氦是周期表中唯一一個首先在地球之外被觀測到的元素，人們在觀測太陽光譜時察覺到了這種元素的蹤跡。然而，雖然浩瀚的宇宙中蘊含著豐富的氦資源，地球上的氦卻少得可憐……

　　撰文李研

　　編輯金莊維　　

　　1903 年，位于堪薩斯州的德克斯特（Dexter）小鎮探查到了儲量豐富的地下氣體資源。當地人為此沉浸在欣喜中，大家普遍認為這應是可以用作能源的天然氣，而能源意味著財富和就業機會。人們興奮地相聚在一起，圍觀氣井的點火試氣。通常，天然氣中主要成分為甲烷，十分易燃。然而讓眾人大失所望的是，這里采出的地下氣體竟然無法被點燃。

　　氣體樣品隨后被送去堪薩斯大學檢測，科學家發現這里的“天然氣”含有一種未知的惰性成分。正所謂“塞翁失馬，焉知非福”，當時的人們難以料想，此處蘊藏的 “拒絕燃燒”的未知氣體，日后被證實是一種比天然氣更加珍貴的戰略資源。

　　這種未知氣體便是稀有元素氦（Helium），它的原子序數為 2 ，我們可以很容易在元素周期表的右上角找到它。

圖片由“最美麗的化學元素周期表”網站策劃者吳爾平提供

　　太陽上的元素

　　看過“流浪地球”的讀者，可能還記得“氦閃”。它講的就是當太陽核心的氫快消耗完時，所剩的氦核心將發生失控的核聚變反應，迅速轉化為碳的過程。

“流浪地球”中所描述的“氦閃”（圖源：cdstm.cn）

　　氦是周期表中唯一一個首先在地球之外被觀測到的元素。人們在觀測太陽光譜時察覺到了這種元素的蹤跡。

　　1868 年，法國天文學家皮埃爾·讓森（Jules Janssen）在印度觀測日食時，首先注意到一條波長為 587.49 nm 的未知譜線。因為氦 587.49 nm 的譜線與鈉黃光的 589nm 非常接近，人們還誤以為氦是與鈉性質相近的一種金屬。

氦在可見光區域的發射光譜（圖源：wikipedia.org）

　　英國科學家諾曼·洛克耶（Norman Lockyer），同年也在太陽光譜中發現了這條黃線。憑借敏銳的洞察力，他推測這條譜線應來自太陽上的一種新的元素，并取名為“helium” (源自希臘語太陽“helios”)，簡稱“He”。

　　浩瀚的宇宙中蘊含著豐富的氦資源，氦可以占到宇宙中總元素質量的四分之一。然而，地球上的氦卻少得可憐，氦氣（He）的體積分數只占地球大氣的約 0.0005%。直到 1869 年門捷列夫創建最初的元素周期表時，氦元素的位置還是空缺的。

　　在地球上成功分離出氦元素，還要等到 1895 年。當時，蘇格蘭化學家威廉·拉姆齊（William Ramsay）在用硫酸處理瀝青鈾礦時，發現了生成氣體中有一條譜線和太陽光譜中的黃色譜線相吻合。于是，他把這份氣體樣品交給同在英國的洛克耶分析。洛克耶最終確認這就是他先前在太陽光譜中發現的元素 He。

　　從“副產品”到“戰略資源”

　　接下來的故事，就回到文章開頭提到的 1905 年在美國小鎮的意外發現了。美國一些原本認為是天然氣的氣田中，發現了儲量可觀的氦氣資源。這些氦氣資源主要由含有放射性元素的礦石（例如釷和鈾）的天然衰變產生，在地下密閉的空間里氦氣無處逃逸，于是可以被富集到高達7% 的濃度，具備開采價值。

　　正當科學家思考這種天然氣氣田的副產品有什么特別用途時，第一次世界大戰的爆發很快為氦氣找到了的用武之地——利用其密度比空氣小的特性為氣艇提供浮力，用以偵查和轟炸敵方領地。更重要的是，相比另一種可以提供浮力的氣體氫氣，氦氣因不易燃燒，保障了飛艇的安全性。至此，美國政府開始將其視為一種獨特的戰略資源加以儲備，甚至在 1927 年頒布了氦氣控制法令，禁止氦氣出口。

　　美國的出口禁令，迫使德國人在氣艇中使用容易獲取卻易燃易爆的氫氣，這一選擇也最終釀成了 1937 年興登堡號飛艇爆炸的慘劇，并隨之結束了氫氣作為飛艇填充氣體的歷史。

德國興登堡號飛艇爆炸（圖源：wikipedia.org）

　　用途廣泛，無可替代

　　如今，氦氣的應用已經遠不止一種提供浮力的氣體。液氦因其沸點接近絕對零度（-268.9℃），成為核磁共振儀器中維持磁體超導狀態的必備，它在低溫控制領域已經成為占比最大的應用（～30%）。

　　其他一些應用還包括：深潛員攜帶的氣瓶中混有適當比例的氦氣以防止“減壓病”和“氧中毒”的發生（因其在血液中溶解度很低）；氦氣常作為示蹤氣體用于高精度的容器檢漏（因其擴散速度快和容易檢出的特點）；氦氣也可以提供惰性氣氛，這其中包括填充在毛主席水晶棺中的保護氣體（因其化學性質非常穩定）。

　　2017 年美國A級氦氣（純度 99.995%）的用途分析：核磁共振成像（MRI）—30%，提供浮力—17%，實驗室分析—14%，焊接—9%，工程及科學應用—6%，氣體檢漏—5%，半導體制造—5%，其他—14%。

