氦原子核

氦（Helium），原子序數2，原子量4.002602，為稀有氣體的一種。元素名來源於希臘文，原意是“太陽”。1868年有人利用分光鏡觀察太陽表面，發現一條新的黃色譜線，並認為是屬於太陽上的某個未知元素，故名氦。後有人用無機酸處理瀝青鈾礦時得到一種不活潑氣體，1895年英國科學家拉姆賽用光譜證明就是氦。以後又陸續從其他礦石、空氣和天然氣中發現了氦。氦在地殼中的含量極少，在整個宇宙中按質量計佔23%，僅次於氫。氦在空氣中的含量為0.0005%。氦有兩種天然同位素：氦3、氦4，自然界中存在的氦基本上是氦4。

氦在通常情況下為無色、無味的氣體；熔點-272.2°C(25個大氣壓)，沸點-268.9°C；密度0.1785克/升，臨界溫度-267.8°C，臨界壓力2.26大氣壓；水中溶解度8.61厘米³/千克水。氦是唯一不能在標準大氣壓下固化的物質。液態氦在溫度下降至2.18K時，性質發生突變，成為一種超流體，能沿容器壁向上流動，熱傳導性為銅的800倍，並變成超導體；其比熱容、表面張力、壓縮性都是反常的。

氦是最不活潑的元素，基本上不形成什麼化合物。氦的應用主要是作為保護氣體、氣冷式核反應堆的工作流體和超低溫冷凍劑

元素名稱：氦

氦原子核

原子序數:2

元素原子量：4.0026

外圍電子排布:1s2

核外電子排布:2

常見化合價:0

元素類型：非金屬

發現人：楊森 發現年代：1868年

發現過程：

1868年，法國的楊森，最初從日冕光譜內發現太陽中有新元素，即氦。

是惰性元素之一。其單質氦氣，分子式為 He，是一種稀有氣體，無色、無臭、無味。它在水中的溶解度是已知氣體中最小的，也是除氫氣以外密度最小的氣體。密度0.17847克/升，熔點-272.2℃（26個大氣壓）。沸點-268.9℃。它是最難液化的一種氣體，其臨界溫度為-267.9℃。臨界壓力為2.25大氣壓。當液化后溫度降到-270.98℃以下時，具有表面張力很小，導熱性很強，粘性很強的特性。液體氦可以用來得到接近絕對零度（-273.15℃）的低溫。化學性質十分不活潑，既不能燃燒，也不能助燃。

氦是放射性元素分裂的產物，α質點就是氦的原子核。在工業中可由還氦達7%的天然氣中提取。也可由液態空氣中用分餾法從氦氖混合氣體中製得。

用它填充電子管、氣球、溫度計和潛水服等。也用於原子核反應堆和加速器、冶鍊、和焊接時的保護氣體。

1868年8月18日，法國天文學家詹森赴印度觀察日全食，利用分光鏡觀察日珥，從黑色月盤背面如出的紅色火焰，看見有彩色的彩條，是太陽噴射出來的幟熱其他的光譜。他發現一條黃色譜線，接近鈉光譜總的D1和D2線。日蝕后，他同樣在太陽光譜中觀察到這條黃線，稱為D3線。1868年10月20日，英國天文學家洛克耶也發現了這樣的一條黃線。

經過進一步研究，認識到是一條不屬於任何已知元素的新線，是因一種新的元素產生的，把這個新元素命名為 helium，來自希臘文helios（太陽），元素符號定為He。這是第一個在地球以外，在宇宙中發現的元素。為了紀念這件事，當時鑄造一塊金質紀念牌，一面雕刻著駕著四匹馬戰車的傳說中的太陽神阿波羅（Apollo）像，另一面雕刻著詹森和洛克耶的頭像，下面寫著：1868年8月18日太陽突出物分析。

過了20多年後，萊姆塞在研究釔鈾礦時發現了一種神秘的氣體。由於他研究了這種氣體的光譜，發現可能是詹森和洛克耶發現的那條黃線D3線。但由於他沒有儀器測定譜線在光譜中的位置，他只有求助於當時最優秀的光譜學家之一的倫敦物理學家克魯克斯。克魯克斯證明了，這種氣體就是氦。這樣氦在地球上也被發現了。

在上世紀初的幾十年裡，世界各國都在尋找氦氣資源，在當時主要是為了充飛艇。但是到了今天，氦不僅用在飛行上，尖端科學研究，現代化工業技術，都離不開氦，而且用的常常是液態的氦，而不是氣態的氦。液態氦把人們引到一個新的領域——低溫世界。

