地球上的“稀有珍品氦元素”背后隱藏著怎樣的科學(xué)奧秘？

出品：科普中國

作者：李中平（中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院油氣資源研究中心,中國礦物巖石地球化學(xué)學(xué)會(huì)氣體地球化學(xué)專業(yè)委員會(huì)）

監(jiān)制：中國科普博覽

浩瀚宇宙中，各種元素不斷誕生和消亡，其中有一類元素自發(fā)現(xiàn)以來就備受關(guān)注，這就是稀有氣體。提到稀有氣體，大家可能首先想到的是：元素周期表中第ⅧA族元素，即：氦（He）、氖（Ne）、氬（Ar）氪、氙；自然界中非常稀有，不會(huì)與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，又叫惰性氣體等。

但你有沒有想過，為什么有的稀有氣體在地球上非常稀少，而在宇宙中卻非常普遍？你知道科學(xué)家是如何利用稀有氣體同位素揭示地球演化歷史嗎？稀有氣體同位素比值測量是如何實(shí)現(xiàn)？稀有氣體又有哪些應(yīng)用領(lǐng)域？人類如何獲取這些珍貴的氣體呢？

其實(shí)每一種稀有氣體都隱藏著神奇奧秘，相信你也好奇了吧！那就讓我們一起走進(jìn)稀有氣體地球化學(xué)的神秘世界，本文我們將共同探討氦同位素地球化學(xué)的奧秘！

從氬到氦：威廉·拉姆齊的“氣體探險(xiǎn)”之旅

你知道嗎，早在100多年前，“氦”就被人類所發(fā)現(xiàn)了。

那是1894年4月19日傍晚，威廉·拉姆齊參加了瑞利爵士（約翰·威廉·斯特拉特）舉辦的一個(gè)演講，瑞利此前發(fā)現(xiàn)了一種叫做亞硝酸銨的化合物可以制備出與空氣中不同密度的氮?dú)?。瑞利和拉姆齊討論后決定共同探索這一現(xiàn)象的原因。他們立即在各自的實(shí)驗(yàn)室里對此展開研究，并幾乎每天保持聯(lián)系，互相通報(bào)工作的進(jìn)展情況。

同年8月，拉姆齊和瑞利宣布發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的元素——?dú)濉?895年，拉姆齊從釔鈾礦（一種不純的放射性含鈾的鈾礦）中分離出了氦，證明了這種元素在地球上也存在。隨后的幾年，拉姆齊又相繼發(fā)現(xiàn)了氖、氪和氙。因?yàn)槔俘R發(fā)現(xiàn)了空氣中的惰性氣體元素，并確定了它們在元素周期表中的位置，他在1904年被授予了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

拉姆齊是一位杰出的科學(xué)家，他的發(fā)現(xiàn)不僅填補(bǔ)了元素周期表中的空缺，而且為人類認(rèn)識(shí)自然界和推動(dòng)科學(xué)發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。他的成就鼓舞著后來者不斷追求科學(xué)的真理，致力于推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。我們應(yīng)該銘記他的名字和他為科學(xué)發(fā)展帶來的巨大貢獻(xiàn)，感謝他為人類的文明進(jìn)步做出的不懈努力。

圖1. 威廉·拉姆齊（William Ramsay，1852-1916）是一位蘇格蘭化學(xué)家，他發(fā)現(xiàn)了稀有氣體，1904年與他的合作者約翰·威廉·斯特拉特（瑞利）獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。在兩人發(fā)現(xiàn)了氬之后，拉姆齊研究了其他大氣氣體，在分離氬、氦、氖、氪和氙方面的工作做出了開拓性的貢獻(xiàn)，導(dǎo)致了周期表新的發(fā)展。

（圖片來源:諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)官網(wǎng)）

氦元素：地球上的“稀有珍品”背后隱藏著怎樣的宇宙秘密？

氦的來歷可以追溯到大約138億年前的宇宙大爆炸。在這個(gè)時(shí)候，宇宙中只有兩種元素，即氫和少量的氦。這些元素在宇宙空間中被引力聚集在一起形成恒星和星系。當(dāng)恒星在它們的核心中燃燒氫時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高溫和高壓的環(huán)境，這使得氫原子融合成氦原子。在恒星死亡并經(jīng)歷爆炸時(shí)，它們會(huì)釋放出大量的氦和其他元素到宇宙空間中。

放眼整個(gè)宇宙，按質(zhì)量計(jì)，“氦”能夠占足足23%，但是在地球大氣層中，氦的濃度十分低，只有體積比百萬分之5.2（5.2ppmv）。這是因?yàn)楹さ脑恿勘容^小，它的分子速度比大氣層中其他氣體的速度要快，這使得它容易從地球大氣層中逸出。

