，他在色球中观察到的气体光谱中有一条奇怪的黄线，波长为587.49纳米。

杨森没有确定这个波长的来源。然而，两个月后，英国天文学家诺曼·洛克耶爵士在伦敦安装了他自己的分光镜，并看到了同样的黄线。洛克耶与化学家爱德华·弗兰克兰合作，得出结论，这条线是一种未知元素的指纹。科学家们将这种神秘元素命名为“氦”，以希腊太阳神赫利俄斯的名字命名。

在地球上发现氦花了更长时间。据英国皇家化学学会称，意大利物理学家Luigi Palmieri于1882年在维苏威火山喷发的气体中观察到波长为587.49纳米的气体，这是地球上第一次探测到氦。然而，直到1895年，氦在地球上的存在才得到证实，科学家们发现了它的原子量。这一发现要归功于瑞典化学家佩尔·特奥多尔·克利夫和尼尔斯·亚伯拉罕·兰格。

地球大气中的氦气含量只有百万分之五，也就是0.0005%。因此，从空气中提取气体是不经济的。相反，今天科学和工业中使用的氦来自天然气，这种元素于1905年首次被发现。

根据美国化学学会的说法，氦最初潜伏在天然气中是在1903年。在堪萨斯州德克斯特的一个新天然气井的庆祝活动上，市长试图点燃逸出的气体，却发现火焰熄灭了。镇上的大多数人都很失望，但堪萨斯州的地质学家伊拉斯谟·霍沃思却很好奇。他把井里的气体收集起来，发现其中12%是由一种“惰性残留物”组成的。在接下来的两年里，堪萨斯大学进行了进一步的实验，发现这些残留物中含有氦气。

起初，没有人认为在天然气中发现氦有多大用处。但在第一次世界大战期间，军事领导人和科学家开始推动在飞艇上使用氦气。根据美国化学学会的说法，由于生产成本的原因，氦气飞艇在第一次世界大战中并没有被广泛使用，但在第二次世界大战中，氦气飞艇变得更加普遍，那时氦气的成本已经下降。

今天，氦经常在实验室中被发现，这些实验室需要超低温进行实验，因为这种惰性气体可以被冷却到接近绝对零度的温度。根据美国物理学会的说法，美国的大部分氦用于工业和冷却磁共振成像(MRI)机器中的磁铁。在美国，每年只有大约3%的氦被科学实验室消耗。液氦还可以冷却大型强子对撞机(世界上最大的粒子加速器)中的磁体，温度降至-456.34华氏度(-271.3摄氏度)。

美国的氦气产量约占全球的75%，卡塔尔位居第二。

氦原子有一个质子和两个电子。

谁知道呢?

•由美国土地管理局管理的联邦氦储备位于德克萨斯州阿马里洛附近。它拥有美国每年使用的氦的40%以上。

•氦是一种惰性气体，是一组稳定的非活性气体，包括氖、氩、氪、氙和氡。

•截至2010年，在当年的梅西百货感恩节游行中，用了30万立方英尺的氦气来放飞15个气球，相当于220万加仑牛奶的体积。

•地球上的氦是在地壳中的放射性元素衰变时形成的，产生带正电的粒子，称为α粒子。当这些粒子吸引几个电子时，就形成了一个氦原子。

•根据杰斐逊实验室的说法，还没有人成功地将氦与另一种元素结合成化合物。它就是这么惰性。

目前的研究

氦帮助科学家们突破了物理和化学知识的极限，因为它能相对容易地变成超流体。

超流体是一种表现得好像没有粘度或流动阻力的液体。当原子以超流体状态聚集在一起时，它们突然表现得像一个物体。

科学家们希望通过在从未研究过的条件下测试超流体流动的行为来突破基础物理学的极限。他们转向氦，因为这种元素的原子在相对容易产生的温度下聚集成超流体状态。

研究人员通过一个直径只有5微米的喷嘴将这种液体喷射到一个真空室中，这个喷嘴的直径和红细胞差不多。这些微小的液滴以每秒200米的速度在舱内飞行，仅存在几毫秒。

令人难以置信的是，使用x射线自由电子激光器，科学家们能够通过在空中照射光脉冲来观察这些移动的目标。他们发现液滴确实表现得像超流体。

从远处看，水滴的行为几乎是平庸的。它们会轻微地旋转和压缩，从球形变得有点扁平，就像常规旋转液体的液滴一样。但同时，这些液滴的行为符合量子物理学的规则，量子物理学处理纳米级物体的行为。每个液滴内部都有一个类似龙卷风的漩涡网格。这些无限小的龙卷风的旋转总和是驱动整个液滴旋转的原因。

与此同时，在某种程度上，它的行为就像一种经典的液体，在微观尺度上，它表现出清晰的量子行为。

这项研究发表在2014年8月的《科学》杂志上，研究了氦超流体液滴的旋转速度，比之前在实验室中研究过的速度快10万倍。这些惊人的速度对于推动物理学的理解非常重要。

氦超流体液滴仍然包含着谜团，包括奇怪的漩涡网格的起源。研究人员现在知道小喷嘴的方法可以产生这些旋转的液滴，但不知道为什么。