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May 26, 2022

氦(来自希腊语 ἥλιος、hḕlios、“太阳”)是元素周期表中的化学元素,符号为 He,原子序数为 2。它是一种无色、无味、无味、无毒且惰性的惰性气体。它以单原子气体的形式出现,这可以通过分析(虚构的)分子 He2 的 OM 能量图来解释,事实上,反键 OM 中的两个电子使键不稳定,以至于它没有形成。它是可观测宇宙中仅次于氢的第二轻元素和第二丰富的元素,约占总元素质量的 24%,是所有最重元素总质量的 12 倍以上:其丰度为类似于太阳和木星上的这些数据;这是因为相对于氦之后的三种元素,氦 4 (4He) 具有非常高的核结合能(每个核子);这种结合能也解释了为什么它是核聚变和放射性衰变的产物。宇宙中的大部分氦是氦 4,据信是在大爆炸期间形成的。恒星中氢的核聚变不断产生大量新的氦。它以希腊太阳神埃利奥的名字命名。它是所有元素中沸点最低的元素。它只有在承受非常高的压力时才能固化。它以液体形式用于低温(其最大的单次使用,约占产量的四分之一),特别是在超导磁体的冷却方面,主要的商业应用以核磁共振设备为代表;氦气的其他工业用途是加压和净化气体,为电弧焊和特殊工艺(如硅晶体的生长)创造保护气氛;次要用途是提升气体以用于探测气球和飞艇,或作为混合物中的气体用于深潜。与密度不同于空气的任何气体一样,吸入少量氦气会暂时改变人声的音色和质量。在科学研究中,氦 4 的两个流体相(氦 I 和氦 II)的行为,对于研究量子力学(尤其是超流性)的研究人员以及体验某些现象(例如超导性和接近绝对零的物质的产物)的研究人员来说,这很重要。在地球上,它相对罕见:大气中的体积为 5.2 ppm(百万分之一)。今天地球上的大部分氦是由重放射性元素(特别是钍和铀)的自然放射性衰变产生的,因为这些衰变发出的 α 粒子由氦 4 原子核组成。这种放射性氦以高浓度存在于天然气中,体积约为 7%,使用称为分馏的低温分离工艺从天然气中提取。在过去,氦气被认为是不可再生的陆地资源,因为一旦释放到大气中,它就很容易逃逸到太空中。然而,最近的研究表明,通过放射性衰变在地球深处产生的氦能够以比预期更大的剂量收集到天然气储备中;在某些情况下,它可以通过火山活动释放。

历史

氦是由法国人 Jules Janssen 和英国人 Norman Lockyer 于 1868 年独立发现的。两人都在研究日食期间的阳光,并通过分析其光谱,发现了一种未知元素的发射线。 Edward Frankland 证实了 Janssen 的发现,并提出该元素的名称类似于希腊太阳神 Helios,并添加了后缀 -ium(英文),因为预计新元素是金属。 1881 年,Luigi Palmieri 在升华维苏威火山爆发的产物时,首次从他的光谱线 D3 中揭示了地球上的氦。它于 1895 年由威廉拉姆齐爵士从克莱维特中分离出来,并最终归类为非金属。瑞典化学家 Nils Langlet 和 Per Theodor Cleve 独立于 Ramsay 工作,大约在同一时间成功地将氦与唇炎分离。 1907 年,欧内斯特·卢瑟福和托马斯·罗伊兹成功地证明了 α 粒子是氦原子核。 1908 年,荷兰物理学家 Heike Kamerlingh Onnes 通过将其冷却至 0.9 K 制造了第一个液态氦,这一壮举为他赢得了诺贝尔奖。 1926 年,他的学生之一威廉·亨德里克·基索姆 (Willem Hendrik Keesom) 成为第一个凝固氦气的人。1908 年,荷兰物理学家 Heike Kamerlingh Onnes 通过将其冷却至 0.9 K 制造了第一个液态氦,这一壮举为他赢得了诺贝尔奖。 1926 年,他的学生之一威廉·亨德里克·基索姆 (Willem Hendrik Keesom) 成为第一个凝固氦气的人。1908 年,荷兰物理学家 Heike Kamerlingh Onnes 通过将其冷却至 0.9 K 制造了第一个液态氦,这一壮举为他赢得了诺贝尔奖。 1926 年,他的学生之一威廉·亨德里克·基索姆 (Willem Hendrik Keesom) 成为第一个凝固氦气的人。