另外，氦氣也是一種非常穩(wěn)定的氣體，它不易被地球大氣層中的其他氣體化學(xué)反應(yīng)所吸附或轉(zhuǎn)化，這也導(dǎo)致它不會(huì)在大氣層中積聚。相比之下，氫元素雖然更輕，但它可以形成化合物，比如與氧結(jié)合形成水，與碳結(jié)合形成各種碳?xì)浠衔?，所以地球上的氫元素含量較高。

圖2. 干空氣是由氮?dú)狻⒀鯕?、氬氣和其他幾種少量的氣體組成的混合物

按分子數(shù)計(jì)算的地球大氣層的組成，不包括水蒸氣

下方的圖代表微量氣體，它們共同構(gòu)成了約0.0434%的大氣層（2021年8月的濃度為0.0442%）。數(shù)字主要來自2000年，二氧化碳和甲烷來自2019年，不代表任何單一來源

（圖片來源：engineeringtoolbox——Air Composition and Molecular Weight）

氦有8種同位素，其中只有兩種是穩(wěn)定的，分別是氦-3和氦-4。地球大氣中氦氣的主要組成是氦-4，它占氦氣的99.99986％左右，氦-3在地球上很少，僅占約0.00014％，而且少量的氦-3還是核武器試驗(yàn)產(chǎn)生。作為宇宙中最早形成的元素之一，地球上氦-3的主要成因是宇宙大爆炸和恒星內(nèi)部的核聚變反應(yīng)產(chǎn)生。

另一種是放射性成因的氦-4，是由地球內(nèi)部放射性元素（例如釷鈾）衰變時(shí)釋放出來的α粒子，氦-4主要存在于地殼，特別是沉積盆地中，可以通過斷裂或地質(zhì)流體釋放到地表。

氦同位素比值，探索地球深處的秘密

由于地球上氦-3和氦-4有不同的來源，因此，不同來源的氦氣的3He/4He比值存在顯著差異，因此，通過分析從地球深處升至地表的氦氣中3He/4He的比值，科學(xué)家可以了解地球深處的物質(zhì)組成和運(yùn)動(dòng)情況，例如地殼運(yùn)動(dòng)、巖石的熱和化學(xué)歷史，以及地球演化歷史等。

原始的氦，比如來自太陽系物質(zhì)的氦，其3He/4He比值通常較高。這是因?yàn)樵谟钪嫘纬蓵r(shí)，氦的同位素比例被固定下來，因此可以用其來判斷太陽系物質(zhì)的起源和演化。

放射性成因的氦氣，如地殼中的氦氣，其3He/4He比值通常較低，約為10^-8到10^-7之間。這是因?yàn)榈貧?nèi)部產(chǎn)生的氦氣主要是來自放射性衰變的4He，而放射性同位素的衰變會(huì)導(dǎo)致氦同位素比例發(fā)生變化。

如何利用氦同位素比值研究地球內(nèi)部的物質(zhì)演化和循環(huán)？

科學(xué)家可以對不同地區(qū)來自地幔的樣品中進(jìn)行氦同位素比值的測量，進(jìn)而研究地幔物質(zhì)的來源和演化歷史。如果一個(gè)地區(qū)的氦同位素比值比平均水平高，那么可能表示該地區(qū)測試樣品來自較原始的地幔物質(zhì)；反之，如果比值較低，那么可能表示該樣品所代表的具體地區(qū)經(jīng)歷了較多的物質(zhì)混合和再循環(huán)作用。

例如，在夏威夷島上，火山巖石中的氦氣同位素比值竟然高達(dá)大氣水平的40倍甚至更高，表明夏威夷島的火山巖漿可能是來自地球深層、原始或獨(dú)特的地幔物質(zhì)，并形成獨(dú)特的火山巖（科學(xué)家稱其為“熱點(diǎn)”）。在大西洋的洋中脊上，海底玄武巖中的氦氣同位素比值只有大氣水平的8倍，可能表示大西洋洋中脊來自一個(gè)相對較淺的層位、并伴有混合，或者普通的地幔源頭。

圖3 利用3He/4 He和40 Ar/ 36Ar比值來演示地幔物質(zhì)運(yùn)移和演化

（圖片來源：Hirochika-Sumino 2010）

氦同位素連同其他稀有氣體（氖、氬、氪、氙）類似在地球化學(xué)研究中的應(yīng)用已經(jīng)有了不少進(jìn)展，但目前仍有很多未知的領(lǐng)域需要我們?nèi)ヌ剿?。例如，科學(xué)家仍然不知道地球內(nèi)部的某些區(qū)域的氦同位素組成和分布情況，以及地球演化對它們的影響。此外，氦同位素也可以用于研究地球外的天體，例如太陽系中的行星和隕石，從而更好地理解宇宙的形成和演化過程。

