曾拯救宇航员的太阳物质氦和关于它的那

氢、氦、锂、铍、硼、碳、氮、氧、氟、氖..

作为中学时严重偏科的梵君(一边倒文科)我的元素周期表只能背到这里了。而且其中的(铍、硼)两种元素还总被我联想到NBA公牛队的那个皮蓬。

氦元素

元素符号He,原子序数2,原子量4.,为稀有气体的一种。

发现过程

年前的年8月18日,法国天文学家让桑赴印度观察日全食,当他利用分光镜观察日珥光谱时,他发现一条新的深黄色的谱线,与钠光谱的D1和D2线接近。日蚀后,他同样在太阳光谱中观察到这条黄线,当时称为D3线。年10月20日,英国天文学家洛克耶也发现了这样的一条黄线。

经过进一步研究,当时的天文学家意识到,这条D3线是不属于任何已知元素光谱的新线,由于这是第一个在地球以外,在宇宙中发现的新元素。为了纪念这件事,当时铸造了一块金质纪念牌,一面雕刻着四匹马战车的太阳神阿波罗(Apollo)像,另一面雕刻着詹森和洛克耶的头像,下面写着:“年8月18日太阳光谱分析。”在两人公布这一发现时,英人J.N.Lockyer和E.F.Frankland认为这种物质是太阳上的元素,在地球上还没有发现过,因此定名为“氦”(法文为hélium,英文为helium),源自希腊语λιο,意为“太阳”。

稀有气体之父与地球氦

从年发现氦之后的20余年,人们一直认为这种元素只有在太阳上存在。而直到年,英国化学家(稀有气体之父)威廉·拉姆塞,在研究钇铀矿时发现了一种神秘的气体。由于他研究了这种气体的光谱,发现可能就是20年前詹森和洛克耶发现的那条黄色D3线。

年3月24日,威廉·拉姆塞给他的夫人的信中写道:“先讲一个最新的消息吧,我把得到的新气体装入真空管,就在分光器上看它的光谱,我看到氖的光谱,但是忽又见到一条深黄色的明线,光辉灿烂,和钠的光线虽不重合,可也相差不远,我惶惑了,开始觉得可疑。我把这事告诉了克鲁克斯,直到星期六早晨,克鲁克斯发来电报告诉我:从钒铀矿中分离出的气体,为氩和氦两神气体的混和物。”至此这种之前只能被人们仰视的太阳元素,终于在地球被制备并且发现了。

威廉·拉姆塞

威廉·拉姆塞也因为发现氦、氖、氩、氪,氙、氡等气态惰性元素,并确定了它们在元素周期表中的位置,而获得年诺贝尔化学奖。而氦的发现者头衔也被授予了拉姆塞。

贫“氦”的地球与兴登堡号空难

从威廉·拉姆塞在地球获得氦后,由于氦的稳定性与升力特性(比空气轻)在二十世纪初的几十年里,世界各国都在积极寻找氦气资源,在当时主要目的是用来制造升力气球和飞艇。

氦存在于整个宇宙中,按质量计占23%,仅次于氢。但在地球上氦气是稀有气体,主要存在于地底天然气或放射性矿石中。在地球的大气层中,氦的浓度也十分低,只有5.2万分之一。由于当时提取氦气技术难度很大,只有少数几个国家掌握。这也间接导致了人类飞艇史上最大的灾难-兴登堡号空难。

兴登堡号灾难

继年成功建造巨型客运飞艇“齐柏林伯爵”号(LZ-)之后,年,编号为LZ-的飞艇也在德国腓特烈港开工。工程在中途因资金问题一度停工,埃克纳博士为此做了一个“与魔鬼的交易”——在飞艇的尾翼上涂绘“卐”字符以换取纳粹政权的资金援助。年,飞艇恢复建造。年3月,这艘梦幻般的飞艇建造完成,以德国总统兴登堡(PaulvonHindenburg,—)的名字被命名为“兴登堡”(Hindenburg)号。她是齐柏林公司为德国政府建造的飞艇舰队中的最先进也是最大的一艘,也是人类历史上最大的飞行器。

年5月6日,兴登堡号飞艇在一场灾难性事故中被大火焚毁。这艘巨大的飞艇正在新泽西州莱克赫斯特海军航空总站上空准备着陆,由于飞艇晚到,艇长急于降落,在错过了降低时机之后大幅度转向,导致结构破坏,一根固定钢缆断裂划破气囊,氢气外泄,然后被f飞艇铝制表面静电火花引燃,仅用了不到32秒的时间就爆燃烧毁。

据说,‘兴登堡’号的设计师胡戈·埃克纳曾要求飞艇的‘气囊’用较安全的氦气充气。可是当时氦气只有美国能大量生产,而美国人又怕德国可能用它来制造武器,最后不得不改用易燃的氢气,最终导致引发了‘兴登堡’号的巨灾。

