氦气发现150周年——小小氦气竟有大用途

     据国外媒体报道，氦气是一种很有意思的物质。填进气球里，便能让气球高高升空；吸进嘴巴里，就能变出唐老鸭那般搞笑的嗓音。不过吸氦气可不是什么明智之举，因为它可以取代我们肺中的氧气、或引发其它呼吸道问题。

　　除了这两点作用之外，氦气还有什么用处？它有没有可能用完呢？氦气是一种气体，与人类几乎毫无共同之处，但彼此都离不开对方。现代经济需要依赖氦气，氦气也需要我们寻找更好的保护手段、防止被我们彻底用完。

　　氦气是一种惰性气体，由法国天文学家朱尔斯·让森（Jules Janssen）在1868年8月18日的全日食期间发现。当时人们尚未在地球上发现过这种元素，因此让森用太阳（helios）为其命名，称其为氦（helium）。自此之后，科学家围绕氦取得了许多重要进步，如医学和天体物理学等领域使用的现代分析工具、我们日常使用的手机等等，这些物品的生产过程都离不开氦气。氦气的独特物理特性还帮助全世界的科学家做出了许多重大发现，对国际社会助益良多。

　　地球上的氦供应是有限的

　　你可能还记得，几年前曾经出现过关于全球氦供应量有限的报道。类似的消息也在这几年间的周期性报告中屡屡出现。那么，这一危机值得引起人们的重视吗？

　　氦早在宇宙形成之初、宇宙大爆炸须臾之后便已经诞生，至今已有数十亿年的历史。它是宇宙中第二轻、也是第二常见的元素，仅次于氢气。但地球上的氦并不多，含量仅为百万分之几。问题在于，氦原子核太轻，不足以被地球引力所牵制。一旦氦气进入大气，就会逃逸到宇宙中，在太阳风的“吹拂”下随风而去。

　　虽然地球上的氦一直在减少，但直到不久之前，氦储量都非常充足。大多数氦都是在宇宙大爆炸时形成的。铀和钍等放射性元素可衰变成更小的碎片或粒子，其中也包括α粒子。这些粒子便是失去电子后的高能氦原子。在这种衰变过程中，放射性元素分裂成若干碎片，同时释放出能量，因此名为裂变。

　　放射性元素的衰变可以弥补通过大气损失的氦。裂变生成的氦主要储存于多种矿石中，在天然形成的大型蓄气池中大量聚积，如位于美国德克萨斯州的国家氦气池。但这种天然过程需经历成千上万年，产出的氦气量才能达到商业提取价值。

　　我们为何需要氦气

　　氦原子核质量只有4，仅由两个质子和两个中子构成，是一种非常稳定的元素。氦重要的特性包括：极难发生化学反应、不具有放射性、不可燃烧、无毒，关键的一点是，它的沸点低至4.2开尔文，即零下268摄氏度，十分接近宇宙中的温度下限——零度。其它元素在该温度下都不可能保持液体状态。氦气是目前唯一一种具有这些特性、且能够为我们所用的的物质。

装满惰性气体的玻璃管受到高强度电流激发，会发出不同颜色和强度的光线。图中从左至右分别为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气。　　装满惰性气体的玻璃管受到高强度电流激发，会发出不同颜色和强度的光线。图中从左至右分别为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气。

　　氦的价格相对来说并不贵。很多工业应用根本找不到更合适的替代品。对航天、国防科技、高科技制造业、火箭引擎测试、焊接、商业潜水、粒子加速器磁铁、光纤、半导体芯片而言，氦气的作用都不可或缺。

　　然而，氦气重要的用途还当属医学成像，尤其是磁共振成像技术（MRI），以及利用高强度磁场的核磁共振技术（NMR）。若不是因为氦气沸点极低，这些技术都不可能诞生。

　　超导体材料是磁共振和核磁共振设备的关键，而这些材料在4.2开尔文的温度下才能保持稳定。电子从材料中流过、产生电流时，大多数材料都会产生电阻，这对磁装置而言是一大问题。我们使用的每一样电子设备、以及运输电力的所有基础设施都会因为电阻损失能量。由于电阻的存在，很难用高强度电流产生高强磁场。然而超导体却不会阻碍电子的流动，因此能产生极强的磁场，可以进行高分辨率医学成像。但超导体材料要想发挥正常功能，就必须被放置在超低温环境中。这也正是液氦不可或缺的原因。