Myujth

氦   ₂He

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外觀
无色气体，高压电场下发橙红色光 氦的光谱线
概況
名稱·符號·序數	氦（helium）·He·2
元素類別	稀有气体
族·週期·區	18 ·1·s
標準原子質量	4.002602（2）
電子排布	1s2 2
歷史
發現	皮埃尔·让森, 约瑟夫·诺曼·洛克耶（英语：Norman Lockyer）（1868年）
分離	威廉·拉姆齐，皮·特奥多尔·克利夫（英语：Per Teodor Cleve），尼尔斯·朗勒特（英语：Abraham Langlet）（1895年）
物理性質
物態	气态
密度	（0 °C, 101.325 kPa） 0.1786 g/L
熔點時液體密度	0.145 g·cm−3
沸點時液體密度	0.125 g·cm−3
熔點	(at 2.5 MPa) 0.95 K，−272.20 °C，−457.96 °F
沸點	4.222 K，−268.928 °C，−452.070 °F
三相點	2.177 K（−271 °C），5.043 kPa
臨界點	5.1953 K，0.22746 MPa
熔化熱	0.0138 kJ·mol−1
汽化熱	0.0829 kJ·mol−1
比熱容	5R/2 = 20.786 J·mol−1·K−1
蒸氣壓（(由ITS-90定义)） 壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k 溫/K     1.23 1.67 2.48 4.21
原子性質
氧化態	0
電負性	N/A（鲍林标度）
電離能	第一：2372.3 kJ·mol−1 第二：5250.5 kJ·mol−1
共價半徑	28 pm
范德華半徑	140 pm
雜項
晶體結構	六方密堆积
磁序	抗磁性[1]
熱導率	0.1513 W·m−1·K−1
聲速	972 m·s−1
CAS號	7440-59-7
最穩定同位素
主条目：氦的同位素 同位素 丰度 半衰期 (t1/2) 衰變 方式 能量（MeV） 產物 3He 0.000137%* 穩定，帶1個中子 4He 99.999863%* 穩定，帶2個中子 5He 人造 7×10-22 秒 n - 4He *为大气层中的数值；其它地方可能有所不同。

氦（希臘語：ἥλιος，轉寫：Helios，直譯：太陽；英語：Helium；舊譯作氜）簡寫為He，其原子序為2，原子量為4.002602。是一種無色，無臭，無味，的惰性單原子氣體。同時，在元素週期表上，它也是高貴氣體的第一個元素。沸點為所有元素中最低的。繼氫原子之後，氦是可觀宇宙中第二輕且含量第二高的元素，在全宇宙的質量中大約佔了24%，是其他較重雙原子分子的12倍。它的總含量和太陽或木星內的比例十分相似。這是因為和接下來三個元素比較起來，氦-4有非常高的核結合能(每個核子中)。而它的高結合能也能解釋為何它是核融合與核衰變的產物。氦-4是宇宙中氦最主要的同位素，最廣泛的來源形成於大霹靂時期。而新的氦形成於行星內部的核融合反應。

氦是以希臘神話中泰坦族的太陽神-赫利奧斯命名。氦的首次發現是由Georges Rayet,^[2] Captain C. T. Haig,^[3] Norman R. Pogson^[4] 和 Lieutenant John Herschel^[5]在1868年的日全食觀測到一條未知的黃色光譜，後來被法國的天文學家 Jules Janssen^[6]證實有這條光譜，同時Norman Lockyer也獨力在英國發現一樣的結果。人們認為發現氦是Jules Janssen和Norman Lockyer的功勞。而Lockyer也是第一個提出這條光譜是來自一種新的元素，並命名此元素。而正式的發現則是在1895年由瑞典的兩位化學家Per Teodor Cleve和Nils Abraham Langlet從瀝青鈾礦中分離出氦。在1903年，在美國發現大存量的天然氦氣井，直到現在依舊為氦氣的最大供應商。

而液態氦則用於低溫(單用氦的最大宗，佔了四分之一)，特別是在超導磁體的冷卻中，主要的商業應用是在MRI掃描儀中。 在工業上，氦氣有許多用途。例如：作為加壓和吹掃氣體、電弧焊接時的保護氣體、及參與製造晶體的化學反應過程(如製造矽晶圓時，氦氣佔所產生氣體的一半)。日常生活中的小用途則是作為氣球或飛艇上升所需的氣體。^[7]與密度和空氣密度不同的任何氣體一樣，吸入少量氦氣會暫時改變人聲的音調。在科研方面，氦(₄He)兩個流體相(He I & He II)的表現性，對於科學家在研究量子力學(特別是超流動性的性質)及觀察如超導電性(產於近乎絕對零度)的現象是很重要的。