特征

在标准温度和压力下,氦气仅作为单原子气体存在。仅在极端条件下才会冷凝。它是所有元素中沸点最低的,是唯一不能通过降低温度而固化的液体;它在标准压力下保持液态直至绝对为零(它只能通过增加压力来固化)。事实上,液态和气态之间没有区别的临界温度仅为 5.3 K。 3He 同位素和 4He 固体同位素的独特之处在于,通过施加更大的压力,它们的体积变化超过 30% .固态氦仅在 15 K 时的压力约为 100 MPa 时存在;在大约这个温度下,氦经历高温和低温形式之间的转变,其中紧密堆积的原子分别呈现立方或六边形构型。所有这些排列在能量和密度上都是相似的,过渡的原因在于原子相互作用的方式。

量子力学中的氦

从量子力学的角度来看,氦是仅次于氢原子的第二个最简单的原子。氦由两个电子组成,原子轨道围绕一个包含两个质子和(通常)两个中子的原子核。与经典力学一样,由两个以上粒子组成的系统不能用精确的解析数学方法解决(参见三体问题),氦也不例外。因此也需要使用数值方法来求解一核二电子系统。这种计算化学方法已被用于在量子力学中以优于实验测量值 2% 的精度描述电子与原子核的键合。该模型表明,每个电子都部分地屏蔽了另一个电子的原子核,因此每个电子看到的有效电荷 Z 约为 1.69 e,而不是像孤立的原子核那样为 2 e。氦 4 的原子核以 α 粒子的形式由衰变后的放射性元素发射。高能电子散射实验表明,电荷从最大值到中心呈指数下降,就像电子云的电荷密度一样。这种对称性反映了类似的物理行为:原子核的中子对和质子对遵循与电子对遵循相同的量子力学规则(即使核粒子受到非常不同的核结合能),因此,所有这些费米子都占据一对 1s 原子轨道,这些对都没有轨道角动量,因为它们相互抵消了自旋。添加这两个粒子中的任何一个都需要角动量并且会不稳定(实际上没有具有稳定核子的核)。从能量的角度来看,这种四核子配置非常稳定,这种稳定性解释了氦在自然界中的许多特性。从电子云的角度来看,氦原子是惰性的,即不形成稳定的分子。氦的电离能 25.6 eV 是元素中最高的。氦原子的电子云之间的弱相互作用导致所有元素的沸腾温度最低。此外,由于零点能量,即使在接近绝对零的温度下也需要高压来凝固氦气。氦 4 原子核的特殊稳定性在涉及重元素或发生核聚变的原子反应中产生类似的效果:通常会产生 α 粒子。在氢原子的聚变反应中,氦3原子的产生是非常罕见的,虽然它是一种稳定的同位素,但氦4的产生的可能性要大得多。氦 4 原子核的异常稳定性在宇宙学中也很重要:它解释了这样一个事实:在大爆炸后的最初几分钟,从最初以比例 6 产生的自由质子和中子的初始汤中:1 一旦冷却到可以形成原子核的程度,几乎所有早期形成的复合原子核都是氦 4 原子核。氦 4 键非常牢固,以至于氦 4 的产生在几分钟内消耗了几乎所有的自由中子,然后它们才会发生 β 衰变,并且还剩下很少的可以形成更重元素的,如锂、铍和硼.事实上,氦 4 的每个核子的结合能都大于所有这些元素的结合能,事实上,从能量的角度来看,一旦形成氦,就不可能形成元素 3、4 和 5。它是从能量的角度来看,两个氦原子合并成每个核子能量最小的下一个元素碳,这是几乎不可能的。然而,这个过程,由于缺少中间元素,需要三个氦原子同时相互碰撞(见过程三α)。但实际上,在大爆炸后的几分钟内,大量碳无法形成,然后宇宙膨胀将其带到一个温度和压力,使氦不再可能融合成碳。这使得早期宇宙的氢/氦比率与目前观察到的宇宙相似(3 份氢对 1 份氦 - 4 质量),宇宙中几乎所有中子都被困在氦中 - 4 .所有较重的元素(包括地球等固体行星所基于的元素,但也只是生命所必需的碳)是在大爆炸后在足够热的恒星中产生的,可以融合氦原子。除氢和氦之外的所有元素目前仅占宇宙核质量的 2%。另一方面,氦 4 占所有普通物质的 23%,不考虑暗物质。

