撰文 | 李研
编辑 | 金庄维
1903年，位于堪萨斯州的德克斯特（Dexter）小镇探查到了储量丰富的地下气体资源。当地人为此沉浸在欣喜中，大家普遍认为这应是可以用作能源的天然气，而能源意味着财富和就业机会。人们愉快地相聚在一起，围不雅观气井的点火试气。常日，天然气中紧张身分为甲烷，十分易燃。然而让众人大失落所望的是，这里采出的地下气体竟然无法被点燃。
气体样品随后被送去堪萨斯大学检测，科学家创造这里的“天然气”含有一种未知的惰性身分。正所谓“塞翁失落马，焉知非福”，当时的人们难以料想，此处蕴藏的 “谢绝燃烧”的未知气体，日后被证明是一种比天然气更加宝贵的计策资源。
这种未知气体便是罕有元素氦（Helium），它的原子序数为2 ，我们可以很随意马虎在元素周期表的右上角找到它。
（图片由“最俏丽的化学元素周期表”网站策划者吴尔平供应）
太阳上的元素
看过“流浪地球”的读者，可能还记得“氦闪”。它讲的便是当太阳核心的氢快花费完时，所剩的氦核心将发生失落控的核聚变反应，迅速转化为碳的过程。
“流浪地球”中所描述的“氦闪”（图源：cdstm.cn）
氦是周期表中唯一一个首先在地球之外被不雅观测到的元素。人们在不雅观测太阳光谱时察觉到了这种元素的踪迹。
1868 年，法国天文学家皮埃尔·让森（Jules Janssen）在印度不雅观测日食时，首先把稳到一条波长为587.49 nm的未知谱线。由于氦587.49 nm的谱线与钠黄光的589nm非常靠近，人们还误以为氦是与钠性子附近的一种金属。
氦在可见光区域的发射光谱（图源：wikipedia.org）
英国科学家诺曼·洛克耶（Norman Lockyer），同年也在太阳光谱中创造了这条黄线。凭借敏锐的洞察力，他推测这条谱线应来自太阳上的一种新的元素，并取名为“helium” (源自希腊语太阳“helios”)，简称“He”。
浩瀚的宇宙中蕴含着丰富的氦资源，氦可以占到宇宙中总元本色量的四分之一。然而，地球上的氦却少得可怜，氦气（He）的体积分数只占地球大气的约0.0005%。直到1869年门捷列夫创建最初的元素周期表时，氦元素的位置还是空缺的。
在地球上成功分离出氦元素，还要等到1895年。当时，苏格兰化学家威廉·拉姆齐（William Ramsay）在用硫酸处理沥青铀矿时，创造了天生气体中有一条谱线和太阳光谱中的黄色谱线相吻合。于是，他把这份气体样品交给同在英国的洛克耶剖析。洛克耶终极确认这便是他先前在太阳光谱中创造的元素He。
从“副产品”到“计策资源”
接下来的故事，就回到文章开头提到的1905年在美国小镇的意外创造了。美国一些原来认为是天然气的气田中，创造了储量可不雅观的氦气资源。这些氦气资源紧张由含有放射性元素的矿石（例如钍和铀）的天然衰变产生，在地下密闭的空间里氦气无处逃逸，于是可以被富集到高达7%的浓度，具备开采代价。
正当科学家思考这种天然气气田的副产品有什么特殊用场时，第一次天下大战的爆发很快为氦气找到了的用武之地——利用其密度比空气小的特性为气艇供应浮力，用以侦查和轰炸敌方领地。更主要的是，比较另一种可以供应浮力的气体氢气，氦气因不易燃烧，保障了飞艇的安全性。至此，美国政府开始将其视为一种独特的计策资源加以储备，乃至在1927年颁布了氦气掌握法令，禁止氦气出口。
美国的出口禁令，迫使德国人在气艇中利用随意马虎获取却易燃易爆的氢气，这一选择也终极酿成了1937年兴登堡号飞艇爆炸的惨剧，并随之结束了氢气作为飞艇添补气体的历史。
德国兴登堡号飞艇爆炸（图源：wikipedia.org）
用场广泛，无可替代
