地球上最“冷”的元素

李启翔

谁是地球上最“冷”的元素？其实在前面的“科学聚焦”栏目中就已经藏着答案，那就是能用来让汞超导化的元素——氦。

温度最低才算“冷”

在標准大气压（你可以理解为我们正常生活的大气压）下，我们需要将温度降低到-268.785℃才能将氦气液化。这个温度已经非常接近理论上的最低温度“绝对零度”-273.15℃了。氦也因此喜提“最冷元素”的桂冠。

最不活泼也算“冷”

氦元素的性格十分“高冷”。它的结构非常稳定，既不会燃烧，也不会与其他的物质发生化学反应生成新的物质。氦气还是在水中溶解度最小的气体，几乎不溶于水。可以说，氦是最不活泼的元素。科学家将氦气这样不轻易与别的元素“玩耍”的气体称为惰性气体。

若即若离的“冷”

氦在宇宙中的含量非常丰富，达到了9%，仅次于氢的90%，剩下的1%才是所有其他元素。

然而在地球上，氦却非常稀缺。因为氦是仅次于氢的第二轻的元素，地球的引力抓不住它们。如果说氢元素还能以水或者其他物质的形式存在于地球表面，那么懒惰的氦气在这颗蓝色星球形成之初，就逃到宇宙中去了。因此，氦气也被称为稀有气体，是一种宝贵的资源。

冷冷的氦，用处多

氦气液化温度极低、性质不活泼、质量轻盈，被广泛应用于科研、医疗、工业生产和民用等领域。

辨色识元素

在介绍氦的发现之前，我们先介绍一下元素光谱法。

曾经，科学家们发现新的化学元素，主要是从自然界的物质中分离提取，这就得碰运气，不但过程缓慢，还很难找到一些稀有的元素。

后来，科学家发现，元素在高温加热后，会放射出特定波长的光。科学家基尔霍夫发现，每一种元素的光谱都是独特的，而且只需要一点点样品就可以得到。之后，他便将光谱法应用于新元素的发现，元素的发现就此进入了爆发式增长时期，极大程度推动了近代化学的发展。

从阳光中发现

1868年8月，在一次日全食的过程中，太阳被月亮遮得严严实实，只露出了周围一圈日珥。法国天文学家皮埃尔·詹森利用光谱仪，从日珥的光谱中观察到了一条新的亮黄色谱线。他意识到，这可能是一种新元素。

两个月以后，英国天文学家约瑟夫·洛克耶在观察太阳光谱时，也观察到了这条黄线，他发现当时已知的元素中，没有一种能产生这样的谱线。于是他和一位英国化学家一起，将这种元素命名为Helium，意思是“太阳”。

1881年，意大利物理学家帕尔米耶里在分析维苏威火山的岩浆时发现了氦的光谱线，这是人们第一次在地球上发现氦，说明氦元素在地球上同样存在。而在之前很长一段时间里，氦元素被认为只存在于太阳上。

1895年，苏格兰化学家威廉·拉姆齐将硫酸加入沥青铀矿时，产生了一种不活泼的气体，最终这种气体被验证为氦元素。这是人类首次在地球上分离出氦。在那以后，人们又陆续从其他矿石和天然气中发现了氦。

宇宙中的氦

在上期认识氢元素的时候，我们了解到，恒星的燃烧是氢元素在发生核聚变反应，而燃烧的氢聚合在一起生成的新原子核——这正是氦原子核。可以说，氦元素是恒星燃烧的产物。氦作为一种“高冷”的元素，一般不会继续燃烧，但在特定的条件下，宇宙中的氦也会爆发出惊人的能量。

氢合成氦的过程，贯穿了一颗恒星生命周期的大部分时间。当恒星中的氢元素快要燃烧殆尽时，恒星就进入了生命的后期，它会迅速膨胀为红巨星。当恒星内部的温度上升到一亿开尔文后，就打开了氦元素聚变反应的开关。在几秒钟到几分钟的极短时间里，大量的氦燃烧起来，产生爆炸式的剧烈反应，使得恒星释放出一百万倍的能量，这就是电影《流浪地球2》中引发地球危机的“氦闪”

地球上的氦

既然地球的引力留不住氦气，那么人类各行各业使用的氦气又是从哪里来的呢？

由于不溶于水，又无法与别的化合物相结合，地球上的氦气几乎都是由地壳中的放射性元素衰变产生的，非常稀少，且不可再生。

这些氦气储藏在被地壳包围的地下封闭空间中，经常与天然气等混合在一起，人们在开采天然气后，再将氦气分离出来。

由于氦气暴露到空气中就会离开地球，地下的氦气又不可再生，因此地球上的氦气终究会有耗尽的一天，氦气成了越来越重要的资源。许多氦气用量大的机构都开始使用回收系统循环利用。

太阳上氦元素的丰度达到27%，是太阳系中氦元素最多的地方，但人类很难利用。木星、土星、天王星、海王星这些气体巨行星上也有大量的氦，或许有一天，人类可以想办法从它们那里获得氦气。