氦同位素技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于地球科學(xué)、宇宙科學(xué)和核科學(xué)等領(lǐng)域的研究。比如，可以測定巖石、地下水或隕石中的稀有氣體同位素比例，推斷它們的形成年代、來源和演化過程。不同來源的氦有不同的同位素比值，因?yàn)樗鼈冊诘厍騼?nèi)部經(jīng)歷了不同的演化過程。通過測量稀有氣體同位素比值，我們可以探究地球內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)和演化，判斷礦床的成因和分布，甚至預(yù)測地震和火山噴發(fā)的可能性。

氦同位素地球化學(xué)也面臨一些可能的挑戰(zhàn)：

首先，如何提高氦同位素分析的精度和靈敏度，以滿足對極低豐度樣品的測定需求，一直是科學(xué)家所關(guān)心的問題；其次，未來如何拓展氦同位素在不同介質(zhì)（如巖石、流體、氣體等）中的應(yīng)用范圍和深度，以揭示更多的地球科學(xué)問題同樣是重要的研究方向；除此之外，如何探索氦同位素與其他稀有氣體同位素（如氖、氬、氪、氙等）之間的耦合關(guān)系，以增強(qiáng)對地球系統(tǒng)復(fù)雜過程的理解也是學(xué)界所關(guān)注的熱點(diǎn)。

稀有氣體質(zhì)譜儀：揭示地球歷史演化的重要工具

稀有氣體質(zhì)譜儀是一種專門用于分析稀有氣體同位素比值的儀器。它利用質(zhì)譜技術(shù)，將氣體樣品分離成不同的同位素離子，然后通過檢測這些離子的質(zhì)量比來確定同位素的比值。這種技術(shù)在地質(zhì)學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、天文學(xué)等領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，可以用來研究自然界中的物質(zhì)和過程，以及地球和宇宙的演化歷史。

為了達(dá)到更高的測量精度，稀有氣體質(zhì)譜儀采用靜態(tài)真空技術(shù)。所謂靜態(tài)真空是指在測量過程中系統(tǒng)中沒有氣體流動(dòng)，各部分的壓力相同且長期不變，這可以減少氣體干擾并提高測量精度。

現(xiàn)代稀有氣體質(zhì)譜儀多使用高分辨率扇形磁場和多接收技術(shù)來測量痕量樣品中的稀有氣體同位素比率。該儀器對于地球科學(xué)、天文學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域的研究至關(guān)重要。

圖4. 用于稀有氣體同位素測量的靜態(tài)真空質(zhì)譜計(jì)

（圖片來源：中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院油氣資源研究中心氣體同位素實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站）

開采月球氦-3：人類目前幾乎無法完成的挑戰(zhàn)

氦-3還有一個(gè)潛在的能源潛力，它可以與氫的同位素進(jìn)行核聚變反應(yīng)。與一般的核聚變反應(yīng)不同的是，氦-3在聚變過程中不產(chǎn)生中子，所以放射性小，反應(yīng)過程環(huán)保且安全易控制。然而，地球上氦-3的儲(chǔ)量非常有限，總量不到幾百公斤，無法滿足人類需求。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，月球上的氦-3儲(chǔ)量非常豐富。月球表面富含氦-3的原因是它是太陽風(fēng)中的重要組成部分，而月球表面正好暴露在太陽風(fēng)的輻射下。當(dāng)太陽風(fēng)流經(jīng)月球表面時(shí)，它會(huì)與表面物質(zhì)相互作用，使氦-3附著在月球表面上。因?yàn)樵虑驔]有大氣層和磁場，所以氦-3可以被無干擾地捕獲并積累在月球表面上。

圖5. 兩個(gè)氦3原子融合在一起會(huì)產(chǎn)生大量的能量

（圖片來源：量子科學(xué)論）

科學(xué)家們也正在研究如何從月球上采集氦-3，作為未來的能源資源。但從月球上開發(fā)氦-3是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，主要是由于以下幾個(gè)方面：

1.獲得采集樣品的技術(shù)難度高：要采集月球表面的氦-3，需要在月球表面建造采礦設(shè)施，并使用精密的機(jī)器人和設(shè)備進(jìn)行采樣。這種技術(shù)需要高度自主化的機(jī)器人技術(shù)和精密控制技術(shù)，這對現(xiàn)有技術(shù)水平來說仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

