1.氦的发现

1.1氦的发现

年08月18日，法国天文学家PierreJulesCésarJanssen观察日全食过程中发现了一条波长为.49nm的新谱线。这条线和钠黄光nm非常接近。（误差？多普勒效应？）

氦光谱

PierreJulesCésarJanssen

(.02.22-.12.23)

年10月20日，英国天文学家JosephNormanLockyer也发现了同样的谱线，因为这是在太阳中发现的新元素，他和英国化学家EdwardFrankland一起将这个元素以希腊神话中的太阳神Helios命名为Helium。

JosephNormanLockyer

（.05.17-.08.16）

EdwardFrankland

（.01.18-.08.09）

因为当时还没有在地球上发现这种元素，人们误以为氦是一种碱金属。于是在命名时在heli这个词根后面使用了-ium。实际上，在命名元素时，-ium这个后缀相当于汉语里的钅字旁。

年03月26日，瑞典化学家PerTeodorCleve和NilsAbrahamLanglet在铀矿中发现了氦。

PerTeodorCleve

（.02.10-.06.18）

NilsAbrahamLanglet

（.07.09-.03.30）

1.2说说太阳

太阳对人类真的太重要，忍不住多写几个字。

古希腊诗人Hesiod的《神谱》中记载，太阳神Helios是提坦神Hyperion与Thea之子，是月亮女神Selene和黎明女神Eos的兄弟。传说他乘火马日辇在天空中驰骋，从东至西，早出晚归，把阳光洒在大地。

希腊神话中的太阳神Helios

从希腊神话的太阳神，衍生出了一些相关的单词：heliolatry太阳崇拜；helianthus向日葵；heliosis中暑。

后来到了罗马神话中，太阳神改头换面成了Sol，是月光女神Luna之兄。和希腊神话类似，Sol也有太阳马车。

罗马神话中的太阳神Sol

Sol在凡间有个儿子，名叫Phaethon。Sol是一个满足儿子任何要求的神，当Phaethon要求替Sol驾驶一天太阳马车时，Sol只能叮嘱Phaethon开车要小心。结果Phaethon开着太阳车偏离了轨道，把非洲民众烤成碳黑色。Jupiter作为神界最高权威，为维持宇宙秩序，用雷电处死了Phaethon。

从这个罗马的神，衍生出相关的词汇有，solar，太阳的；parasol，遮阳伞。因为太阳只有一个，还衍生出了solitary，独自的；solo，单人表演；soloist，单独表演者；solitude，独居；isolate，孤立；desolate，荒无人烟的。

关于太阳的唯一性，我们自己的神话中有解释。《楚辞》、《淮南子》和《山海经》都讲过。

天帝帝俊和妻子羲和生了十个儿子，住在东方海外汤谷的扶桑树上。九个儿子住在低一点的树枝上，一个儿子住在高一点的树枝上。弟兄十个一天一倒班，秩序尽然。每个儿子出去值班的时候，羲和都会驱六龙拉车，伴送他们。后来，十个儿子一同出去，烧焦了大地上的所有庄稼草木，导致人民失去了食物来源。帝俊体恤百姓，就派后羿教训他的儿子们。不料后羿除害认真起来，射箭灭掉了其中九个，逃掉一个。住在太阳中的乌鸦也被射死掉落在大地上。

直到现在，人们仍在讲述后羿的故事。叶圣陶的孙子叶兆言在其中篇小说《后羿》中，以现代人的精神面貌改写了这个故事。其中射掉的太阳，依然是乌鸦的属性，但巨丑无比，有猪的样子。

后羿射日

（太阳中住着三只脚的乌鸦）

据日本上古神话《古事记》记载，掌管太阳的天照大御神是一位女神，据说原型是历史上的卑弥呼女王，就是电影《古墓丽影：源起之战》的故事背景。

《古墓丽影：源起之战》

据说是日本的太阳神

大概所有神话故事都是人类发展到一定程度以后，对客观世界的自觉的解释。虽然细节上有很多不同，但是根本情节相似。这也许就是电影中所说的：所有传说都有现实根据。

有时候对比这些神话故事，希腊神话、罗马神话、中国神话、日本神话，感觉同样的奇幻缥缈和熟悉亲切。

奇幻缥缈是因为人类进化发展了上万年，离神话的事件离我们今天真的太远，就算是记忆也是模糊的。

神谱形成过程和形式的纷繁复杂，远超过《红楼梦》中贾王薛史四大家族、《百年孤独》里布恩迪亚家族几代人之间的关系。又像单位中年大妈们嘴里淡出个鸟的时候无聊八卦一样，经常会说某某和谁谁是什么亲戚、同学、老乡、相好之类，你要是听了，脑海里慢慢就有了一个八卦出来的人物关系网。这大概是觉得神话熟悉亲切的原因吧，众神的关系和我们身边的人事关系一样有意思。

