太陽元素

太陽元素是地球上最輕的元素之一，僅次於氫。為太陽核聚變反應的產物。氦的英文單詞“Helium”來源於希臘文單詞，意思是“太陽”，氦也被稱為“太陽元素”。元素符號He，原子序數2，原子量4.002602，為稀有氣體的一種。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，這就是氦。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立方厘米/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。

1868年8月18日，法國天文學家彼埃爾·讓桑（Pierre Janssen）在印度南部觀測日全食時，意外發現太陽光譜裡面有一條陌生的明亮黃線。那次日全食的觀測條件比09年中國的那次略好一點，烏雲是等日全食結束之後才布滿天空的。第二天陰雲散盡，讓桑試著再次觀察太陽光譜，驚喜地發現那條陌生的黃線還在原來的位置上。

一個月之後，讓桑把自己的觀察寫成報告投寄出去。可惜當時沒有飛機，這報告用了兩個月時間才到達法國，那時候英國天文學家約瑟夫·洛基爾（Joseph Lockyer）——後來成為著名科學雜誌《自然》的創辦人和第一位主編——也獨立地發現了這條黃線，還猜測它是一種太陽獨有的新元素髮出的。洛基爾把這種元素命名為“氦”，這個中文名聽上去貌似挺“駭”人，但它其實是英語helium（來自希臘語“太陽”）一詞首音節的音譯。

如果說“太陽元素”的發現讓科學界驚到九分，那麼當1895年英國化學家威廉·拉姆塞（William Ramsay）從一種含鈾礦物中分離到氦的時候，“太陽元素竟然在地球上存在”的消息就讓科學界驚到十分了。人們這才知道，原來氦是一種惰性氣體，幾乎不能和其他任何元素化合，而且極難液化。在常壓下把溫度降到-253°C，多數氣體都會凝結，氦氣卻依然如故。只有在-269°C的低溫之下，氦氣才能被液化。

氦氣最主要的來源不是空氣，而是天然氣。原來氦氣在乾燥空氣中含量極微，平均只有百萬分之五，天然氣中最高則可含7.5%的氦，是空氣的一萬五千倍。可是這種高氦的天然氣礦藏並不多，因為天然氣中的氦氣是鈾之類的放射性元素衰變的產物。只有在天然氣礦附近有鈾礦時，氦氣才能在天然氣中彙集。

截止到2009年，美國生產的氦氣要佔世界總產量的80%以上。中國雖然也有一定的天然氣資源，可是到目前為止，唯有四川自貢威遠的氣田曾得到提氦利用，其中的氦含量只有0.2%，而且已經枯竭。

截止到2009年，中國的氦氣幾乎都需要進口，由於近兩年價格攀升，一般商用的液氦竟然賣到了每升200元。這也就是說，假如你呼出的氣都是氦氣，那麼在安靜狀態下你呼出的每一口氣都值100元！

如果地球上沒有氦，我們的生活並不會受到太大的影響。氦氣的密度要比空氣小得多，所以如果往氣球和飛艇里充入氦氣，氣球和飛艇會冉冉升起，讓我們不用坐飛機也能實現飛到空中的夢想。可是如果我們沒有氦氣球和氦氣飛艇，起碼還有氫氣、熱氣球和飛艇。當然，因為氫氣和空氣混合後會爆炸，所以氫氣球和氫氣飛艇並不安全。氫氣飛艇曾經被當做大型載人飛行器使用，但是在1937年德國的“興登堡號”飛艇在美國著陸時不慎著火爆炸之後，它就徹底退出了歷史舞台。不過，熱氣球和熱氣飛艇還是比較安全的，而且飛行一次的花費也比較便宜。

潛水員常常要使用氦氣和氧氣混合而成的人造空氣。這是因為在水下的高壓環境下，氮氣會溶解在血液中，當潛水員上浮的時候壓力減小，血中的氮氣便紛紛逸出，形成氣泡堵塞血管，使潛水員患上極為難受的“減壓症”。氦氣在高壓下也難溶於水，所以用它來代替氮氣就可以解決這個問題。不過如果我們沒有氦氣，我們還可以用氖氣—它在高壓下也難溶於水。

氦氣在電焊、硅晶片生產中還可以用做保護氣，它可以隔絕氧氣，避免電焊工件、單質硅和氧氣發生討厭的化學反應。據美國政府有關部門統計，2000年美國消耗的所有氦氣中，有18%用在了焊接上，還有16%用作其他工業的保護氣。不過如果沒有氦氣，氬氣一樣可以出色地完成服務，而且還便宜得多。

缺乏氦氣最嚴重的後果，應該是嚴重阻礙低溫技術的應用，其中受到最大影響的就是低溫超導技術。已知所有的超導材料都要在-130°C以下的低溫中才能表現出超導特性，其中應用最廣泛的那幾種（比如Nb3Sn）更是需要比液氫的沸點還低的轉變溫度，這時候只有液氦能比較簡便地實現這樣的極低溫。雖然我們完全可以用別的辦法實現同樣的低溫，但都不如液氦實惠。顯然，假如我們沒有氦，低溫超導技術的普及就會受到嚴重的阻礙；低溫超導技術如果不能普及，醫院就會用不起核磁共振成像儀（它需要超導材料製造強磁場）。不過在醫學上，核磁共振成像儀只不過是診斷病症的一種工具罷了。即使沒有這個工具，我們總不至於永遠診斷不了疾病。