来自太阳的神秘588谱线

文章作者:管理一号 | 2019-03-13
字体大小:

来历:科学大院

元素周期表一百余号元素,咱们熟知排名榜首的氢,往往疏忽了排名第二的元素——氦(Helium),元素符号为He。其实,氦(He)是一个当之无愧的“瑰宝男孩”,无论是“想带你去浪漫的土耳其”的热气球填充气体、仍是沙巴芭堤雅潜水罐里的气体,都离不开氦气。这些都和氦气自身的特性离不开。今日,咱们就来聊聊这个“瑰宝男孩”——氦气。

元素周期表排名第二的元素——氦He (来历:视觉我国)

来自太阳的奥秘588谱线

英文中男性第三人称“他”也是He,跟氦相同——这可不是偶然,由于两个He都跟太阳有关。男性天然是阳性,跟太阳有关;氦是从对太阳的研讨中发现的。

法国天文学家Georges Rayet(1839-1906)(图片来历:维基百科)

1868年法国天文学家的杨森(Georges Rayet)运用分光镜调查太阳外表时,发现了新的黄色谱线。这个发现被他的法国同行简森(Pierre Janssen)确证之后写了篇paper提交给法国科学院。与此一起,专业研讨太阳的英国科学家洛克耶爵士(Sir Joseph Norman Lockyer)在伦敦也调查到了这条波长为588纳米的谱线。凭仗敏锐的洞察力,他揣度这是新元素,并以希腊语的Helios(太阳)对其命名为Helium。趁便,这位洛克耶,是《Nature》的创办者和首任修改。

英国科学家Sir Joseph Norman Lockyer(1836-1920),其时公认的太阳光谱专家,也是He的命名者 (图片来历:大英百科)

看见了,摸不着?这可不行!发现He之后的二十多年里,不同国家的科学家都在想办法从地球上寻觅这个元素。1895年春天,苏格兰化学家拉姆西爵士(Sir William Ramsay)从钇铀矿石里首要得到了氦气。其时拉姆西想弄点氩气,他用酸处理矿石后得到些气体,然后他把气体中的氮气和氧气除去,用光谱法检测剩余的气体,居然发现了588纳米的谱带。他把这份气体样品交给近水楼台先得月的洛克耶爵士剖析,洛克耶承认这就是他命名的He。

 

苏格兰化学家Sir William Ramsay(1852-1916),曾获1904年诺贝尔化学奖。他是首个发现地球上存在He元素的科学家 (图片来历:维基百科)

差不多相一起刻,瑞典一对科研好基友也在研讨钇铀矿,克莱夫(Per Teodor Cleve)和兰吉特(Abraham Langlet)一同独立别离了很多高纯度的氦气,而且准确测定了分子量。对了,钇铀矿的英文是cleveite,看来克莱夫命中注定得在He的别离史上记载一笔。

还有个美国人就比较倒运了。化学家希勒布兰德(William Francis Hillebrand)在研讨钠铀矿的时分也得到了氦气,而且还留意到了反常的588纳米谱线。可是他却把谱线归属给了氮气,然后失去氦气别离者的时机。不读文献害死人啊,同志们!当然了,这位希勒布兰德其实也是大牛,家世显赫的他,初次别离了纯铈(Ce,Cerium)。

什么?世界大爆炸发作了He?

仔细的小伙伴们必定留意到了,怎样氦气都是从放射性矿藏中得到啊?要回答这个问题,就得从氦的特性说起了。

氦是世界中第二多也是第二轻的元素,氢是榜首多也是榜首轻——大约占世界总物质的24%。这些氦主要是氦-4,其核子具有比较高的结合能,所以核聚变和放射性衰变都会发作氦-4。从来历上看,绝大部分氦直接发作于世界大爆炸的一会儿,还有少数归于星球核聚变反响的产品,再有极少的一点点来历于放射性α衰变(α粒子就是氦-4的原子核)。正因如此,处理放射性矿藏的时分,会得到少数的氦气;仍是由于如此,氦气实际上归于不行再生资源。

世界大爆炸示意图

尽管在全世界中的丰度很高,但地球上的氦气却十分名贵。一起,由于氦气真实太轻了,地球引力拉不住,一旦被从地壳中释放出来,就会飞快逃逸到太空里。这样只出不进又无法再生,更令地球上的氦显得弥足珍贵。