可用性

在宇宙中

氦是宇宙中仅次于氢的第二大元素,在恒星中占质量的 25% 以上,在产生能量的反应中起着重要作用。氦的丰度太大,无法单独用恒星内部的反应来解释,但它与大爆炸模型一致,宇宙中的大部分氦被认为是在接下来的三分钟内形成的。 .

在地球上

这种元素以 5 ppm 的比例存在于地球大气中,是某些放射性矿物衰变的产物。具体来说,它存在于铀和钍矿石中,包括锂辉石(发现氦的第一种矿物)、沥青闪石、卡诺石和独居石;它是由这些元素通过放射性衰变以阿尔法粒子的形式产生的。它也存在于一些矿泉水(一些冰岛泉水每千分之一的氦气)、火山气体和美国的某些天然气矿床中(大部分商业生产的氦气都来自这些矿床)。氦可以通过用质子高速轰击锂或硼原子来合成。1903 年在堪萨斯州的一次石油钻探中,获得了一个气态间歇泉,由氮气 (72%)、甲烷 (15%)、氢气 (1%) 和 12% 的不明气体组成。由于随后的分析,Cady 和 McFarland 发现该样品中有 1.84% 是氦气。这表明,尽管地球上稀缺氦气,但在美国大平原下大量浓缩氦气,可作为天然气的副产品进行提取。这一发现使美国成为世界上最大的氦气生产国。多年来,美国生产了世界上 90% 以上的商用氦气;剩余的数量来自加拿大、波兰、俄罗斯和其他国家的工厂。九十年代中期,阿尔及利亚阿尔泽的一家新工厂,它从 1700 万立方米开始运营,其生产能够满足整个欧洲的需求。 2004 年至 2006 年间,又建造了两座工厂,一座位于卡塔尔的拉斯拉芬,另一座位于阿尔及利亚的斯基克达,尽管在 2007 年初拉斯拉芬的运行率为 50%,而斯基克达尚未开始生产。根据伊萨卡康奈尔大学的 Robert Coleman Richardson 的说法,阿尔及利亚迅速成为第二大氦气生产国,在此期间,氦气的消耗量和成本都增加了,鉴于目前的氦气消耗率和地球上这种元素的稀缺性,有氦储备将在 2040 年耗尽的风险。2004 年至 2006 年间,又建造了两座工厂,一座位于卡塔尔的拉斯拉芬,另一座位于阿尔及利亚的斯基克达,尽管在 2007 年初拉斯拉芬的运行率为 50%,而斯基克达尚未开始生产。根据伊萨卡康奈尔大学的罗伯特·科尔曼·理查森 (Robert Coleman Richardson) 的说法,阿尔及利亚迅速成为第二大氦气生产国,在此期间,氦气的消耗量和生产成本都在增加,鉴于目前的氦气消耗率和地球上这种元素的稀缺性,氦储备有可能在 2040 年耗尽。2004 年至 2006 年间,又建造了两座工厂,一座位于卡塔尔的拉斯拉芬,另一座位于阿尔及利亚的斯基克达,尽管在 2007 年初拉斯拉芬的运行率为 50%,而斯基克达尚未开始生产。根据伊萨卡康奈尔大学的 Robert Coleman Richardson 的说法,阿尔及利亚迅速成为第二大氦气生产国,在此期间,氦气的消耗量和成本都增加了,鉴于目前的氦气消耗率和地球上这种元素的稀缺性,有氦储备将在 2040 年耗尽的风险。根据伊萨卡康奈尔大学的罗伯特·科尔曼·理查森 (Robert Coleman Richardson) 的说法,阿尔及利亚迅速成为第二大氦气生产国,在此期间,鉴于当前氦气的消耗率和氦气的供应有限,氦气的消耗量和生产成本都在增加。地球上的元素,氦储备有可能在 2040 年耗尽。根据伊萨卡康奈尔大学的罗伯特·科尔曼·理查森 (Robert Coleman Richardson) 的说法,阿尔及利亚迅速成为第二大氦气生产国,在此期间,鉴于当前氦气的消耗率和氦气的供应有限,氦气的消耗量和生产成本都在增加。地球上的元素,氦储备有可能在 2040 年耗尽。

