氦氣發現150周年——小小氦氣竟有大用途

灌滿氦氣的氣球懶洋洋地升入空中。

北京時間9月8日消息，據國外媒體報道，氦氣是一種很有意思的物質。填進氣球里，便能讓氣球高高升空；吸進嘴巴里，就能變出唐老鴨那般搞笑的嗓音。不過吸氦氣可不是什麼明智之舉，因為它可以取代我們肺中的氧氣、或引發其它呼吸道問題。

除了這兩點作用之外，氦氣還有什麼用處？它有沒有可能用完呢？氦氣是一種氣體，與人類幾乎毫無共同之處，但彼此都離不開對方。現代經濟需要依賴氦氣，氦氣也需要我們尋找更好的保護手段、防止被我們徹底用完。

氦氣是一種惰性氣體，由法國天文學家朱爾斯·讓森（Jules Janssen）在1868年8月18日的全日食期間發現。當時人們尚未在地球上發現過這種元素，因此讓森用太陽（helios）為其命名，稱其為氦（helium）。自此之後，科學家圍繞氦取得了許多重要進步，如醫學和天體物理學等領域使用的現代分析工具、我們日常使用的手機等等，這些物品的生產過程都離不開氦氣。氦氣的獨特物理特性還幫助全世界的科學家做出了許多重大發現，對國際社會助益良多。

地球上的氦供應是有限的

你可能還記得，幾年前曾經出現過關於全球氦供應量有限的報道。類似的消息也在這幾年間的周期性報告中屢屢出現。那麼，這一危機值得引起人們的重視嗎？

氦早在宇宙形成之初、宇宙大爆炸須臾之後便已經誕生，至今已有數十億年的歷史。它是宇宙中第二輕、也是第二常見的元素，僅次於氫氣。但地球上的氦並不多，含量僅為百萬分之幾。問題在於，氦原子核太輕，不足以被地球引力所牽制。一旦氦氣進入大氣，就會逃逸到宇宙中，在太陽風的「吹拂」下隨風而去。

雖然地球上的氦一直在減少，但直到不久之前，氦儲量都非常充足。大多數氦都是在宇宙大爆炸時形成的。鈾和釷等放射性元素可衰變成更小的碎片或粒子，其中也包括α粒子。這些粒子便是失去電子後的高能氦原子。在這種衰變過程中，放射性元素分裂成若干碎片，同時釋放出能量，因此名為裂變。

放射性元素的衰變可以彌補通過大氣損失的氦。裂變生成的氦主要儲存於多種礦石中，在天然形成的大型蓄氣池中大量聚積，如位於美國德克薩斯州的國家氦氣池。但這種天然過程需經歷成千上萬年，產出的氦氣量才能達到商業提取價值。

我們為何需要氦氣

氦原子核質量只有4，僅由兩個質子和兩個中子構成，是一種非常穩定的元素。氦最重要的特性包括：極難發生化學反應、不具有放射性、不可燃燒、無毒，最關鍵的一點是，它的沸點低至4.2開爾文，即零下268攝氏度，十分接近宇宙中的溫度下限——絕對零度。其它元素在該溫度下都不可能保持液體狀態。氦氣是目前唯一一種具有這些特性、且能夠為我們所用的的物質。

裝滿惰性氣體的玻璃管受到高強度電流激發，會發出不同顏色和強度的光線。圖中從左至右分別為氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣。

氦的價格相對來說並不貴。很多工業應用根本找不到更合適的替代品。對航天、國防科技、高科技製造業、火箭引擎測試、焊接、商業潛水、粒子加速器磁鐵、光纖、半導體晶元而言，氦氣的作用都不可或缺。

然而，氦氣最重要的用途還當屬醫學成像，尤其是磁共振成像技術（MRI），以及利用高強度磁場的核磁共振技術（NMR）。若不是因為氦氣沸點極低，這些技術都不可能誕生。

超導體材料是磁共振和核磁共振設備的關鍵，而這些材料在4.2開爾文的溫度下才能保持穩定。電子從材料中流過、產生電流時，大多數材料都會產生電阻，這對磁裝置而言是一大問題。我們使用的每一樣電子設備、以及運輸電力的所有基礎設施都會因為電阻損失能量。由於電阻的存在，很難用高強度電流產生高強磁場。然而超導體卻不會阻礙電子的流動，因此能產生極強的磁場，可以進行高解析度醫學成像。但超導體材料要想發揮正常功能，就必須被放置在超低溫環境中。這也正是液氦不可或缺的原因。

氦與超導體

把一圈導線纏繞在特製的超導材料上，再將其放置在液氦中，冷卻至4.2開爾文、甚至更低，便可達到超導體所需的特殊溫度條件，再向線圈中通入高強度電流。目前最大的穩定磁場位於美國佛羅里達大學國家高強磁場實驗室，由一塊超導磁鐵產生，磁場強度足足高達地球磁場的150萬倍。

科學家們會利用核磁共振技術分析實驗室中發現的新材料的物理特性。有些材料後來被研發成了藥品，如能夠解決全球健康問題的新型抗生素；有些則被研發成了能夠回收利用的綠色建築材料。能源領域也取得了不少進步，研發出了更小、更便攜、能量更高的電池，或可減少我們對碳燃料的依賴。但核磁共振技術目前仍需要大量液氦，這點在短時間內暫時無法改變。

磁共振掃描是一種至關重要的醫學成像工具。該設備可以產生極強的磁場，但必須用液氦將其中的超導體元件保持在超低溫狀態下。

幸運的是，我們已經知道了如何更好地保護剩下的氦儲備，並且在不斷發現新的氦氣池。我們明白了如何在氦逃逸到太空中之前予以回收利用，也開始研究能夠在更高溫度下運行的超導體。這些工作都費時費力、成本高昂，而且回收氦還需要大量化石能源提供的能量。

與此同時，我們還要尋找更多的氦氣來源，並找到更好的回收途徑。我們可以從少買幾個氦氣球這樣的小事做起。下次放飛氦氣球之前，不妨三思而後行。（葉子）

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