前面已經講過拉姆賽在空氣中找氦氣的故事。在液態空氣的溫度下，氦和氖仍然是氣體；在液態氫的溫度下，氖變成了固體，可是氦仍然是氣體。

要冷到什麼程度，氦才會變成液體呢？

前面已說過，英國物理學家杜瓦在1898年首先得到了液態氫。就在同一年，荷蘭的物理學家卡美林·奧涅斯也得到了液態氫。液態氫的沸點是零下253攝氏度，在這樣低的溫度下，其他各種氣體不僅變成液體，而且都變成了固體。只有氦是最後一個不肯變成液體的氣體。卡美林·奧涅斯決心把氦氣也變成液體。

1908年7月，卡美林·奧涅斯成功了，氦氣變成了液體。他第一次得到了320立方厘米的液態氦。

要得到液態氫，必須先把氫氣壓縮並且冷卻到液態空氣的溫度，然後讓它膨脹，使溫度進一步下降，氫氣就變成了液體。

要得到液態氦，必須先把氦氣壓縮並且冷卻到液態氫的溫度，然後讓它膨脹，使溫度進一步下降，氦氣才能變成液體。

液態氦是透明的容易流動的液體，就像打開了瓶塞的汽水一樣，不斷飛濺著小氣泡。

液態氦是一種與眾不同的液體，它在零下269攝氏度就沸騰了。在這樣低的溫度下，氫也變成了固體，千萬不要使液態氦和空氣接觸，因為空氣會立刻在液態氦的表面上凍結成一層堅硬的蓋子。

多少年來，全世界只有荷蘭卡美林·奧涅斯的實驗室能製造液態氦。直到1934年，在英國盧瑟福那裡學習的前蘇聯科學家卡比查發明了新型的液氦機，每小時可以製造4升液態氦。以後，液態氦才在各國的實驗室中得到廣泛的研究和應用。

在今天，液態氦在現代技術上得到了重要的應用。例如要接收宇宙飛船發來的傳真照片或接收衛星轉播的電視信號，就必須用液態氦。接收天線末端的參量放大器要保持在液氦的低溫下，否則就不能收到圖像。

然而，液態氦的奇妙之處還不在於低溫。

卡美林·奧涅斯是第一個得到液氦的科學家。他並不滿足，還想使溫度進一步降低，以得到固態氦。他沒有成功（固態氦是1926年基索姆用降低溫度和增大壓力的方法首先得到的），卻得到了一個沒有預料到的結果。

對於一般液體來說，隨著溫度降低，密度會逐漸增加。卡美林·奧涅斯使液態氦的溫度下降，果然，液氦的密度增大了。但是，當溫度下降到零下271攝氏度的時候，怪事出現了，液態氦突然停止起泡，變成像水晶一樣的透明，一動也不動，好像一潭死水，而密度突然又減小了。

這是另一種液態氦。卡美林·奧涅斯把前一種冒泡的液態氦叫做氦Ⅰ，而把后一種靜止的液態氦做氦Ⅱ。

把一個小玻璃杯按在氦Ⅱ中。玻璃杯本是空的，但是過了一會，杯底出現了液態氦，慢慢地漲到跟杯子外面的液態氦一樣平為止。

把這個盛著液態氦的小玻璃杯提出來，掛在半空。看，玻璃杯底下出現了液氦，一滴，兩滴，三滴……不一會，杯中的液態氦就“漏”光了。是玻璃杯漏了嗎？不，玻璃杯一點也不漏。這是怎麼回事呢？

原來氦Ⅱ是能夠倒流的，它會沿著玻璃杯的壁爬進去又爬出來。這是在我們日常生活中沒有碰到過的現象，只有在低溫世界才會發生。這種現象叫做“超流動性”，具有“超流動性”的氦Ⅱ叫做超流體。

