氦簡(jiǎn)寫為He,是一種無(wú)色,無(wú)臭,無(wú)味,的惰性單原子氣體。同時(shí),在元素周期表上,它也是稀有氣體的個(gè)元素。沸點(diǎn)為所有元素中最低的。繼氫原子之后,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(zhì)量中大約占了24%,是其他較重雙原子分子的12倍。它的總含量和太陽(yáng)或木星內(nèi)的比例十分相似。這是因?yàn)楹徒酉聛?lái)三個(gè)元素比較起來(lái),氦-4有非常高的核結(jié)合能(每個(gè)核子中)。而它的高結(jié)合能也能解釋為何它是核聚變與核衰變的產(chǎn)物。氦-4是宇宙中氦最主要的同位素,最廣泛的來(lái)源形成于大爆炸時(shí)期。而新的氦形成于恒星內(nèi)部的核聚變反應(yīng)。

發(fā)現(xiàn)歷史
氦是以希臘神話中泰坦族的太陽(yáng)神-赫利奧斯命名。氦的首次發(fā)現(xiàn)是由喬治斯·雷頁(yè)特、C. T. 海格上尉[3]、諾曼·R·波格森和約翰·赫歇爾中尉在1868年的日全食觀測(cè)到一條未知的黃色光譜,后來(lái)被法國(guó)的天文學(xué)家侏爾斯·詹森證實(shí)有這條光譜,同時(shí)約瑟夫·諾曼·洛克耶也獨(dú)力在英國(guó)發(fā)現(xiàn)一樣的結(jié)果。人們認(rèn)為發(fā)現(xiàn)氦是侏爾斯·詹森和約瑟夫·諾曼·洛克耶的功勞。而洛克耶也是個(gè)提出這條光譜是來(lái)自一種新的元素,并命名此元素。而正式的發(fā)現(xiàn)則是在1895年由瑞典的兩位化學(xué)家皮·特奧多爾·克利夫和尼爾斯·朗勒特從瀝青鈾礦中分離出氦。在1903年,在美國(guó)發(fā)現(xiàn)大存量的天然氦氣井,直到現(xiàn)在依舊為氦氣的供應(yīng)商。
而液態(tài)氦則用于低溫(單用氦的宗,占了四分之一),特別是在超導(dǎo)磁體的冷卻中,主要的商業(yè)應(yīng)用是在MRI掃描儀中。 在工業(yè)上,氦氣有許多用途。例如:作為加壓和吹掃氣體、電弧焊接時(shí)的保護(hù)氣體、及參與制造晶體的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程(如制造硅晶圓時(shí),氦氣占所產(chǎn)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。與密度和空氣密度不同的任何氣體一樣,吸入少量氦氣會(huì)暫時(shí)改變?nèi)寺暤囊粽{(diào)。在科研方面,氦(4He)兩個(gè)流體相(He I & He II)的表現(xiàn)性,對(duì)于科學(xué)家在研究量子力學(xué)(特別是超流動(dòng)性的性質(zhì))及觀察如超導(dǎo)電性(產(chǎn)于近乎絕對(duì)零度)的現(xiàn)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(shù)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(chǎn)生的,這種衰變會(huì)發(fā)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(dá)7%,而后再經(jīng)過(guò)分餾的低溫分離過(guò)程,以進(jìn)行商業(yè)提取。先前,地球上的氦為不可再生資源,因?yàn)橐坏┽尫诺酱髿庵校苋菀滋右莸教?,人們認(rèn)為這種情況將會(huì)使氦日益短缺。然而,近來(lái)的研究指出,透過(guò)輻射衰變生成于地球深層的氦氣,在某些情況下透過(guò)火山運(yùn)動(dòng)被釋放,使得大氣中能被收集的氦氣量比預(yù)期的更多.
分布
氦存在于整個(gè)宇宙中,按質(zhì)量計(jì)占23%。但在自然界中主要存在于天然氣或放射性礦石中。在地球大氣層中,氦的濃度十分低,只有體積比百萬(wàn)分之5.2。在地球上的放射性礦物中所含的氦是α衰變的產(chǎn)物。氦在某些天然氣中含有在經(jīng)濟(jì)上值得提取的量,最高可以含有7%,在美國(guó)的天然氣中氦大約有1%。在地表的空氣中每立方米含有4.6立方厘米的氦,大約占整個(gè)體積的0.0005%,密度只有空氣的7.2分之一,是除了氫以外密度最小的氣體。
性質(zhì)
氦氣是所有氣體中最難液化的,沸點(diǎn)僅為4.22K,這源于氦極低的極性。同時(shí),氦是唯一不能在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下固化的物質(zhì),也沒(méi)有固-液-氣三相點(diǎn)?;陬愃频脑颍ぴ谒械娜芙舛纫矘O小,20°C時(shí)每升水中僅能溶解8.61毫升。
液氦在溫度降至2.178 K(−271 ℃)時(shí),性質(zhì)會(huì)發(fā)生突變,粘度極小,能形成只有幾個(gè)原子厚度的薄膜,發(fā)生無(wú)粘度流動(dòng),成為一種超流體,稱為氦(II),正常的液氦稱作氦(I)。這種氦(II)的表面張力很小,能沿容器壁向上流動(dòng),直到兩邊液面等高。此時(shí)的氦熱傳導(dǎo)性為銅的800倍,成為導(dǎo)熱性能極佳的熱導(dǎo)體。其比熱容、壓縮性等都是反常的。液氦的另一重要性質(zhì)是能穿透許多常見(jiàn)材料,如PVC、橡膠與大部分玻璃,所以玻璃杜瓦瓶無(wú)法用于液氦的操作。
氦的化學(xué)性質(zhì)非常不活潑,一般狀態(tài)下不會(huì)和其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),但目前已獲得在高于113GPa壓力下熱力學(xué)穩(wěn)定的Na2He,并且可能存在15GPa條件下結(jié)構(gòu)類似的Na2HeO。
制備
天然氣分離法:工業(yè)上,主要以含有氦的天然氣為原料,反復(fù)進(jìn)行液化分餾,然后利用活性炭進(jìn)行吸附提純,得到純氦。
合成氨法:在合成氨中,從尾氣經(jīng)分離提純可得氦。
空氣分餾法:從液態(tài)空氣中用分餾法從氖氦混合氣中提出。
鈾礦石法:將含氦的鈾礦石經(jīng)過(guò)焙燒,分離出氣體,再經(jīng)過(guò)化學(xué)方法,除去水蒸氣、氫氣和二氧化碳等雜質(zhì)提純出氦。
用途
由于氦很輕,而且不易燃,因此它可用于填充飛船、氣球、溫度計(jì)、電子管、潛水服等。也可用于原子反應(yīng)堆和加速器、激光器、冶煉和焊接時(shí)的保護(hù)氣體,還可用來(lái)填充燈泡和霓虹燈管,也用來(lái)制造泡沫塑料。
由于氦在血液中的溶解度很低,因此可以加到氧氣中防止減壓病,作為潛水員的呼吸用氣體,或用于治療氣喘和窒息。
液體氦的溫度(-268.93 °C)接近絕對(duì)零度(-273.15℃),因此它在超導(dǎo)研究中用作超流體,制造超導(dǎo)材料。液態(tài)氦還常用做冷卻劑和制冷劑。在醫(yī)學(xué)中,用于氬氦刀以治療癌癥。
它還可以用作人造大氣層和鐳射媒體的組成部分。
由于化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定,一般不與其它物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),氦氣也用于防腐,毛澤東水晶棺內(nèi)的氣體即為氦氣。