在地球上，它在大氣中的濃度為5.2 ppm，較為稀少。今天陸地上大多數存在的為氦是由重放射性元素（例如釷和鈾的天然放射性衰變）產生的，這種衰變會發射出由氦-4核組成的α粒子。該放射性氦被天然氣捕獲，其體積濃度可高達7％，而後再經過分餾的低溫分離過程，以進行商業提取。先前，地球上的氦為不可再生資源，因為一旦釋放到大氣中，它很容易逃逸到太空，人們認為這種情況將會使氦日益短缺。^[8][9][10]然而，近來的研究指出，透過輻射衰變生成於地球深層的氦氣，在某些情況下透過火山運動被釋放，使得大氣中能被收集的氦氣量比預期的更多。^[11][12][13]

发现

首个证明氦存在的证据是太阳色球的发射光谱中的一条亮黄色谱线。1868年8月18日，法国天文学家皮埃尔·让森在印度的貢土爾观测日全食时，发现了这条波长为587.49 nm的谱线。^[14][15]起初人们推测这条谱线来自钠。同年10月20日，英国天文学家约瑟夫·诺曼·洛克耶（英语：Norman Lockyer）在太阳光谱中发现了一条黄线。由于这条谱线的波长和夫朗和斐譜線中钠产生的D₁线和D₂的波长相似，洛克耶将其命名为D₃线。^[16]他还提出这条谱线来自太阳上的一种尚未在地球上发现的金屬^{[來源請求]}元素。洛克耶和英国化学家爱德华·弗兰克兰（英语：Edward Frankland）以希腊语中的ἥλιος（helios，意为“太阳”）一词，将这一元素命名为Helium.^[17][18][19]

氦的谱线

1882年，意大利物理学家路易吉·帕尔米耶里（英语：Luigi Palmieri）在分析维苏威火山的岩浆时发现了氦的D₃线，这是氦在地球上的首次发现记录。^[20]

地层氦的发现者威廉·拉姆齐爵士

1895年3月26日，苏格兰化学家威廉·拉姆齐爵士将钇铀矿（英语：cleveite）（一种瀝青鈾礦，其质量的10%为稀土元素）用酸处理，首次在地球上分离出氦。拉姆齐当时在寻找氩，他用硫酸处理矿物，分离释放出的气体中的氮和氧。在剩下的气体中，他发现了一条和太阳光谱中的D₃线吻合的黄色谱线。^{[16][21][22][23]}洛克耶和英国物理学家威廉·克鲁克斯鉴定了这一气体样品，证明了它是氦气，且氦非金屬元素。同一年，两位化学家皮·特奥多尔·克利夫（英语：Per Teodor Cleve）和尼尔斯·朗勒特（英语：Abraham Langlet）在瑞典乌普萨拉独立从钇铀矿中分离出氦；他们收集的氦足以测定这一元素的原子量。^[15][24][25]在拉姆齐分离氦之前，美国地质化学家威廉·弗朗西斯·希尔布兰德（英语：William Francis Hillebrand）同样注意到一份沥青铀矿样品中的一条不寻常的谱线，并从中分离出氦；但他认为这些谱线来自氮气。他致拉姆齐的贺信是科学史上“发现”和“邻近发现”的一个有趣例子。^[26]

1907年，欧内斯特·卢瑟福与托马斯·罗伊兹（英语：Thomas Royds）让α粒子穿透玻璃壁进入真空管，向管中放电后观察管内气体的发射光谱，证明α粒子就是氦核。1908年，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯将氦冷却至不到1K的低温，从而首次制得液态氦。^[27]他还试着将氦固化，但是氦没有固、液、气三相平衡的三相点，因此他的尝试没有成功。1926年，昂内斯的学生威廉·亨德里克·科索姆（英语：Willem Hendrik Keesom）在低温下向氦加压，制得了1 cm³的固态氦。^[28]

處於超流相的液氦，會在杯身內面向上緩慢攀爬，攀越過杯口，然後在杯身外面向下緩慢滑落，集結在一起，形成一滴液氦珠，最後滴落在下面的液氦裏。這樣，液氦會一滴一滴的滴落，直到杯子完全流空為止。

1938年，苏联物理学家彼得·列昂尼多维奇·卡皮察发现氦-4在接近绝对零度时几乎没有粘度，从而发现了今天所说的超流体。^[29]这一现象和玻色-爱因斯坦凝聚有关。1972年，美国物理学家道格拉斯·奥谢罗夫、戴维·李、以及罗伯特·科尔曼·理查森发现氦-3也有超流体现象，但所需的温度比氦-4低得多。氦-3的超流体现象被认为和氦-3费米子配对形成玻色子有关，这种配对和超导体中电子形成的库珀对类似。^[30]

名称由来

在皮埃尔·让森从太阳光谱中发现氦时，英国人洛克耶（J. N. Lockyer）和弗兰克兰（E. F. Frankland）认为这种物质在地球上还没有发现，因此定名为“氦”（法文为hélium，英文为helium），源自希腊语ήλιος，意为“太阳”。

在中文里，晚清时由传教士创办的益智书会译作“氜”（读作“日”），以表示从太阳光中发现的气态元素。1915年，由中华民国教育部颁布的《无机化学命名草案》则采用发音与英文更为一致的“氦”，并沿用至今。^[31]