1.3氦的性质

氦有两种稳定的同位素，都是宝贵的资源。月球上有大量3He，据说上百万吨储量。地球上以4He为主，因为地球没有足够的“魅力”留住氦，大气中的氦体积占比只有5.2ppm，少的可怜，每一个氦原子都是轻飘飘的独立存在。

以前，课本上讲氦是不可再生资源。这其实不够严谨。尽管地球的引力不足以将氦吸引住，氦会不断地飞向宇宙，但是在地壳中，氦是可以伴随着天然矿石中钍（90Th）和铀（92U）等的衰变而不断产生，而且可以通过分析依据上述反应，可以根据分析天然铀矿的年份。

U→Pb+74He

U→Pb+84He

Th→Pb+64He

U放射系

（质量数A为4n+3）

Th放射系

（质量数A为4n）

U放射系

（质量数A为4n+2）

Np放射系

（质量数A为4n+1）

对于氦，一言以蔽之，轻、惰、少。

轻，是说氦的密度低，常压下气态密度为0.g/L（STP），仅大于氢的0.g/L（STP）。

惰，是说氦的原子结构很稳定，很难发生电子转移。

少，是说人类可利用的氦真的是很少。除了某些地区的矿藏富集外，直接从大气中富集氦代价很大。

氦真的不多，还有那么多人吹气球

2.氦的应用

目前世界上产氦最多的是美国，其次是卡塔尔。氦的主要用处是超低温制冷。

全球氦资源及应用统计

2.1上天揽月

人类对于蓝天的向往，从来就没放弃过。最早是靠热气球实现的，通过加热稀释空气，产生浮力飘起来。

后来出现了飞艇。在飞艇发展的黄金年代，资本主义国家都大力投资建设：美国86艘、英国72艘、德国艘、法国艘、意大利38艘、苏联24艘、日本12艘......尽管已经发现了氦，那时的飞艇都是用氢气，因为氦稀缺、昂贵，而且还是一种极受重视的战略资源。

下面都是当时世界上最大的氢气飞艇，比现在的飞机大了不知多少倍，简直就是空中泰坦尼克，最后都悲剧了。

R，英国

注意飞艇下方地面上的小黑点，那是人

德国Hindenburg事件

年05月06日，Hindenburg号在着陆时因静电火花引起氢气爆炸，35人遇难。此后，各国多有飞艇失事发生，飞艇的发展基本上就算停下来了，即便人们找到绝对不会发生爆炸的氦来代替氢。

现代空中交通以飞机为主，氦气应用较少用于载人飞艇。氦主要用于高空气球，来观测气象、测定宇宙线、通讯、重物运输等。

氦飞艇

氦气球太空旅行

氢退出了空中交通的历史舞台，几十年后又逐渐开始在地面交通工具发挥作用。主要原因是人们对新能源的尝试，以及容器技术的进步。丰田推出的燃料电池汽车Mirai，荷载了两个可以承受70MPa高压的氢气罐。希望这回是稳妥的。

燃料电池汽车MIRAI

燃料电池汽车高压氢罐结构

2.2离子注入

与氢类似，氦在材料中会导致氦脆。

在聚变实验项目中，溶解在金属中的氚衰变产生3He。3He在金属中扩散、聚并最终形成气泡，达到一定程度时会产生应力影响材料的稳定性。为研究氦脆，可以通过向材料中注入一定剂量氦离子来实现，然后再去考察材料的性能。

不知道这样做，效果如何。

离子注入

2.3聚变发电

所有聚变反应中，所需温度最低的是DT聚变，约8亿度。D-3He需要的温度约是80亿度。3He的优势是一种稳定的资源，在月球上的储量估计有万吨。D-3He聚变不产生中子，产生的质子发生核反应的概率低，副作用相应的也小。

温度对聚变反应的影响

D+D→3He+n+3.MeV（一代聚变）

D+D→T+p+4.MeV（一代聚变）

D+T→4He+n+17.MeV（一代聚变）

D+3He→4He+p+18.MeV（二代聚变）

3He+3He→4He+2p+12.86MeV（三代聚变）

2.4泄漏检测

氦气在大气环境中含量低（5.2ppm，环境本底噪声小）、分子量小、扩散系数大（0.cm2/s，K，空气；氢气，0.cm2/s，K，空气）、粘滞系数小，因此容易通过孔隙扩散（响应快）。将其与质谱仪联合使用，可以判断容器和管路有无漏孔、漏孔位置以及漏率大小，有效检测下限可达5×10-13Pa·m3/s。

