地球上最“冷”的元素

李啟翔

誰是地球上最“冷”的元素？其實在前面的“科學聚焦”欄目中就已經藏著答案，那就是能用來讓汞超導化的元素——氦。

溫度最低才算“冷”

在標準大氣壓（你可以理解為我們正常生活的大氣壓）下，我們需要將溫度降低到-268.785℃才能將氦氣液化。這個溫度已經非常接近理論上的最低溫度“絕對零度”-273.15℃了。氦也因此喜提“最冷元素”的桂冠。

最不活潑也算“冷”

氦元素的性格十分“高冷”。它的結構非常穩定，既不會燃燒，也不會與其他的物質發生化學反應生成新的物質。氦氣還是在水中溶解度最小的氣體，幾乎不溶于水。可以說，氦是最不活潑的元素。科學家將氦氣這樣不輕易與別的元素“玩耍”的氣體稱為惰性氣體。

若即若離的“冷”

氦在宇宙中的含量非常豐富，達到了9%，僅次于氫的90%，剩下的1%才是所有其他元素。

然而在地球上，氦卻非常稀缺。因為氦是僅次于氫的第二輕的元素，地球的引力抓不住它們。如果說氫元素還能以水或者其他物質的形式存在于地球表面，那么懶惰的氦氣在這顆藍色星球形成之初，就逃到宇宙中去了。因此，氦氣也被稱為稀有氣體，是一種寶貴的資源。

冷冷的氦，用處多

氦氣液化溫度極低、性質不活潑、質量輕盈，被廣泛應用于科研、醫療、工業生產和民用等領域。

辨色識元素

在介紹氦的發現之前，我們先介紹一下元素光譜法。

曾經，科學家們發現新的化學元素，主要是從自然界的物質中分離提取，這就得碰運氣，不但過程緩慢，還很難找到一些稀有的元素。

后來，科學家發現，元素在高溫加熱后，會放射出特定波長的光。科學家基爾霍夫發現，每一種元素的光譜都是獨特的，而且只需要一點點樣品就可以得到。之后，他便將光譜法應用于新元素的發現，元素的發現就此進入了爆發式增長時期，極大程度推動了近代化學的發展。

從陽光中發現

1868年8月，在一次日全食的過程中，太陽被月亮遮得嚴嚴實實，只露出了周圍一圈日珥。法國天文學家皮埃爾·詹森利用光譜儀，從日珥的光譜中觀察到了一條新的亮黃色譜線。他意識到，這可能是一種新元素。

兩個月以后，英國天文學家約瑟夫·洛克耶在觀察太陽光譜時，也觀察到了這條黃線，他發現當時已知的元素中，沒有一種能產生這樣的譜線。于是他和一位英國化學家一起，將這種元素命名為Helium，意思是“太陽”。

1881年，意大利物理學家帕爾米耶里在分析維蘇威火山的巖漿時發現了氦的光譜線，這是人們第一次在地球上發現氦，說明氦元素在地球上同樣存在。而在之前很長一段時間里，氦元素被認為只存在于太陽上。

1895年，蘇格蘭化學家威廉·拉姆齊將硫酸加入瀝青鈾礦時，產生了一種不活潑的氣體，最終這種氣體被驗證為氦元素。這是人類首次在地球上分離出氦。在那以后，人們又陸續從其他礦石和天然氣中發現了氦。

宇宙中的氦

在上期認識氫元素的時候，我們了解到，恒星的燃燒是氫元素在發生核聚變反應，而燃燒的氫聚合在一起生成的新原子核——這正是氦原子核。可以說，氦元素是恒星燃燒的產物。氦作為一種“高冷”的元素，一般不會繼續燃燒，但在特定的條件下，宇宙中的氦也會爆發出驚人的能量。

氫合成氦的過程，貫穿了一顆恒星生命周期的大部分時間。當恒星中的氫元素快要燃燒殆盡時，恒星就進入了生命的后期，它會迅速膨脹為紅巨星。當恒星內部的溫度上升到一億開爾文后，就打開了氦元素聚變反應的開關。在幾秒鐘到幾分鐘的極短時間里，大量的氦燃燒起來，產生爆炸式的劇烈反應，使得恒星釋放出一百萬倍的能量，這就是電影《流浪地球2》中引發地球危機的“氦閃”

地球上的氦

既然地球的引力留不住氦氣，那么人類各行各業使用的氦氣又是從哪里來的呢？

由于不溶于水，又無法與別的化合物相結合，地球上的氦氣幾乎都是由地殼中的放射性元素衰變產生的，非常稀少，且不可再生。

這些氦氣儲藏在被地殼包圍的地下封閉空間中，經常與天然氣等混合在一起，人們在開采天然氣后，再將氦氣分離出來。

由于氦氣暴露到空氣中就會離開地球，地下的氦氣又不可再生，因此地球上的氦氣終究會有耗盡的一天，氦氣成了越來越重要的資源。許多氦氣用量大的機構都開始使用回收系統循環利用。

太陽上氦元素的豐度達到27%，是太陽系中氦元素最多的地方，但人類很難利用。木星、土星、天王星、海王星這些氣體巨行星上也有大量的氦，或許有一天，人類可以想辦法從它們那里獲得氦氣。