但是到了二十一世纪,氦不仅用在飞行上,尖端科学研究,现代化工业技术,都离不开氦,而且用的常常是液态的氦,而不是气态的氦。液态氦把人们引到一个新的领域——超低温世界。

最难液化的气体与超能力

早在年,英国物理学家杜瓦(Dewar)就制备出了液态氢。就在同一年,荷兰的物理学家卡美林·奥涅斯也得到了液态氢。液态氢的沸点是零下℃,在这样低的温度下,其他各种气体不仅变成液体,而且有的都变成了固体。只有“顽固”的氦是最后一个不肯变成液体的气体。包括杜瓦和卡美林·奥涅斯在内的科学家们都拿氦气无可奈何。

年7月13日晚,荷兰物理学家卡美林·奥涅斯(HeikeKamerlinghOnnes昂纳斯)和他的助手们在著名的莱顿实验室取得成功,终于把氦气变成了液态。他第一次得到了立方厘米的液态氦。

要得到液态氦,必须先把氦气压缩并且冷却到液态空气的温度,然后让它膨胀,使温度进一步下降,氦气就变成了液体。液态氦是一种与众不同的液体,其沸点为零下℃。在这样低的温度下,连氮气也变成了固体,在与空气接触时,空气会立刻在液态氦的表面上冻结成一层坚硬的固态盖子!

液态氦

年4月8日,奥涅斯又发现,在4.2K(.93摄氏度)时,浸入液氦中的固态汞丝电阻突然消失,即超导态(导热性是铜的倍)。另外氦是唯一不能在标准大气压下固化的物质,直到年基索姆(WillemHendrikKeesom,奥涅斯的学生)用降低温度和增大压力的方法首先得到了固态氦。

在苏联,科学家卡皮察(PyotrKapitsa)也开始了一系列实验来研究液态氦,在年发现了其超流性(superfluid)。超流体是一种物质状态,特点是完全缺乏张力黏性。如果将超流体放置于环状的容器中,由于没有摩擦力,它可以永无止尽地流动。例如,液态氦在2.17K以下时,内摩擦系数变为零(零阻力),液态氦可以流过半径为10的负5次方厘米的小孔或毛细管,甚至能顺着容器壁往上流动而逃逸出去。这种现象叫做超流现象,这种液体叫做超流体。

年2月6日,中国南开大学的王慧田、周向锋团队及其合作者在《NatureChemistry》上发表了有关在高压条件下合成氦钠化合物——Na2He的论文,结束了氦元素无化合物的历史,标志着我国在稀有气体化学领域走到了最前沿。

Na2He

超临界氦助力太空探索

当人类科技进入太空探索阶段时,氦发挥了重要作用。

美国中部时间年4月11日13:13阿波罗13号于发射,(外国迷信13不吉利是有道理的)发射后在飞往月球途中,登月服务舱的氧气罐由于电线短路爆炸了!

由于服务舱的燃料电池因液氧泄漏无法供电,主发动机无法启动,作为唯一能够提供变轨动力的登月舱下降级发动机临危受命,负责进行轨道修正!发射后61小时29分43秒,登月舱下降级启动,进入了绕月返回地球的轨道,并通过后续两次中途修正和加速飞行,让三名宇航员最终平安返回地球。而靠的正是登月舱下降级中的超临界氦低温罐体一次次挤出来的生还希望......

当然也有马失前蹄的反面案例

年9月1日SpaceX的埃龙马克思团队为猎鹰9火箭进行二级加注测试,按照测试计划,在模拟发射前19.5分钟加注液氧,在发射前13分钟加注氦气。当液氧加注完开始加注氦气时,挤压入COPV罐体的低温液氦导致液氧罐绝缘层膨胀与炭纤维摩擦产生静电,其中一个液氧罐体发生了爆炸,2亿美元的AMOS6卫星付之一炬,损失惨重。

战略资源与我国“贫氦”现状

氦气资源在世界范围内的分布非常不平均,美国是世界上氦资源最丰富的同家,虽然已大规模开采60多年,但氦气藏量仍占世界总储量的40%以上。根据美国地质调查局年的调查报告:美国、阿尔及利亚、卡塔尔和俄罗斯拥有世界89%的氦资源。美国的氦气资源预计约亿M3,卡塔尔亿M3,阿尔及利亚82亿M3,俄罗斯68亿M3,加拿大20亿M3。而我国氦气资源稀缺,氦气勘探进展缓慢、勘探程度低,资源量和储量情况不明。目前已发现氦气主要集中在中-西部盆地和东部郯庐断裂带两侧含油盆地。储量预测只有9亿M3。我国目前氦气基本依赖进口。

梵观点:当你从某宝买氦气罐来充气球玩时,请知道其实是在消耗一种战略资源。




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