李啟翔

誰是地球上最“冷”的元素？其實在前面的“科學聚焦”欄目中就已經(jīng)藏著答案，那就是能用來讓汞超導化的元素——氦。

溫度最低才算“冷”

在標準大氣壓（你可以理解為我們正常生活的大氣壓）下，我們需要將溫度降低到-268.785℃才能將氦氣液化。這個溫度已經(jīng)非常接近理論上的最低溫度“絕對零度”-273.15℃了。氦也因此喜提“最冷元素”的桂冠。

最不活潑也算“冷”

氦元素的性格十分“高冷”。它的結構非常穩(wěn)定，既不會燃燒，也不會與其他的物質發(fā)生化學反應生成新的物質。氦氣還是在水中溶解度最小的氣體，幾乎不溶于水?？梢哉f，氦是最不活潑的元素?？茖W家將氦氣這樣不輕易與別的元素“玩?！钡臍怏w稱為惰性氣體。

若即若離的“冷”

氦在宇宙中的含量非常豐富，達到了9%，僅次于氫的90%，剩下的1%才是所有其他元素。

然而在地球上，氦卻非常稀缺。因為氦是僅次于氫的第二輕的元素，地球的引力抓不住它們。如果說氫元素還能以水或者其他物質的形式存在于地球表面，那么懶惰的氦氣在這顆藍色星球形成之初，就逃到宇宙中去了。因此，氦氣也被稱為稀有氣體，是一種寶貴的資源。

冷冷的氦，用處多

氦氣液化溫度極低、性質不活潑、質量輕盈，被廣泛應用于科研、醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)和民用等領域。

辨色識元素

在介紹氦的發(fā)現(xiàn)之前，我們先介紹一下元素光譜法。

曾經(jīng)，科學家們發(fā)現(xiàn)新的化學元素，主要是從自然界的物質中分離提取，這就得碰運氣，不但過程緩慢，還很難找到一些稀有的元素。

后來，科學家發(fā)現(xiàn)，元素在高溫加熱后，會放射出特定波長的光?？茖W家基爾霍夫發(fā)現(xiàn)，每一種元素的光譜都是獨特的，而且只需要一點點樣品就可以得到。之后，他便將光譜法應用于新元素的發(fā)現(xiàn)，元素的發(fā)現(xiàn)就此進入了爆發(fā)式增長時期，極大程度推動了近代化學的發(fā)展。

從陽光中發(fā)現(xiàn)

1868年8月，在一次日全食的過程中，太陽被月亮遮得嚴嚴實實，只露出了周圍一圈日珥。法國天文學家皮埃爾·詹森利用光譜儀，從日珥的光譜中觀察到了一條新的亮黃色譜線。他意識到，這可能是一種新元素。

兩個月以后，英國天文學家約瑟夫·洛克耶在觀察太陽光譜時，也觀察到了這條黃線，他發(fā)現(xiàn)當時已知的元素中，沒有一種能產(chǎn)生這樣的譜線。于是他和一位英國化學家一起，將這種元素命名為Helium，意思是“太陽”。

1881年，意大利物理學家帕爾米耶里在分析維蘇威火山的巖漿時發(fā)現(xiàn)了氦的光譜線，這是人們第一次在地球上發(fā)現(xiàn)氦，說明氦元素在地球上同樣存在。而在之前很長一段時間里，氦元素被認為只存在于太陽上。

1895年，蘇格蘭化學家威廉·拉姆齊將硫酸加入瀝青鈾礦時，產(chǎn)生了一種不活潑的氣體，最終這種氣體被驗證為氦元素。這是人類首次在地球上分離出氦。在那以后，人們又陸續(xù)從其他礦石和天然氣中發(fā)現(xiàn)了氦。

宇宙中的氦

在上期認識氫元素的時候，我們了解到，恒星的燃燒是氫元素在發(fā)生核聚變反應，而燃燒的氫聚合在一起生成的新原子核——這正是氦原子核。可以說，氦元素是恒星燃燒的產(chǎn)物。氦作為一種“高冷”的元素，一般不會繼續(xù)燃燒，但在特定的條件下，宇宙中的氦也會爆發(fā)出驚人的能量。

氫合成氦的過程，貫穿了一顆恒星生命周期的大部分時間。當恒星中的氫元素快要燃燒殆盡時，恒星就進入了生命的后期，它會迅速膨脹為紅巨星。當恒星內部的溫度上升到一億開爾文后，就打開了氦元素聚變反應的開關。在幾秒鐘到幾分鐘的極短時間里，大量的氦燃燒起來，產(chǎn)生爆炸式的劇烈反應，使得恒星釋放出一百萬倍的能量，這就是電影《流浪地球2》中引發(fā)地球危機的“氦閃”

地球上的氦

既然地球的引力留不住氦氣，那么人類各行各業(yè)使用的氦氣又是從哪里來的呢？

由于不溶于水，又無法與別的化合物相結合，地球上的氦氣幾乎都是由地殼中的放射性元素衰變產(chǎn)生的，非常稀少，且不可再生。

這些氦氣儲藏在被地殼包圍的地下封閉空間中，經(jīng)常與天然氣等混合在一起，人們在開采天然氣后，再將氦氣分離出來。

由于氦氣暴露到空氣中就會離開地球，地下的氦氣又不可再生，因此地球上的氦氣終究會有耗盡的一天，氦氣成了越來越重要的資源。許多氦氣用量大的機構都開始使用回收系統(tǒng)循環(huán)利用。

太陽上氦元素的豐度達到27%，是太陽系中氦元素最多的地方，但人類很難利用。木星、土星、天王星、海王星這些氣體巨行星上也有大量的氦，或許有一天，人類可以想辦法從它們那里獲得氦氣。