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氦氣發(fā)現(xiàn)150周年——小小氦氣竟有大用途

2018-09-08  來(lái)自: 安陽(yáng)市廣安氣體有限責(zé)任公司 瀏覽次數(shù):1712

     據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道,氦氣是一種很有意思的物質(zhì)。填進(jìn)氣球里,便能讓氣球高高升空;吸進(jìn)嘴巴里,就能變出唐老鴨那般搞笑的嗓音。不過(guò)吸氦氣可不是什么明智之舉,因?yàn)樗梢匀〈覀兎沃械难鯕?、或引發(fā)其它呼吸道問(wèn)題。


  除了這兩點(diǎn)作用之外,氦氣還有什么用處?它有沒(méi)有可能用完呢?氦氣是一種氣體,與人類幾乎毫無(wú)共同之處,但彼此都離不開對(duì)方?,F(xiàn)代經(jīng)濟(jì)需要依賴氦氣,氦氣也需要我們尋找更好的保護(hù)手段、防止被我們徹底用完。


  氦氣是一種惰性氣體,由法國(guó)天文學(xué)家朱爾斯·讓森(Jules Janssen)在1868年8月18日的全日食期間發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時(shí)人們尚未在地球上發(fā)現(xiàn)過(guò)這種元素,因此讓森用太陽(yáng)(helios)為其命名,稱其為氦(helium)。自此之后,科學(xué)家圍繞氦取得了許多重要進(jìn)步,如醫(yī)學(xué)和天體物理學(xué)等領(lǐng)域使用的現(xiàn)代分析工具、我們?nèi)粘J褂玫氖謾C(jī)等等,這些物品的生產(chǎn)過(guò)程都離不開氦氣。氦氣的獨(dú)特物理特性還幫助全世界的科學(xué)家做出了許多重大發(fā)現(xiàn),對(duì)國(guó)際社會(huì)助益良多。


  地球上的氦供應(yīng)是有限的


  你可能還記得,幾年前曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)關(guān)于全球氦供應(yīng)量有限的報(bào)道。類似的消息也在這幾年間的周期性報(bào)告中屢屢出現(xiàn)。那么,這一危機(jī)值得引起人們的重視嗎?


  氦早在宇宙形成之初、宇宙大爆炸須臾之后便已經(jīng)誕生,至今已有數(shù)十億年的歷史。它是宇宙中第二輕、也是第二常見的元素,僅次于氫氣。但地球上的氦并不多,含量?jī)H為百萬(wàn)分之幾。問(wèn)題在于,氦原子核太輕,不足以被地球引力所牽制。一旦氦氣進(jìn)入大氣,就會(huì)逃逸到宇宙中,在太陽(yáng)風(fēng)的“吹拂”下隨風(fēng)而去。


  雖然地球上的氦一直在減少,但直到不久之前,氦儲(chǔ)量都非常充足。大多數(shù)氦都是在宇宙大爆炸時(shí)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后的高能氦原子。在這種衰變過(guò)程中,放射性元素分裂成若干碎片,同時(shí)釋放出能量,因此名為裂變。



  放射性元素的衰變可以彌補(bǔ)通過(guò)大氣損失的氦。裂變生成的氦主要儲(chǔ)存于多種礦石中,在天然形成的大型蓄氣池中大量聚積,如位于美國(guó)德克薩斯州的國(guó)家氦氣池。但這種天然過(guò)程需經(jīng)歷成千上萬(wàn)年,產(chǎn)出的氦氣量才能達(dá)到商業(yè)提取價(jià)值。


  我們?yōu)楹涡枰?/p>


  氦原子核質(zhì)量只有4,僅由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子構(gòu)成,是一種非常穩(wěn)定的元素。氦重要的特性包括:極難發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、不具有放射性、不可燃燒、無(wú)毒,關(guān)鍵的一點(diǎn)是,它的沸點(diǎn)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——零度。其它元素在該溫度下都不可能保持液體狀態(tài)。氦氣是目前唯一一種具有這些特性、且能夠?yàn)槲覀兯玫牡奈镔|(zhì)。


裝滿惰性氣體的玻璃管受到高強(qiáng)度電流激發(fā),會(huì)發(fā)出不同顏色和強(qiáng)度的光線。圖中從左至右分別為氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣。  裝滿惰性氣體的玻璃管受到高強(qiáng)度電流激發(fā),會(huì)發(fā)出不同顏色和強(qiáng)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(jià)格相對(duì)來(lái)說(shuō)并不貴。很多工業(yè)應(yīng)用根本找不到更合適的替代品。對(duì)航天、國(guó)防科技、高科技制造業(yè)、火箭引擎測(cè)試、焊接、商業(yè)潛水、粒子加速器磁鐵、光纖、半導(dǎo)體芯片而言,氦氣的作用都不可或缺。


  然而,氦氣重要的用途還當(dāng)屬醫(yī)學(xué)成像,尤其是磁共振成像技術(shù)(MRI),以及利用高強(qiáng)度磁場(chǎng)的核磁共振技術(shù)(NMR)。若不是因?yàn)楹夥悬c(diǎn)極低,這些技術(shù)都不可能誕生。


  超導(dǎo)體材料是磁共振和核磁共振設(shè)備的關(guān)鍵,而這些材料在4.2開爾文的溫度下才能保持穩(wěn)定。電子從材料中流過(guò)、產(chǎn)生電流時(shí),大多數(shù)材料都會(huì)產(chǎn)生電阻,這對(duì)磁裝置而言是一大問(wèn)題。我們使用的每一樣電子設(shè)備、以及運(yùn)輸電力的所有基礎(chǔ)設(shè)施都會(huì)因?yàn)殡娮钃p失能量。由于電阻的存在,很難用高強(qiáng)度電流產(chǎn)生高強(qiáng)磁場(chǎng)。然而超導(dǎo)體卻不會(huì)阻礙電子的流動(dòng),因此能產(chǎn)生極強(qiáng)的磁場(chǎng),可以進(jìn)行高分辨率醫(yī)學(xué)成像。但超導(dǎo)體材料要想發(fā)揮正常功能,就必須被放置在超低溫環(huán)境中。這也正是液氦不可或缺的原因。

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