　　上述提到的應用，還僅是關于地球上常見的氦同位素：氦-4（⁴He）。氦元素家族還有一種穩定的同位素，被稱為氦-3（³He）， 由兩個質子和一個中子組成。理論上，³He 發生核聚變反應時，只產生沒有放射性的質子，不會造成核輻射危害環境，堪稱完美的綠色能源。只可惜地球上³He 的儲量非常少，收集和利用的難度極高。

氦-4 和氦-3 的原子結構（圖源：wikipedia.org）

　　會從地球上“消失”的元素

　　伴隨著氦元素用途被越來越多地開發，氦氣資源也越發呈現供不應求的局面。在“你的手機中，有 6 種元素將在 100 年后消失……”的題目中出現了一個不恰當用詞——“元素消失”。不少讀者的評論指出，元素不會“消失”，只是礦產資源枯竭。然而氦元素卻是個例外。氦原子由于其化學惰性，通常只以單原子氦氣的形式存在；又因為相對分子質量很小，非常容易從地表逃脫引力束縛而流失到太空，所以氦元素成為一種正從地球上逐漸“消失”的不可再生資源。

　　因為氦氣在空氣中含量極微，所以人類不得不在地下尋找它。目前使用的氦氣主要來自油氣鉆探過程中產生的副產品。提取氦氣主要利用了氦氣難液化的特性，靠壓縮使其他氣體都凝成液體，剩下的就是比較純凈的氦氣了。這一過程需要消耗很多能量，成本高昂，所以氦氣含量如果太少就得不償失了。

　　另外，形成美國堪薩斯州那樣富含氦氣的氣田需要苛刻的地質條件。首先，氣田周圍要伴生鈾或釷的礦石，這些元素的衰變是氦氣的來源。更重要的是，氣田頂部必須有堅實不透氣的巖石，才可能讓氦氣留存不流失。符合這些地質條件的氣田在地球上并不多見。

　　雖然美國長期將氦氣視為戰略資源，早期甚至一度禁止氦氣的出口，但時至今日，美國仍是世界上氦氣的主要生產國和出口國。中國是貧氦國家，目前絕大部分氦氣依賴進口。

　　隨著飛機技術的成熟和快速發展，飛艇已經失去了作為交通工具的價值。80 年代后，美國國家氦氣儲備公司決定在市場上逐步出售那些為建造飛艇準備的氦氣，以償還當初建廠時花費的成本。這導致氦氣的價格一度沒有充分反映其稀缺程度。

　　人們曾經以一種非常不嚴肅的方式大量浪費氦氣資源——在派對和儀式中釋放很多氦氣填充的升空氣球。這些氣球一旦升空，就意味著里面的氦元素永遠離開了地球。

一些正在升空的心形氦氣填充氣球（圖源：pixabay.com）

　　已故諾貝爾物理學獎得主羅伯特·理查森（Robert Richardson）在 2010 年就曾對此提出警告，他認為一個派對上用的升空氣球就值 100 美元，而且氦氣一旦用盡，目前幾乎沒有替代品。

地球有 47 億年的歷史，它用了這么長的時間來累積我們的氦儲備。而我們能在大約 100 年內將其耗盡。一代人沒有權力決定以后數代人的可獲取量。羅伯特·理查森

　　過低的氦氣價格也打擊了生產商的積極性，很多石油公司不愿意在開采天然氣的同時添加收集氦氣的裝置。另外，伴隨著氦氣消耗量的日益增加，美國氦儲備逐漸消耗殆盡，我們就不難理解近來氦氣價格的逐年猛漲。

美國氦氣儲存量（虛線）和氦氣價格（實線）的對比圖（圖源：參考資料[3]）

　　放眼星空，展望未來

　　面對氦資源的緊缺，人們正在節流和開源兩方面做出努力。

　　雖然現在氦氣填充氣球依然有售賣，但在儀式上大規模釋放氦氣球的場景如今已經罕見。

　　在核磁共振設備中心，先前的一些耗費液氦量大的儀器正逐漸被淘汰，現在的核磁共振儀很多具有良好的密閉性，以防止液氦蒸發，從而大大減少了液氦的需求量。科學家也在研究臨界溫度更高的超導體，以期未來液氦不再是超導領域唯一可選擇的冷卻方式。

　　與此同時，人們也在尋找更多的氦氣來源。除了美國，近年來富含氦氣的氣田在阿爾及利亞、卡塔爾和俄羅斯等國也有少量發現。

　　在地球上，氦是一種不可再生稀缺資源，但如果我們放眼地球之外，便會發現每分鐘都有天文數字的氦在生成。其中，太陽就是一個巨大的氦工廠，夜以繼日地把氦噴射到太空中。

　　在太陽風經常“光顧”的月球表面，也有大量富含³He 的土質。我國探月工程的一項重要計劃，就是對月球³He 含量和分布進行由空間到實地的詳細勘察，而 2009 年放映的科幻電影《Moon》已經展現了未來克隆人在月球上開采氦資源的場景。

電影《Moon》海報（圖源：atomicboysoftware.com）

　　伴隨著宇航技術的日益成熟，相信終有一天，宇宙中其他星球會成為人類可利用資源的一部分。等到那時，氦元素短缺的問題將會成為歷史。不過在此之前，我們還是必須善待氦氣，珍惜氦資源。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的来自太阳的稀有元素的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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