曾拯救太空人的「太陽物質」氦和關於它的那些事

氫、氦、 鋰、鈹、硼、碳、氮、氧、氟、氖..

作為中學時嚴重偏科的梵君（一邊倒文科）我的元素周期表只能背到這裡了。而且其中的（鈹、硼）兩種元素還總被我聯想到NBA公牛隊的那個皮蓬。

氦元素

元素符號He，原子序數2，原子量4.002602，為稀有氣體的一種。

發現過程

152年前的1868年8月18日，法國天文學家讓桑赴印度觀察日全食，當他利用分光鏡觀察日珥光譜時，他發現一條新的深黃色的譜線，與鈉光譜的D1和D2線接近。日蝕後，他同樣在太陽光譜中觀察到這條黃線，當時稱為D3線。1868年10月20日，英國天文學家洛克耶也發現了這樣的一條黃線。

經過進一步研究，當時的天文學家意識到，這條D3線是不屬於任何已知元素光譜的新線，由於這是第一個在地球以外，在宇宙中發現的新元素。為了紀念這件事，當時鑄造了一塊金質紀念牌，一面雕刻著四匹馬戰車的太陽神阿波羅（Apollo）像，另一面雕刻著詹森和洛克耶的頭像，下面寫著：「1868年8月18日太陽光譜分析。」在兩人公布這一發現時，英人J. N. Lockyer和E. F. Frankland認為這種物質是太陽上的元素，在地球上還沒有發現過，因此定名為「氦」（法文為hélium，英文為helium），源自希臘語ήλιος，意為「太陽」。

稀有氣體之父與地球氦

從1868年發現氦之後的20餘年，人們一直認為這種元素只有在太陽上存在。而直到1895年，英國化學家（稀有氣體之父）威廉·拉姆塞，在研究釔鈾礦時發現了一種神秘的氣體。由於他研究了這種氣體的光譜，發現可能就是20年前詹森和洛克耶發現的那條黃色D3線。

1895年3月24日，威廉·拉姆塞給他的夫人的信中寫道：「先講一個最新的消息吧，我把得到的新氣體裝入真空管，就在分光器上看它的光譜，我看到氖的光譜，但是忽又見到一條深黃色的明線，光輝燦爛，和鈉的光線雖不重合，可也相差不遠，我惶惑了，開始覺得可疑。我把這事告訴了克魯克斯，直到星期六早晨，克魯克斯發來電報告訴我：從釩鈾礦中分離出的氣體，為氬和氦兩神氣體的混和物。」至此這種之前只能被人們仰視的太陽元素，終於在地球被製備並且發現了。

威廉·拉姆塞

威廉·拉姆塞也因為發現氦、氖、氬、氪，氙、氡等氣態惰性元素，並確定了它們在元素周期表中的位置，而獲得1904年諾貝爾化學獎。而氦的發現者頭銜也被授予了拉姆塞。

貧「氦」的地球與興登堡號空難

從威廉·拉姆塞在地球獲得氦後，由於氦的穩定性與升力特性（比空氣輕）在二十世紀初的幾十年裡，世界各國都在積極尋找氦氣資源，在當時主要目的是用來製造升力氣球和飛艇。

氦存在於整個宇宙中，按質量計佔23%，僅次於氫。但在地球上氦氣是稀有氣體，主要存在於地底天然氣或放射性礦石中。在地球的大氣層中，氦的濃度也十分低，只有5.2萬分之一。由於當時提取氦氣技術難度很大，只有少數幾個國家掌握。這也間接導致了人類飛艇史上最大的災難-興登堡號空難。

興登堡號災難

繼1928年成功建造巨型客運飛艇「齊柏林伯爵」號（LZ-127）之後，1931年，編號為LZ-129的飛艇也在德國腓特烈港開工。工程在中途因資金問題一度停工，埃克納博士為此做了一個「與魔鬼的交易」——在飛艇的尾翼上塗繪「卐」字符以換取納粹政權的資金援助。1935年，飛艇恢復建造。1936年3月，這艘夢幻般的飛艇建造完成，以德國總統興登堡（Paul von Hindenburg，1847—1934）的名字被命名為「興登堡」（Hindenburg）號。她是齊柏林公司為德國政府建造的飛艇艦隊中的最先進也是最大的一艘，也是人類歷史上最大的飛行器。

1937年5月6日，興登堡號飛艇在一場災難性事故中被大火焚毀。這艘巨大的飛艇正在新澤西州萊克赫斯特海軍航空總站上空準備著陸，由於飛艇晚到，艇長急於降落，在錯過了降低時機之後大幅度轉向，導致結構破壞，一根固定鋼纜斷裂劃破氣囊，氫氣外洩，然後被f飛艇鋁製表面靜電火花引燃，僅用了不到32秒的時間就爆燃燒毀。

據說，『興登堡』號的設計師胡戈·埃克納曾要求飛艇的『氣囊』用較安全的氦氣充氣。可是當時氦氣只有美國能大量生產，而美國人又怕德國可能用它來製造武器，最後不得不改用易燃的氫氣，最終導致引發了『興登堡』號的巨災。