氦质谱检漏仪

2.5航天航空

液体燃料火箭在发射前准备过程中，需要用氦清理管路和容器，然后才能注入燃料和氧气。另外，火箭发动机工作过程需要用到氦来增压。下图为前苏联RD-火箭发动机的管路示意图，氦在火箭发动机中为燃料和氧气增压。

火箭发动机增压系统

（苏联RD-火箭发动机的管路示意图）

年，SpaceX老板ElonMusk声称准备用氦气球回收Falcon9火箭的第二级。

ElonMusk

（.06.28-）

Falcon9二级结构

Falcon9一级回收（已实现）

Falcon9二级回收（计划中）

2.6潜水配气

一般的潜水活动，潜水员背负气瓶所装载的为空气。每下潜1m，潜水员受到的水压强就增加10Pa。为了使体内外各部分的压强能够平衡，必须吸入等压强的空气。这就使得潜水员呼吸时吸入的气体增多。吸入的气体在肺中发生气体交换进到血液和组织中去。停留於水中30公尺的约一个小时，高压氮就会渗入神经细胞，造成不同程度的麻醉，即所谓氮醉。氮醉症状跟酒醉症状类似，使人动作失调，失去控制能力。

因为氮在人体内不发生代谢，当潜水员出水时，随着压力减小，氮会从体内扩散出来。因为氮扩散速度较慢，潜水员上升的速度必须相当缓慢，以便血液和组织中的氮有足够时间缓慢扩散出来。如果从深海逃难或深海潜水中必须快速上浮时，压强急剧下降，氮气来不及充分扩散出人体，很容易在组织中聚集成气泡。这种气泡在小血管中形成栓塞，阻止血液流通。轻则引起肌肉和关节疼痛，重则会引起中枢神经系统栓塞出现麻痹，甚至瘫痪或死亡，这就是减压病。这对人体是特别有害的。这时若潜水者在深海中需要停留相当长的时间时。

氦气在人体的扩散系数是氮气的3.34倍（6.28×10–5cm2/svs.1.88×10–5cm2/s，25℃，水），溶解度约为氮气的40%，且随压力改变变化小。为避免氮气引起的问题，人们常以适当比例的氦/氧混合气代替空气，供潜水员用。这种做法不但可以减少麻痹现象，也可潜水员缩短减压上升的时间。

2.7惰性保护

因为特殊的结构，氦原子不论对于化学反应得失电子，还是核反应的中子得失，都具有十分惰性。因此，氦经常用作气体色谱的载气、核反应堆的冷却气、金属焊接的保护气等。

气相色谱分析常用He作载气

He冷却反应堆

He用于焊接保护

3.氦与低温

3.1氦的液化

人们获得液氮、液氢后，发现氦的液化非常困难。

年07月13日晚，荷兰物理学家HeikeKamerlinghOnnes在莱顿实验室第一次成功地将氦气液化，得到毫升液氦。

实验设计很精妙：先把氦气压缩、冷却到液态空气的温度，然后让它膨胀，使温度进一步下降，就得到了液氦。这是一个零和博弈的结果，有点“舍得”的意味。在绝热系统中，一部分高压氦膨胀吸热，剩下部分高压氦必定放热冷却，自然就液化了。

此外，温度的影响，在氟（HenriMoissan，低温电解）和青蒿素（屠呦呦，低温提取青蒿素）的发现中也起到了关键的作用。诺贝尔奖获得者，都是在细节中掘出魔鬼的大神。

HeikeKamerlinghOnnes

（.09.21-.02.21）

年诺贝尔物理奖

HenriMoissan

（.09.28-.02.20）

年诺贝尔物理奖

屠呦呦

（.12.30-）

年诺贝尔生理医学奖

年，在英国学习的苏联科学家PyotrLeonidovichKapitsa发明了新型的液氦机，每小时可以制造4升液氦，为液氦应用打开了大门，给低温领域研究奠定了基础。