如今，氦气的运用已经远不止一种供应浮力的气体。液氦因其沸点靠近绝对零度（-268.9℃），成为核磁共振仪器中坚持磁体超导状态的必备，它在低温掌握领域已经成为占比最大的运用（～30%）。
其他一些运用还包括：深潜员携带的气瓶中混有适当比例的氦气以防止“减压病”和“氧中毒”的发生（因其在血液中溶解度很低）；氦气常作为示踪气体用于高精度的容器检漏（因其扩散速率快和随意马虎检出的特点）；氦气也可以供应惰性气氛，这个中包括添补在毛主席水晶棺中的保护气体（因其化学性子非常稳定）。
2017年美国A级氦气（纯度99.995%）的用场剖析：核磁共振成像（MRI）—30%，供应浮力—17%，实验室剖析—14%，焊接—9%，工程及科学运用—6%，气体检漏—5%，半导系统编制造—5%，其他—14%。
上述提到的运用，还仅是关于地球上常见的氦同位素：氦-4（4He）。氦元素家族还有一种稳定的同位素，被称为氦-3（3He）, 由两个质子和一个中子组成。理论上，3He发生核聚变反应时，只产生没有放射性的质子，不会造成核辐射危害环境，堪称完美的绿色能源。只可惜地球上3He的储量非常少，网络和利用的难度极高。
氦-4和 氦-3的原子构造（图源：wikipedia.org）
会从地球上“消逝”的元素
伴随着氦元素用场被越来越多地开拓，氦气资源也加倍呈现供不应求的局势。在“你的手机中，有6种元素将在100年后消逝……”的题目中涌现了一个不恰当用词——“元素消逝”。不少读者的评论指出，元素不会“消逝”，只是矿产资源枯竭。然而氦元素却是个例外。氦原子由于其化学惰性，常日只以单原子氦气的形式存在【注1】；又由于相对分子质量很小，非常随意马虎从地表逃脱引力束缚而流失落到太空，以是氦元素成为一种正从地球上逐渐“消逝”的不可再生资源。
由于氦气在空气中含量极微，以是人类不得不在地下探求它。目前利用的氦气紧张来自油气钻探过程中产生的副产品。提取氦气紧张利用了氦气难液化的特性，靠压缩使其他气体都凝成液体，剩下的便是比较纯净的氦气了。这一过程须要花费很多能量，本钱高昂，以是氦气含量如果太少就得不偿失落了。
其余，形成美国堪萨斯州那样富含氦气的气田须要苛刻的地质条件。首先，气田周围要伴生铀或钍的矿石，这些元素的衰变是氦气的来源。更主要的是，气田顶部必须有坚实不透气的岩石，才可能让氦气留存不流失落。符合这些地质条件的气田在地球上并不多见。
虽然美国长期将氦气视为计策资源，早期乃至一度禁止氦气的出口，但时至今日，美国仍是天下上氦气的紧张生产国和出口国。中国是贫氦国家，目前绝大部分氦气依赖入口。
随着飞机技能的成熟和快速发展，飞艇已经失落去了作为交通工具的代价。80年代后，美国国家氦气储备公司决定在市场上逐步***那些为建造飞艇准备的氦气，以偿还当初建厂时花费的本钱。这导致氦气的价格一度没有充分反响其稀缺程度。
人们曾经以一种非常不严明的办法大量摧残浪费蹂躏氦气资源——在派对和仪式中开释很多氦气添补的升空气球。这些气球一旦升空，就意味着里面的氦元素永久离开了地球。
一些正在升空的心形氦气添补气球（图源：pixabay.com）
已故诺贝尔物理学奖得主罗伯特·理查森（Robert Richardson）在2010年就曾对此提出警告，他认为一个派对上用的升空气球就值100美元，而且氦气一旦用尽，目前险些没有替代品。
地球有47亿年的历史，它用了这么长的韶光来累积我们的氦储备。而我们能在大约100年内将其耗尽。一代人没有权力决定往后数代人的可获取量。
罗伯特·理查森
过低的氦气价格也打击了生产商的积极性，很多石油公司不愿意在开采天然气的同时添加网络氦气的装置。其余，伴随着氦气花费量的日益增加，美国氦储备逐渐花费殆尽，我们就不难明得比来氦气价格的逐年猛涨。