元素周期兄弟中最高(duo)冷(xing)的大哥

如同该聊聊氦的化学性质。

作为慵懒气体排名榜首的带头大哥,氦适当高(duo)冷(xing),是一切已知元素中最不生动的。原因很简单,由于氦原子真实太小了,原子核到安稳电子层的间隔十分短,所以氦具有最大的电离能和零亲和能,电子得失极不简单发作。没有得失心,那就天然稳如泰山喽~咱们要向氦多多学习。

凭仗范德华力,氦能构成一些短寿的化合物,比方LiHe和He2。假如考虑到带电粒子,HeH⁺可是现在人类已知的最强酸,惋惜这儿的氦只能以离子方式存在。

南开大学王慧田、周向锋团队组成Na₂He的论文宣布在《天然·化学》上

2017年2月6日,我国南开大学的王慧田、周向锋团队及其合作者在《天然·化学》上宣布了有关在高压条件下组成氦钠化合物——Na₂He的论文,完毕了氦元素无安稳化合物的前史,标志着我国在稀有气体化学范畴走到了最前沿。他们在110万倍大气压下得到了该化合物,而且用单晶衍射证明其结构。该作业证明了高压下He会具有弱的化学活性可以与在高压下还原性明显增强的Na构成化合物。

低温凝结?不存在的

其实,用低冷来描述氦恐怕愈加适宜。氦的沸点是一切人类已知物质中最低的,所以常常被用来制作超低温环境。靠氦的协助来研讨低温下不同物质的性质,就发作了物理学的新分支——低温物理学。

不跑题,咱只说说氦的低温性质。

对氦的超低温研讨追溯到一百多年前。1907年德国物理学家海克·昂内斯(Heike Kamerlingh Onnes)把氦气一向冷至不到1 K(低于零下272.15℃),得到了液氦——还买一赠一:在氦沸点4.22 K到2.18 K之间,液氦是看上去正常的无色液体氦 I,跟其他低温液体比方液氮相同,此刻的液氦遇热也会欢腾冒泡;温度更低的时分,液氦就变成另一种形状——氦 II。

液氮作业温度规模 (图片来历:http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu)

氦 II有一些好玩的性质。首要它遇热不再欢腾,而是直接从外表蒸腾。这是由于氦 II的导热性是人类已知物质中最强的。一般物体的导热依托的是价电子,氦 II压根儿没这玩意儿,在量子机制下,暖流只能以波的方式在其间传导,类似于声波在空气中的传达。所以这种现象也叫第二声响(second sound)。

流体He (图片来历:维基百科)

超流体(superfluid)恐怕是氦 II最广为人知的标签了——除了低温之外。氦 II的黏度为零,很惯性地想,氦 II可以活动经过极细孔径的管道。海克在一百年前还发现超流体氦 II的另一个现象:把一个小玻璃杯按在氦Ⅱ中。玻璃杯由空的逐渐装满了。把这个盛着液态氦的小玻璃杯提出来,挂在半空时,玻璃杯底下呈现了液氦,不一会,杯中的液态氦就“漏”光了——这就是超流体的超活动性(superfluidity)。

液氦这么风趣,是不是固氦会更好玩啊?对这个问题,海克也特别想知道,尽管后来拿到诺奖,但很惋惜,他没能拿到固氦。这不能怪他手工不精,到现在为止,在人类能到达的极限低温0.000001 K下,常压氦仍然是液体。幸而海克有个好学生基萨摩(Willem Hendrik Keesom),小伙在1926年给低温液氦加上压力,总算拿到了1立方厘米的固氦。学术薪火相传,可喜可叹!

超低温下大显神通

聊了半响,氦到底有什么用啊?