化合物

氦是最惰性的元素,但在放电或电子轰击的影响下,它会与钨、碘、氟、硫和磷一起形成化合物。如果受到激发,它还可以产生准分子和准分子。特别不稳定的氦化合物被称为“Heliides”。

形式

液氦 (4He) 有两种形式:4He I 和 4He II,它们的转变点都在 2.174 K。高于此点的 4He I 是正常液体,但低于此温度的 4He II 与任何其他普通流体不同。当在常压下冷却到 2.189 K 以下时,即所谓的 λ 点,它变成一种称为液氦 II 的超流体。与普通液氦 I 不同,由于量子效应,它具有许多不寻常的特性;它的行为是已观察到的在宏观尺度上运行的量子效应的首批例子之一。这种转变发生在 3He 中更低的温度下,因为这种效应依赖于玻色子的凝聚,但 3He 的原子核3他是费米子,不能单独凝聚,只能凝聚成玻色子对。由于转化是二阶更高阶的,在 lambda 点没有潜热,两种液体形式永远不会共存。氦 II 具有非常低的粘度和比所有其他物质高得多的热导率(大约是铜的 800 倍)。此外,氦 II 显示出热机械效应(喷泉效应):如果两个装有氦 II 的容器通过毛细管连接,并且两个容器中的一个被加热,则氦流会流向加热的容器。另一方面,在机械热效应中,氦 II 通过毛细管的强制流动产生了离开毛细管的氦 II 的冷却。热脉动引入氦 II 以与声音脉动相同的方式在液体中传播,这种现象已被称为“第二声音”。与氦 II 接触的固体表面覆盖有一层厚度为 50 到 100 个原子的薄膜,该薄膜产生无摩擦的液体流动;因此,在没有液体流出的情况下,不可能在敞开的容器中容纳氦 II。质量通过氦 II 膜的传输以取决于温度的恒定量发生。最后,大量的氦 II 不会整体旋转,试图旋转它会在液体中产生小的无摩擦涡流。氦 II 被一层厚度为 50 到 100 个原子的薄膜覆盖,该薄膜产生无摩擦的液体流动;因此,在没有液体流出的情况下,不可能在敞开的容器中容纳氦 II。质量通过氦 II 膜的传输以取决于温度的恒定量发生。最后,大量的氦 II 不会整体旋转,试图旋转它会在液体中产生小的无摩擦涡流。氦 II 被一层厚度为 50 到 100 个原子的薄膜覆盖,该薄膜产生无摩擦的液体流动;因此,在没有液体流出的情况下,不可能在敞开的容器中容纳氦 II。质量通过氦 II 膜的传输以取决于温度的恒定量发生。最后,大量的氦 II 不会整体旋转,试图旋转它会在液体中产生小的无摩擦涡流。质量通过氦 II 膜的传输以取决于温度的恒定量发生。最后,大量的氦 II 不会整体旋转,试图旋转它会在液体中产生小的无摩擦涡流。质量通过氦 II 膜的传输以取决于温度的恒定量发生。最后,大量的氦 II 不会整体旋转,试图旋转它会在液体中产生小的无摩擦涡流。