但是到了二十一世紀，氦不僅用在飛行上，尖端科學研究，現代化工業技術，都離不開氦，而且用的常常是液態的氦，而不是氣態的氦。液態氦把人們引到一個新的領域——超低溫世界。

最難液化的氣體與超能力

早在1898年，英國物理學家杜瓦（Dewar）就製備出了液態氫。就在同一年，荷蘭的物理學家卡美林·奧涅斯也得到了液態氫。液態氫的沸點是零下253℃，在這樣低的溫度下，其他各種氣體不僅變成液體，而且有的都變成了固體。只有「頑固」的氦是最後一個不肯變成液體的氣體。包括杜瓦和卡美林·奧涅斯在內的科學家們都拿氦氣無可奈何。

1908年7月13日晚，荷蘭物理學家卡美林·奧涅斯（Heike Kamerlingh Onnes昂納斯）和他的助手們在著名的萊頓實驗室取得成功，終於把氦氣變成了液態。他第一次得到了320立方釐米的液態氦。

要得到液態氦，必須先把氦氣壓縮並且冷卻到液態空氣的溫度，然後讓它膨脹，使溫度進一步下降，氦氣就變成了液體。液態氦是一種與眾不同的液體，其沸點為零下269℃。在這樣低的溫度下，連氮氣也變成了固體，在與空氣接觸時，空氣會立刻在液態氦的表面上凍結成一層堅硬的固態蓋子！

液態氦

1911年4月8日，奧涅斯又發現，在4.2 K（268.93攝氏度）時，浸入液氦中的固態汞絲電阻突然消失，即超導態（導熱性是銅的800倍）。另外氦是唯一不能在標準大氣壓下固化的物質，直到1926年基索姆（Willem Hendrik Keesom，奧涅斯的學生）用降低溫度和增大壓力的方法首先得到了固態氦。

在蘇聯，科學家卡皮察（Pyotr Kapitsa）也開始了一系列實驗來研究液態氦，在1937年發現了其超流性（superfluid）。超流體是一種物質狀態，特點是完全缺乏張力黏性。如果將超流體放置於環狀的容器中，由於沒有摩擦力，它可以永無止盡地流動。例如，液態氦在2.17K以下時，內摩擦係數變為零（零阻力），液態氦可以流過半徑為10的負5次方釐米的小孔或毛細管，甚至能順著容器壁往上流動而逃逸出去。這種現象叫做超流現象，這種液體叫做超流體。

2017年2月6日，中國南開大學的王慧田、周向鋒團隊及其合作者在《Nature Chemistry》上發表了有關在高壓條件下合成氦鈉化合物——Na2He的論文，結束了氦元素無化合物的歷史，標誌著我國在稀有氣體化學領域走到了最前沿。

Na2He

超臨界氦助力太空探索

當人類科技進入太空探索階段時，氦發揮了重要作用。

美國中部時間1970年4月11日13:13阿波羅13號於發射，（外國迷信13不吉利是有道理的）發射後在飛往月球途中，登月服務艙的氧氣罐由於電線短路爆炸了！

由於服務艙的燃料電池因液氧洩漏無法供電，主發動機無法啟動，作為唯一能夠提供變軌動力的登月艙下降級發動機臨危受命，負責進行軌道修正！發射後61小時29分43秒，登月艙下降級啟動，進入了繞月返回地球的軌道，並通過後續兩次中途修正和加速飛行，讓三名太空人最終平安返回地球。而靠的正是登月艙下降級中的超臨界氦低溫罐體一次次擠出來的生還希望......

當然也有馬失前蹄的反面案例

2016年9月1日SpaceX的埃龍馬克思團隊為獵鷹9火箭進行二級加注測試，按照測試計劃，在模擬發射前19.5分鐘加注液氧，在發射前13分鐘加注氦氣。當液氧加注完開始加注氦氣時，擠壓入COPV罐體的低溫液氦導致液氧罐絕緣層膨脹與炭纖維摩擦產生靜電，其中一個液氧罐體發生了爆炸，２億美元的AMOS 6衛星付之一炬，損失慘重。

戰略資源與我國「貧氦」現狀

氦氣資源在世界範圍內的分布非常不平均，美國是世界上氦資源最豐富的同家，雖然已大規模開採60 多年，但氦氣藏量仍佔世界總儲量的40% 以上。根據美國地質調查局2009 年的調查報告： 美國、阿爾及利亞、卡達和俄羅斯擁有世界89% 的氦資源。美國的氦氣資源預計約200 億M3，卡達100 億M3，阿爾及利亞82 億M3，俄羅斯68 億M3，加拿大20 億M3。而我國氦氣資源稀缺，氦氣勘探進展緩慢、勘探程度低，資源量和儲量情況不明。目前已發現氦氣主要集中在中－西部盆地和東部郯廬斷裂帶兩側含油盆地。儲量預測只有9億M3。我國目前氦氣基本依賴進口。

梵觀點：當你從某寶買氦氣罐來充氣球玩時，請知道其實是在消耗一種戰略資源。