氦的化学性质很不生动,所以对它的运用,都是运用其物理性质。氦很轻,又慵懒,可以用来填充气球和飞艇,安全可靠;慵懒气体都可以用来填充霓虹灯管,氦也不破例;各种需求维护气的当地,氦也能大显神通;还有,氦气是人类已知在水中溶解性最差的气体,可以用来加到潜水员的氧气罐里代替氮气,避免减压病;……当然,现在运用最多的,仍是液氦。

液氦为核磁共振供给超低温作业环境 (图源:视觉我国)

咱们前面提到过液氦带来的低温物理学,这门学识的一大分支就是研讨超导。依托液氦供给的超导环境,其最大用处是支撑医学成像工业,特别是磁共振成像MRI,以及化学生物资料方面的高端剖析。这些剖析手法在技能上都需求十分强的磁场,一般导体在高电流下发作强磁场是无法完成的,而超导体对电子的活动没有阻力,有才能发作巨大的磁场,然后完成高分辨率的成像。假如没有液氦供给的低达4.2K的超低温度,超导体就不行能发作。(相关链接:人类的超导发现史)

最近几十年,医疗技能飞速进步,科研手法也一日千里,全世界对核磁共振的需求呈指数级添加。相应的,对液氦的需求也暴增。可是氦气的挖掘却产能缺乏,人类在张狂吃老本。2016年中的数据显现,氦的全球耗费量大约是每年80亿立方英尺,但在全球氦气的最大供应国美国,现有的国家储藏仅剩余242亿立方英尺。美国探明的总储量也只要大约1530亿立方英尺。氦气的缺少,比石油缺少来的还会快。更让人心忧的是,氦气简直是无法代替的。

到月球去——踏上寻觅氦气之旅

氦在热核物理方面还存在理论上十分巨大的运用远景。当温度到达1亿K时,氦就被“点着”:三个氦原子核聚组成一个碳原子核;生成的碳原子核又可吸收一个氦原子核,变为氧原子核:氧原子核还可吸收一个氦原子核,生成氖原子核,不过发作这一反响的概率很低;氖原子核进一步吸收氦原子核的概率就更低至疏忽不计。

太阳上的氢被耗费完后,中心将发作坍缩导致温度上升,当中心的温度到达1亿K时,氦聚变将开端进行并生成很多碳。由于此刻的氦中心现已适当于一个小型“白矮星”(电子简并态),热失控的氦聚变将导致氦闪。贺岁档大热影片《漂泊地球》的原著小说里,根底设定就是人类面对太阳氦闪。当然,太阳真实氦闪得要等至少60亿年,小说里明显把这个时刻提早了。(相关链接:《漂泊地球》中的科学:太阳何时吞并地球?科学家们现已给出时刻表)

2019年贺岁档影片《漂泊地球》中人类面对太阳氦闪

五十年又五十年,可控核聚变的运用现已成为核物理范畴的老段子。其技能难点之一就是氢核氘氚的聚变尽管质料廉价,可是会发作很多高能中子,对反响设备发作严峻的放射性损害。假如能用氦的同位素He-3作为核聚变质料,将会有更多优点:反响发作的能量更大;聚变发作质子而不是中子,质料He-3自身没有放射性,更安全更环保;反响进程易于控制。He-3的核聚变,也被称为终极聚变。

嫦娥四号着陆器五颜六色全景图 (图片来历:http://www.spacechina.com)

但问题是,氦自身现已很稀有,He-3就更少了。全球可提取的He-3总量大约只要15-20吨。不过,月球地壳浅层中He-3储量极为丰厚,保存估量在100万吨以上。以人类现在的能量耗费,100吨He-3满足全世界运用一年,8-10吨就够我国运用一年。嫦娥四号探月的意图之一就是了解月球上He-3的详细情况。理论上来说,月球反面更简单发作He-3,所以咱们的探测器在月球反面着陆。人类在太阳中发现了氦,却到月亮上持续寻觅它。(相关链接:嫦娥四号着陆月球,十大亮点通知你到底有多牛!)

不过,间隔人类可以运用月球的He-3,恐怕还有很长一段时刻——期望不是五十年又五十年——所以,在此之前,咱们除了仰视明月之外,还得要留意善待氦气,爱惜氦气。这话好像说了也白说……究竟一般人也简直没时机触摸氦气。但白说我也得说,由于不说白不说。这意思,你懂的。

Copyright © 2009-2018 外星探索www.ufo-1.cn 版权所有 关于我们| 法律声明| 免责声明| 隐私条款| 广告服务| 在线投稿| 联系我们| 不良信息举报