2.采集和運(yùn)輸氦-3的成本高：即使能夠成功采集到氦-3，將它帶回地球的成本也非常高昂。這需要使用昂貴的運(yùn)輸技術(shù)和設(shè)備，如太空飛行器和返回艙。

3.技術(shù)難度和成本增加了開采氦-3的風(fēng)險(xiǎn)：開采氦-3的過程還需要解決很多技術(shù)問題和安全隱患，如月球環(huán)境中的輻射、溫度變化、塵埃和電磁干擾等。

綜上所述，開采月球氦-3是一個(gè)技術(shù)難度極高、成本昂貴、風(fēng)險(xiǎn)較大的挑戰(zhàn)，需要我們克服很多問題才能成功實(shí)現(xiàn)。

氦氣：航空航天、核物理和更多領(lǐng)域的多功能元素

氦氣在航空航天領(lǐng)域中具有重要的作用。它被廣泛應(yīng)用于氣球、飛艇和衛(wèi)星等氣體浮力裝置中。由于氦氣密度極低，比空氣輕約7倍，因此可以提供較強(qiáng)的浮力，使得這些裝置可以懸浮在空中或進(jìn)入大氣層外的太空。此外，氦氣還可以用于航天器的供氣系統(tǒng)，來確保航天器的正常運(yùn)行。

其次，氦氣也是核物理研究的重要材料。氦氣可以用作低溫物理實(shí)驗(yàn)的制冷劑，幫助研究人員研究各種物質(zhì)的超導(dǎo)性、量子力學(xué)和物理學(xué)等問題。同時(shí)，氦氣還可以用于核磁共振成像設(shè)備中的冷卻劑，確保設(shè)備的正常運(yùn)行和高精度成像效果。除此之外，氦氣還具有許多其他應(yīng)用。例如，氦氣可以用于氦氖激光的冷卻劑，以提高激光器的效率和壽命。

氦氣還有其他許多特殊的性質(zhì)。例如：當(dāng)氦-3和氦-4混合在一起時(shí)，它們可以降低溫度，接近于絕對零度。當(dāng)溫度低于2.6毫K時(shí)，液態(tài)氦-3會(huì)出現(xiàn)“超流”現(xiàn)象，即沒有黏性，可以從盛放它的杯子中“爬”出去。超流現(xiàn)象是一種非常奇特的現(xiàn)象，不僅可以幫助我們更好地了解自然界中的量子現(xiàn)象，也讓我們看到了該領(lǐng)域廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

圖6.處于超流相的液氦，會(huì)在杯身內(nèi)面向上緩慢攀爬，攀越過杯口，然后在杯身外面向下緩慢滑落，集結(jié)在一起，形成一滴液氦珠，最后滴落在下面的液氦里。這樣，液氦會(huì)一滴一滴地滴落，直到杯子完全流空為止。

（圖片來源：維基百科）

此外，氦氣還可以用于高壓實(shí)驗(yàn)、焊接和其他高技術(shù)領(lǐng)域，如半導(dǎo)體制造和光學(xué)制造。需要注意的是，盡管氦氣的應(yīng)用范圍廣泛，但氦氣的儲(chǔ)量非常有限。目前，氦氣的主要產(chǎn)地是美國、俄羅斯和澳大利亞等少數(shù)幾個(gè)國家。因此，我們應(yīng)該謹(jǐn)慎使用氦氣，盡可能地減少浪費(fèi)，以保證氦氣的可持續(xù)利用。

高音神奇氦氣：聲音變調(diào)的科學(xué)與風(fēng)險(xiǎn)

氦氣還是一種非常有趣的氣體，因?yàn)樗穆曀俦瓤諝饪烊?，人的聲音一般?jīng)由空氣傳遞。當(dāng)空氣的成分由78% 氮和21% 氧改變?yōu)?0% 的氦氣和20% 的氧氣，密度變?yōu)檎？諝獾娜种?，此成分改變?dǎo)致聲音傳播的速度快了接近三倍，所以吸入氦氣的人說話的聲音會(huì)變高頻率。

這是因?yàn)槁曇舻囊舾吲c聲帶的振動(dòng)頻率有關(guān)，而氦氣改變了人的聲帶的共振狀態(tài)，使其發(fā)出更高的頻率，這對于娛樂和表演也有其獨(dú)特的價(jià)值。盡管這種現(xiàn)象可能讓人覺得好玩，但吸入氦氣有風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)檫^度吸入氦氣可能會(huì)導(dǎo)致缺氧，這對身體健康是有害的，大家千萬不要自行進(jìn)行嘗試。

