冷酷如氦

原文作者：

克里斯汀·赫尔曼（Christine Herman），美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校化学系博士生。

多年来，氦以其特异的性能在科学发现中扮演着各种主要和次要的角色。赫尔曼在此向我们解释了氦是因何而如此酷炫的。

小时候，我曾经是星星眼望着 氦 的孩子们中的一员，因为它既能把五颜六色的气球送上天空，又能让我用尖细的嗓音说话。成为化学工作者以后，我了解到，科学家们还会因为成千上万的别的理由迷上这种无色无味的第2号元素。 氦 是一种冷酷的元素，一点儿都没错。

氦 有着所有元素中最低的熔点和沸点，而且在2 K以下， 氦 会转化为超流体，黏度消失，同时获得极高的导热能力。这些性质使得 氦 具有绝佳的制冷能力，使其成为冷却超导磁体的理想制冷剂。物理学家、外科医生和核工程师也同样都要利用 氦 的制冷能力依靠液 氦 来工作：进行原子对撞实验、核磁共振成像，以及将核反应堆降到足够低的温度。

氦 是由天文学家皮埃尔·让森（Jules Janssen）和诺曼·洛克耶（Norman Lockyer）在1868年发现的，两人都从太阳光谱中独立观察到了 氦 的特征黄光谱线。洛克耶（他也是《自然》的第一位编辑）用希腊语里的太阳“Helios”命名了这种元素。 氦 第一次被分离出来则要到1895年了——苏格兰化学家威廉·拉姆齐（William Ramsay）爵士在用矿物酸处理钇铀矿，并除去了所有氮气和氧气之后，终于发现了和30年前从太阳光谱中观测到的同一条谱线。就在同一年，瑞典化学家皮·特奥多尔·克利夫（Per Teodor Cleve）和尼尔斯·朗勒特（Nils Langlet）也各自独立地分离出了 氦 ，并确定了其相对原子质量。

虽然 氦 是全宇宙丰度第二的元素（仅次于氢），但因为它不会被地球的重力束缚，在大气层中的体积含量仅为0.0005%。相对地，在天王星的大气层中， 氦 气的体积分数和质量分数分别为15%和26%，这已经很接近我们所在的银河的组成了。作为放射性重元素的自然衰变副产物，α粒子（He ²⁺ ）会在天然气田中富集；采集获得的天然气中最多会含有体积含量为7%的 氦 ，供应商会用分馏法将其分离出来然后再销售。

除了辅助物理、医药和核能方面的应用以外， 氦 在工业、研究和日常生活中还有着各种各样的用处：弧焊工用它作为惰性保护气体，火箭科学家用它来为燃料增压，而深海潜水员用它和氧气混合来避免在长时间潜水中陷入氮醉。科学家们研究着 氦 在各种形态下的超流体中表现出的量子力学现象；而由于放射性衰变会产生 氦 原子核，古生物学家能凭借测量岩石中的 氦 与铀钍的比值来为其断代。 氦 氖激光被广泛应用在需要可见光波长上的相干光的场合。实际上，1978年第一张商业化的光盘存储介质，读取信息时使用的就是 氦 氖激光。最近，科学家们还展示了如何使用 氦 离子束来构造纳米级电子元件和光学元件以及对其成像 。

氦 是一种惰性气体，难以与其他元素进行化合，但这并不能阻挡化学家们探索的脚步。从20世纪60年代起，人们就在努力试图通过氚 的β衰变制取HeF ₂ ，但到现在尚未获得成功。然而合成化学家在这个方向上已经迈出了一步：他们制成的富勒烯（碳构成的笼状分子）能够以非共价方式将 氦 原子包裹在其中心 。 氦 还能与其他原子结合，形成准分子——这是一种寿命短暂的二聚或异二聚分子。在高压和电流刺激下，碘、钨或硫等元素能与 氦 构成准分子。这类物质经常用于产生激光，来处理半导体以及进行眼科手术。

在最近的新闻中， 氦 的反物质表亲——反 氦 ，站在了聚光灯下：这是人类所观测到的最大的反物质原子 。金离子构成的粒子束以接近光速的速度互相撞击，溅射出数万亿粒子，其中就有此前从未被观测到过的反 氦 粒子。有趣的是，刚好在此一个世纪之前的1911年 ，卢瑟福以α粒子束轰击金箔，发现了原子核的存在——恰恰是这次实验的反过程。

从提供惰性气氛和将系统冷却到极低的温度，到推进量子模型和医学上的应用， 氦 在科学发现上扮演的缤纷多彩的角色，使我想要高呼：无论比喻上还是现实中， 氦 都是最（冷）酷的元素。 Q//HAiieIhJIimRsBbmk9OjpVYcTNxJgWkuTz0C/LTr14PpB1U7zyiUs7VpZvSQB