分布

氦存在于整个宇宙中，按质量计占23%。但在自然界中主要存在于天然气或放射性矿石中。在地球大氣層中，氦的濃度十分低，只有体积比百万分之5.2。在地球上的放射性矿物中所含的氦是α衰变的产物。氦在某些天然气中含有在经济上值得提取的量，最高可以含有7%，在美国的天然气中氦大约有1%。在地表的空气中每立方米含有4.6立方厘米的氦，大约占整个体积的0.0005%，密度只有空气的7.2分之一，是除了氢以外密度最小的气体。

性質

氦气是所有气体中最难液化的，沸點僅為4.22K，這源於氦極低的極性。同時，氦是唯一不能在标准大气压下固化的物质，也沒有三相點。基於類似的原因，氦在水中的溶解度也極小，20°C時每升水中僅能溶解8.61毫升。

液氦在温度降至2.178 K（−271 ℃）时，性质会发生突变，粘度极小，能形成只有几个原子厚度的薄膜，发生无粘度流动，成为一种超流体，稱為氦(II)，正常的液氦稱作氦(I)。这种氦(II)的表面张力很小，能沿容器壁向上流动，直到兩邊液面等高。此時的氦热传导性为铜的800倍，成為導熱性能極佳的熱導體。其比热容、压缩性等都是反常的。液氦的另一重要性質是能穿透許多常見材料，如PVC、橡膠與大部分玻璃，所以玻璃杜瓦瓶無法用於液氦的操作^[32]。

氦的化学性质非常不活泼，一般状态下不會和其他物质发生反应，但目前已获得在高于113GPa压力下热力学稳定的Na₂He，并且可能存在15GPa条件下结构类似的Na₂HeO。^[33]

制备

1. 天然气分离法：工业上，主要以含有氦的天然气为原料，反复进行液化分馏，然后利用活性炭进行吸附提纯，得到纯氦。


2. 
   合成氨法：在合成氨中，从尾气经分离提纯可得氦。


3. 空气分馏法：从液态空气中用分馏法从氖氦混合气中提出。


4. 铀矿石法：将含氦的铀矿石经过焙烧，分离出气体，再经过化学方法，除去水蒸气、氢气和二氧化碳等杂质提纯出氦。

同位素

現時已知的氦同位素有八種，包括氦3、氦4、氦5、氦6、氦8等，但只有氦3和氦4是穩定的，其餘的均帶有放射性。在自然界中，氦同位素中以氦4佔最多，多是從其他放射性物質的α衰變放出α粒子（氦4原子核）而來。氦3的含量在地球上極少，而在月球上储量巨大，它們均是由超重氫（氚）的β衰變所產生。

用途

充滿氦氣，形似氦化學符號（He）的充氣放电管

由于氦很轻，而且不易燃，因此它可用于填充飞艇、气球、温度计、电子管、潛水服等。也可用于原子反应堆和加速器、激光器、冶炼和焊接时的保护气体，还可用来填充灯泡和霓虹灯管，也用来制造泡沫塑料。

由于氦在血液中的溶解度很低，因此可以加到氧气中防止减压病，作为潜水员的呼吸用气体，或用於治療氣喘和窒息。

液体氦的温度（-268.93 °C）接近绝对零度（-273℃），因此它在超导研究中用作超流体，制造超导材料。液态氦还常用做冷却剂和制冷剂。在医学中，用于氩氦刀以治疗癌症。

它还可以用作人造大气层和镭射媒体的组成部分。

由于化学性质极其稳定，一般不与其它物质发生反应，氦气也用于防腐，毛泽东水晶棺内的气体即为氦气^[34]。

其他

對聲音的影響

因為氦氣傳播聲音的速度差不多為空氣的三倍，这会改变人的声带的共振态，于是使得吸入氦氣的人說話的聲音的频率變高。這個有趣的現象使得吸入氦氣的人說話尖聲細氣，就好像舊時代的卡通人物一樣^[35]，與吸入六氟化硫後聲音變粗正好相反。这种现象经常被错误地解释为音速的提高直接导致声音频率的增加，或者氦气使得声带振动变快。

過度使用所產生的問題

需要注意的是，如果大量吸入氦氣，會造成体内氧气被氦取代，因而发生缺氧（呼吸反射是受体内过量二氧化碳驱动，而对缺氧并不敏感），嚴重的甚至會死亡。2015年1月28日，日本少女偶像團體3B junior的一名成員在參加BS朝日的綜藝節目錄影時，因玩變聲遊戲吸入氦氣後失去意識陷入昏迷，被送醫治療^[36][37]。同年4月21日，台灣藝人楊又穎吸入過量氦氣自殺身亡。^[38]

另外，如果是由高壓氣瓶中直接吸入氦氣，那麼其高流速就會嚴重地破壞肺部組織。大量而高壓的氦和氧會造成高壓緊張症候群（英语：High pressure nervous syndrome），不過少量的氮就能夠處理這個問題。

參見

• 反氦


• 氦-3


• 氦-4


• 氦-5

参考文献