探秘氦氣：從天然氣到鈾礦石，四種獲取方法讓你眼前一亮

氦是一種極為重要的元素，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)學(xué)和科學(xué)領(lǐng)域。那么，我們?nèi)绾潍@取這種珍貴的氣體呢？

目前，主要有四種方法可以獲取氦。

首先是天然氣分離法。這種方法利用含有氦的天然氣為原料，通過液化分餾和活性炭吸附提純等步驟，最終得到純氦；

第二種是合成氨法。在合成氨的工業(yè)生產(chǎn)過程中，尾氣中含有氦，可以通過分離提純的方式得到氦氣；

第三種方法是空氣分餾法。這種方法是從液態(tài)空氣中通過分餾法從氖氦混合氣中提取氦氣；

最后，還有一種鈾礦石法。該方法是將含氦的鈾礦石經(jīng)過焙燒，分離出氣體，再經(jīng)過化學(xué)方法除去雜質(zhì)，最終得到純氦。

這些方法雖然各不相同，但都可以有效地獲取氦氣。隨著科技的不斷進(jìn)步和發(fā)展，我們相信會(huì)有更多更高效的方法來獲取氦氣，從而更好地滿足人類的需求。

保護(hù)氦氣資源，做自己身邊的氦氣守護(hù)者！

在醫(yī)療領(lǐng)域，核磁共振（NMR）技術(shù)需要非常強(qiáng)的磁場來實(shí)現(xiàn)高精度的實(shí)驗(yàn)，這通常需要使用超導(dǎo)磁體。超導(dǎo)磁體需要在非常低的溫度下工作，通常需要使用液態(tài)氦來進(jìn)行冷卻。液態(tài)氦的沸點(diǎn)非常低，約為-269°C，可以將磁體冷卻到接近絕對零度，這樣可以使得超導(dǎo)磁體的電阻降至零，從而達(dá)到更高的磁場強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

同時(shí)，液態(tài)氦也具有良好的熱傳導(dǎo)性能，可以將磁體產(chǎn)生的熱量迅速散發(fā)出去，從而保持磁體的穩(wěn)定性。液態(tài)氦的使用也帶來了一定的挑戰(zhàn)和成本。液態(tài)氦是一種稀有的資源，價(jià)格較高，并且需要特殊的設(shè)備和技術(shù)來進(jìn)行儲(chǔ)存和運(yùn)輸。因此，使用液態(tài)氦制冷的核磁共振儀通常是高端科學(xué)儀器，用于進(jìn)行高精度的科學(xué)研究。

然而，由于氦氣短缺，受到氦氣供應(yīng)短缺的影響，2022年夏天，哈佛大學(xué)物理學(xué)家阿米爾·亞科比和菲利普·金關(guān)閉了他們實(shí)驗(yàn)室約一半的項(xiàng)目。與此同時(shí)，加州大學(xué)戴維斯分校也報(bào)告稱，它的一家氦氣供應(yīng)商削減了一半的配額，包括用于醫(yī)療用途的配額。一些醫(yī)院不得不停止使用核磁共振儀器進(jìn)行檢查，這對患者來說將是一件非常不幸的事情。

科學(xué)研究中，氦氣通常被用作制冷劑，以保持實(shí)驗(yàn)環(huán)境的低溫。在航天和軍工領(lǐng)域，氦氣也被廣泛應(yīng)用于制造火箭和導(dǎo)彈中的推進(jìn)器，氦氣在科研、航天和軍工等領(lǐng)域也具有重要作用。我國是一個(gè)貧氦國家，目前大部分氦氣都依賴進(jìn)口，因此推廣和應(yīng)用節(jié)約和回收利用氦氣的技術(shù)，加強(qiáng)對氦氣資源消費(fèi)行為的監(jiān)督和管理，提高公眾對氦氣資源保護(hù)的意識(shí)和參與度勢在必行。

作為普通大眾，我們也可以在日常生活中做一些小事來保護(hù)氦氣資源。比如少買或不買充滿氦氣的氣球，因?yàn)檫@些氣球一旦飄到空中，就會(huì)將寶貴的氦氣釋放到大氣層中，無法回收利用。下次和孩子一起出去時(shí)，我們可以嘗試一些更有趣的活動(dòng)，避免浪費(fèi)寶貴的氦氣資源。

畢竟，氦氣可不是只能用來吹氣球的哦，它還可以讓飛行器升空、讓核磁共振圖掃描更精準(zhǔn)、讓射電望遠(yuǎn)鏡觀測更清晰。讓我們一起來保護(hù)氦氣資源，讓它為科技發(fā)展、醫(yī)學(xué)診斷和空間探索發(fā)揮更大的作用吧！

參考資料：

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