同位素

氦最常见的同位素是 4He,它的原子核由两个质子和两个中子组成。这种配置非常稳定,因为它有一个神奇的核子数,也就是说,他们愿意形成一个完整的壳的数量。许多重原子核通过发射 4He 原子核按照称为 α 衰变的过程衰变,因此氦原子核也称为 α 粒子;地球上的大部分氦气都是由这个过程产生的。 3He 同位素比更常见的 4He 轻,因为它的原子核由 2 个质子和 1 个中子(3 个核子)组成,而 4He 由 2 个质子和 2 个中子(4 个核子)组成。 3他没有放射性,在地球表面几乎不为人知,因为氦源仅产生 4He 作为 alpha 粒子,而大气中的氦会在相对较短的地质时间内逃逸到太空中。 He-6 是一种高度不稳定的同位素,可在 806.7 毫秒内通过负 β 辐射衰变成 Li-6,也在实验室中合成。

应用

尽管氦气最著名的使用领域是气球的充气,但是,这种用途在较小程度上受益于它。主要应用在低温学:主要用于冷却用于磁共振成像 (MRI) 和 NMR 光谱仪的超导磁体。我们列出了主要使用氦气的地方(参考美国 2014 年的预测)。

低温学

其极低的沸点使液氦成为许多极低温应用的理想制冷剂,例如超导磁体和低温研究,这些应用要求温度接近绝对零。3He 和 4He 的混合物用于稀释冷却器。

可控气氛

氦在硅和锗晶体的生长以及钛和锆的生产中用作惰性气体。作为一种理想的、具有高声速和高绝热膨胀系数的惰性气体,它也用于超音速隧道。

钨极惰性气体焊

在焊接温度下或被空气或氮气污染或削弱的材料上进行弧焊时,氦气用作保护气体。对于一些具有高导热性的材料,例如铜和铝,最好使用氦气而不是更便宜的氩气。

气体泄漏测量

氦气通常用于定位真空系统中的泄漏。氦气在固体中的扩散速度是空气的三倍,它被用作高真空系统中检测气体泄漏的痕量气体。使用的仪器是放置在真空室中的四极杆质谱仪。在外面,氦气被喷射到各个部件中,质谱仪快速检测到氦气的存在。甚至可以找到流速仅为 10−9 mbar · L / s (10−10 Pa · m3 / s) 的孔。氦质谱仪很简单,因为氦的质量很小,很容易偏转。在泄漏严重的情况下,真空室用氦气加压,并用外部手动工具搜索孔。在真空系统中泄漏计的使用是常见的做法:它们通常被称为泄漏检测器,或者更常见的英文名称是检漏仪。大多数玻璃和塑料绝缘材料都可以透过氦气,这有时会混淆实际缺陷和明显缺陷。

潜水员的混合物

呼吸中使用的氦气不会像氮气一样引起深水麻醉,因此深水潜水使用混合气、氦气或氦氧混合气等混合物,以减少麻醉效果,麻醉效果会随着深度的加深而恶化。氦气的一个不良影响是声音的音调变化,即所谓的“鸭子效应”,这使得与潜水员的交流变得难以理解。随着深度的增加,压力增加,呼吸气体的密度也增加,并且使用具有低原子量的氦气通过降低混合物的密度来显着减少呼吸努力。这减少了流动的雷诺数,从而减少了湍流并增加了层流,因此呼吸所需的功更少。在深度大于 120 m 处,呼吸氦氧混合物的潜水员开始颤抖,精神运动能力下降,这是高压神经综合征的症状。

由于氦气比空气轻,所以飞艇和气球会用氦气充气来升起它们。氢气会更轻,因此提供更大的向上推力,并且跨膜渗透性也更低,但氦气不易燃,是一种阻燃气体。在火箭中,氦气被用作燃料和助燃物之间分离和运动的手段。它还用于在发射前清洁燃烧箱和燃料箱以及在发射前对液态氢进行预冷却。为了得到一个想法,阿波罗计划中的土星五号在发射前需要 370,000 立方米的氦气。

科学用途

氦气在气相色谱中用作惰性气体。氦被用作绝对密度测量的气体,在特殊的氦比重瓶中,测量小于氦可达到的孔隙率的物体体积。由于极低的折射率,氦气的使用减少了某些望远镜中透镜之间温度变化的扭曲效应。这种方法特别适用于真空管太重的太阳望远镜。含有铀和钍的岩石和矿物的年龄可以通过捕获的氦气量来测量,这是一项最新的技术。在科学实验室中,液氦被广泛用于研究低温下固体的性质。CERN 的大型强子对撞机 (LHC) 使用 96 吨氦气将超导磁铁保持在 27 公里长的隧道中,其中包含 1.9K 的加速器。