PyotrLeonidovichKapitsa

（.07.09-.04.08）

年诺贝尔物理奖

Kapitsa当刚到英国时，ErnestRutherford不许他在Cavendish实验室宣传共产主义。后来，第一项研究成果发表了，Kapitsa在送给Rutherford的一份抽印本上题词说，此文可证明他到该实验室是搞科学研究而不是进行共产主义宣传。Rutherford看后将抽印本退给Kapitsa。Kapitsa马上把另一份早准备好的、写好得体题词的抽印本送出。Rutherford很赏识这种先见之明，于是这场调皮引起的“冲突”也就平息了。可怜现在的学生，再也没有心思跟老师逗乐了。老师们更热衷赚钱了，学生们只关心成绩。

Kapitsa是大家，脾气也大。年他返回苏联后不满研究环境，给斯大林写了很多抱怨信，大胆直率。斯大林只回过一次，还严禁克格勃迫害他。当年LevDavidovichLandau被苏联政府以德国间谍的莫须有罪名抓起来，Kapitsa找斯大林抗议交涉后，朗道无罪释放。

LevDavidovichLandau

（.01.22-.04.01）

年诺贝尔物理奖

3.2液氦制冷

在液化的基础上，人们可以利用氦继续努力来获取更低的温度。

3He相图

4He相图

3He/4He的混合液在0.86K以上时，3He可以以任何比例溶解在液4He中。当温度降到0.86K以下时，混合液则分离成两相，3He浓度高的是浓缩相，浓度低的是稀释相。在低于0.86K的任一温度都对应于一定的3He含量的稀释相和浓缩相，并达到相平衡。当从稀释相中抽走3He原子时，浓缩相中的3He通过相界面进入稀释相以补充被移去的3He原子。因为3He在稀释相中的焓和熵比在浓缩相中要大得多。所以这种稀释过程需要吸热。

基于此，HeinzLondon在年，提出稀释制冷机的概念。

HeinzLondon

(.11.07-.08.03)

3He/4He相图

从稀释制冷机的结构图来看，包含相界面的室称做混合室，3He原子从浓缩相经过相界面进入稀释相要吸热而制冷，使温度降低。包含稀释相的自由表面的室称为蒸馏室，温度维持在0.6K~0.7K。此时3He的饱和蒸气压远高于4He的饱和蒸气压，可以用抽气机抽走，这时浓缩相中的3He原子就不断地通过相界面进入稀释相，抽走的3He经过冷凝再补充到浓缩相中形成循环，使制冷机不断地运行。

年P.Das等人根据这一理论制成了3He/4He稀释制冷机，实现了1.8mK（1m=10-3）的低温。

3He/4He稀释制冷机

怀念以前学的Carnot循环。

3.3自旋制冷

物质内部的所有运动对内能都有贡献，运动形式包括平动、转动、振动，运动主体可以是分子、电子和原子核。在一般温度条件下运动间的能量交换迅速，近似处于热平衡，可用同一温度来描述。在极低温度下，运动间的能量交换较慢，不能很快建立热平衡。严格来讲，应该明确运动形式与温度的对应关系。

与核自旋运动相联系的温度称为核自旋温度。温度低至mK量级，核磁矩仍然混乱取向。

进一步的做法是，以稀释致冷机预冷，用超导磁体产生强磁场使核自旋磁化，再绝热去磁，获得低温。此法由CornelisJacobusGorter和NicholasKurti分别于年和年提出，年Kurti成功地使金属铜的核自旋温度冷却到16μK（1μ=10-6）。

CornelisJacobusGorter

（.08.14-.03.30）

NicholasKurti

（.05.14-.11.24）

后来用二级核绝热去磁使核自旋温度达到50nK（1n=10-9）的极低温，第一次观察到铜中核磁矩的自发反铁磁排列。

年，芬兰AaltoUniversity的O.V.Lounasmaa实验室称获得pK（1p=10-12）的核自旋温度，是迄今最接近绝对零度的结果。

绝热去磁只能降低核自旋温度，晶格温度可能仍为mK量级。表面上人们获得了低温，实际上这种低温是没办法利用的。sigh~

3.4液氦超导

基本上，凡是用到超导的地方，一般都需要液氦提供低温条件。大型强子对撞机、磁悬浮、超导输电、核磁共振等都需要用液氦为超导材料提供低温。

大型强子对撞机

磁悬浮

超导电线

核磁共振成像仪（MRI）

MRI中的氦回路

MRI磁体结构

MRI磁体结构示意

核磁共振仪（NMR）

最奇特的是，液氦是一种量子液体，具有超流性，这个我不懂。

4.结语

令人担忧的是，作为世界上用途最广泛的惰性气体，氦气正以十分惊人的速度被大量消耗。很多情况下氦气难以被其他气体替代，缺乏氦气将会带来严重后果。

这种担忧不无道理

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