美国氦气储存量（虚线）和氦气价格（实线）的比拟图（图源：参考资料[3]）
放眼星空，展望未来
面对氦资源的紧缺，人们正在节流和开源两方面做出努力。
虽然现在氦气添补气球依然有售卖，但在仪式上大规模开释氦气球的场景如今已经罕见。
在核磁共振设备中央，先前的一些耗费液氦量大的仪器正逐渐被淘汰，现在的核磁共振仪很多具有良好的密闭性，以防止液氦蒸发，从而大大减少了液氦的需求量。科学家也在研究临界温度更高的超导体，以期未来液氦不再是超导领域唯一可选择的冷却办法。
与此同时，人们也在探求更多的氦气来源。除了美国，近年来富含氦气的气田在阿尔及利亚、卡塔尔和俄罗斯等国也有少量创造。
在地球上，氦是一种不可再生稀缺资源，但如果我们放眼地球之外，便会创造每分钟都有天文数字的氦在天生。个中，太阳便是一个巨大的氦工厂，夜以继日地把氦喷射到太空中。
在太阳风常常“光顾”的月球表面，也有大量富含3He的土质。我国探月工程的一项主要操持，便是对月球3He含量和分布进行由空间到实地的详细勘察，而2009年放映的科幻电影《Moon》已经展现了未来克隆人在月球上开采氦资源的场景。
电影《Moon》海报（图源：atomicboysoftware.com）
伴随着宇航技能的日益成熟，相信终有一天，宇宙中其他星球会成为人类可利用资源的一部分。等到那时，氦元素短缺的问题将会成为历史。不过在此之前，我们还是必须善待氦气，珍惜氦资源。
【注1】：2017年2月6日，中国南开大学的王慧田、周向锋团队及其互助者在高压条件下合成氦钠化合物——Na2He（Nature Chemistry2017,9, 440)，结束了氦元素无化合物的历史。
参考资料
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Helium
[2]https://zh.wikipedia.org/wiki/氦-3
[3] Eugene Grynia and Peter J. Griffin, Helium in Natural Gas - Occurrence and Production, J. Natural Gas Eng., 2016,1,163.
[4] Helium should be recycled, Nature, 2017, 6, 547.
[5] A Look At Rising Helium Prices：http://www.weldingandgasestoday.org/index.php/2012/04/a-look-at-rising-helium-prices/
[6] 环球氦气储备25年内耗尽 售价太低摧残浪费蹂躏严重：http://news.sohu.com/20100825/n274465148.shtml
文章头图及封面图片来源：Pslawinski/commons.wikimedia.org
来源：赛师长西席
编辑：重光
近期热门文章Top10
↓ 点击标题即可查看 ↓
1. 首届黑洞PS大赛来袭！
为了这张「高糊」的图，中国科学家做出了啥贡献？
2. 物理学四大神兽，除了“薛定谔的猫”还有谁？
3. 地下多大的金矿才能影响到单摆实验？| No.149
4. 为什么用木棍打衣服就可以洗干净衣服？| No.150
5. 为了替你出气，我们给讨厌的杨柳絮来个「以暴制暴」
6. 玩扫雷还有什么技巧？科学家的玩游戏方法你绝对想不到
7. 在我国，没有任何一张舆图能见告你你的真实位置
8. 在客户鱼嘴里供应做事的小清洁虾、清洁鱼，是怎么知道自己不会被吃掉的呢？
9. 你以为土拨鼠只会尖叫？实在它可能正在骂你
10. 你知道为了测博尔特的速率，我们有多努力嘛？