各种用途

氦氖激光器是一种产生红色光束的小型气体激光器,过去曾被广泛用作条码阅读器和激光指示器,之后几乎到处都被更便宜的激光二极管所取代。作为一种具有高导热性、对中子透明且不会在核反应堆内形成放射性同位素的惰性气体,氦在一些气冷反应堆中被用作传热的手段。氦气与氙气等较重的惰性气体混合用于热声制冷,因为它具有高绝热膨胀系数和小普朗特数。使用惰性气体(如氦气)具有以下优点:会破坏臭氧并导致全球变暖的传统制冷系统。氦气也用于一些硬盘驱动器。它还用于为聚酯薄膜或乳胶气球充气以供玩耍。鉴于其低密度,它是氢的极好(但昂贵)替代品。与氢气不同,它具有不易燃的优点。它用于医疗领域,用环境空气稀释,以进行肺活量测试,以检查肺部的充盈能力。液氦在磁共振成像中的使用越来越多,因为该技术的医学应用在最近一段时间内正在普及。氦气也用于一些硬盘驱动器。它还用于为聚酯薄膜或乳胶气球充气以供玩耍。鉴于其低密度,它是氢的极好(但昂贵)替代品。与氢气不同,它具有不易燃的优点。它用于医疗领域,用环境空气稀释,以进行肺活量测试,以检查肺部的充盈能力。液氦在磁共振成像中的使用越来越多,因为该技术的医学应用在最近一段时间内正在普及。氦气也用于一些硬盘驱动器。它还用于为聚酯薄膜或乳胶气球充气以供玩耍。鉴于其低密度,它是氢的极好(但昂贵)替代品。与氢气不同,它具有不易燃的优点。它用于医疗领域,用环境空气稀释,以进行肺活量测试,以检查肺部的充盈能力。液氦在磁共振成像中的使用越来越多,因为该技术的医学应用在最近一段时间内正在普及。氢气的优点是不易燃。它用于医疗领域,用环境空气稀释,以进行肺活量测试,以检查肺部的充盈能力。液氦在磁共振成像中的使用越来越多,因为该技术的医学应用在最近一段时间内正在普及。氢气的优点是不易燃。它用于医疗领域,用环境空气稀释,以进行肺活量测试,以检查肺部的充盈能力。液氦在磁共振成像中的使用越来越多,因为该技术的医学应用在最近一段时间内正在普及。

声学现象

由于声速与分子质量的平方根成反比,因此氦气中的速度大约是空气中的三倍。由气体填充的空腔产生的声音的音高(或基频)与该气体中的声速成正比。吸入氦气会提高喉部的共振频率,使声音变得尖锐刺耳。相反,吸入更高分子量的气体(如氙气或六氟化硫)会产生相反的效果。

预防措施

相反,与其他气体一样,充满氦气的环境缺氧,无论气体的毒性如何,这种情况即使在这种情况下不存在,也会导致窒息。由于将气体加热到室温会产生高压,因此装有 5-10 K 气态氦的容器应像装有液态氦一样存放。液氦的蒸发潜热非常小,因此几乎不可能用它燃烧,也不容易与它接触:但是加热到液氦温度并迅速抽出的物体可能会导致灼伤.

笔记

参考书目

Francesco Borgese,周期表的元素。发现、属性、用途。化学、物理、地质手册,罗马,CISU,1993,ISBN 88-7975-077-1。R. Barbucci、A. Sabatini 和 P. Dapporto,元素周期表和属性,佛罗伦萨,Edizioni V. Morelli,1998 年(从 2010 年 10 月 22 日的原始网址存档)。

其他项目

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外部链接

elio,在 Treccani.it - 在线百科全书,意大利百科全书研究所。Elio,在 Sapienza.it 上,De Agostini。(EN) Elio, 在 Encyclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.