後來，許多科學家研究了這種怪現象，又有了許多新的發現。其中最有趣的是1938年阿蘭等人發現的氦刀噴泉。

在一根玻璃管里，裝著很細的金剛砂，上端接出來一根細的噴嘴。將這玻璃管浸到氦Ⅱ中，用光照玻璃管粗的下部，細噴嘴就會噴出氦Ⅱ的噴泉，光越強噴得越高，可以高達數厘米。

氦Ⅱ噴泉也是超流體的特殊性質。在這個實驗中，光能直接變成了機械能。

大家還記得拉姆賽把各種物質放到液態空氣中的各種奇妙的實驗吧！各種物質放在液態氦里，情況就更奇妙了。

看！在液氦的溫度下，一個鉛環，環上有一個鉛球。鉛球好像失去了重量，會飄浮在環上，與環保持一定距離。

再看！在液氦的溫度下，一個金屬盤子，把細鏈子系著磁鐵，慢慢放到盤子里去。當磁鐵快要碰到盤子的時候，鏈子鬆了，磁鐵浮在盤子上，怎樣也不肯落下去。

真像是到了魔術世界！這一切，只能在液態氦的溫度下發生。溫度一升高，魔術就不靈了，鉛球落在鉛環上，磁鐵也落在金屬盤子里了。

這是低溫下的超導現象。

原來，有些金屬，在液態氦的溫度下，電阻會消失；在金屬環和金屬盤中，電流會不停地流動而產生磁場。這時候，磁場的斥力托住了鉛球和磁鐵，使它們浮在半空中。

在低溫下，出現了許多奇妙的物理現象。許多重要的物理實驗，都要在低溫下進行。

目前，世界各國的物理學家還在研究液態氦，希望通過液態氦達到更低的溫度，研究各種物質在低溫下會發生什麼奇妙的變化，會有什麼我們目前還不知道的性質。這就產生了物理學的一個新的分支——低溫物理學。

氦，這個奇妙的物質，一直在引起科學家們的注意。科學家們繼續研究氦，通過科學實驗，不斷地為氦寫下一頁又一頁新的歷史。

物理學家不僅僅得到了液態氦，還得到了固態氦，他們正在向絕對零度進軍（物理學把零下273.16攝氏度叫做絕對零度。這個溫度標叫做絕對溫標，用K表示。OK就是-273.16℃，而273.16K就是0℃）。從理論上講，絕對零度是達不到的，但是可以不斷接近它。液態氫的沸點是絕對溫標20.2度，液態氦的沸點是絕對溫標4.2度。在絕對溫標2.19度的時候，氦Ⅰ變為氦Ⅱ。1935年，利用“絕熱去磁”法，使液態氦冷到絕對溫標0.0034度；1957年，達到絕對溫標0.00002度；目前已達到跟絕對零度只相差0.000001度了。

天文學家也繼續研究著太陽元素。太陽上的氫“燃燒”變成了氦，以後的命運又如何呢？他們發現宇宙間有一些比太陽更熾熱的恆星，中心溫度達到幾億度。在這些恆星的核心，氫原子核已經都變成了氦原子核，氦原子核又相互碰撞，正在生成著碳原子核和氧原子核，同時放出大量的能。這類恆星橡心臟一樣，一會兒膨脹，一會兒收縮，很有規律。為什麼會這樣？這也是因為氦在起作用。

天文學家還研究了銀河系內氫的含量和氦的含量的比值。根據這個比值，有人估算了銀河系的年齡有一二百億年。

氦的歷史並沒有完，人類認識氦的歷史也沒有完，而我們這本講氦的故事的小冊子，卻不得不結束了。

要問在發現氦和研究氦的歷史上誰的功勞最大呢？是天文學家詹森和羅克耶嗎？是化學家拉姆賽和物理學家克魯克斯嗎？是發明分光鏡的本生與基爾霍夫嗎？當然還要考慮把空氣、氫氣以及氦氣液化的漢普松、卡美林·奧涅斯等人的功勞。

很難說。在人類認識氦的歷史上，他們都有著自己的貢獻。氦僅僅是一種元素，但是發現它和認識它，是許多門科學——物理學、天文學、化學、地質學等的共同勝利，決不是某一個人的力量能夠完成的。

科學是沒有平坦的道路可走的，只有不畏艱險不怕困難的人才能攀登科學的高峰。通過氦的發現的歷史，我們看到許多科學家們正是這樣勇於實踐的人。他們有嚴謹的科學態度，對於實驗中的一點細微現象——一個小氣泡，第三位小數的細微差異，也不放過。他們不但愛問為什麼，而且千方百計地去尋找答案。他們埋頭苦幹，幾個月、一年、幾年堅持不懈，終於由紛亂的謎團中找出頭緒，得到了解答。他們永遠不滿足已有的成績，而是深人一步、再深入一步地鑽研。人們對氦的認識就是這樣逐步深人的。到現在為止，誰也不敢這樣說：“氦，我們已經完全認識清楚了。”

2017年10月27日，世界衛生組織國際癌症研究機構公布的致癌物清單初步整理參考，α粒子放射在一類致癌物清單中。α粒子釋放出的放射性同位素在人體外部不構成危險，但是釋放α粒子的物質（鐳、鈾等等）一旦被吸入或注入，那將會十分危險，能直接破壞內髒的細胞。