氦气发现150周年——小小氦气竟有大用途

2018-09-08  来自: 安阳市广安气体有限责任公司 浏览次数:150

     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。

关键词: 安阳广安气体           

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