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氦气发现150周年 小氦气竟有大用途

逍遥摘要:氦气是一种很有意思的物质。填进气球里,便能让气球高高升空;吸进嘴巴里,就能变出唐老鸭那般搞笑的嗓音。不过吸氦气可不是什么明智之举,因为它可以取代我们肺中的氧气、或引发其它呼吸道问题。

除了这两点作用之外,氦气还有什么用处?它有没有可能用完呢?氦气是一种气体,与人类几乎毫无共同之处,但彼此都离不开对方。现代经济需要依赖氦气,氦气也需要我们寻找更好的保护手段、防止被我们彻底用完。

氦气是一种惰性气体,由法国天文学家朱尔斯·让森(Jules Janssen)在1868年8月18日的全日食期间发现。当时人们尚未在地球上发现过这种元素,因此让森用太阳(helios)为其命名,称其为氦(helium)。自此之后,科学家围绕氦取得了许多重要进步,如医学和天体物理学等领域使用的现代分析工具、我们日常使用的手机等等,这些物品的生产过程都离不开氦气。氦气的独特物理特性还帮助全世界的科学家做出了许多重大发现,对国际社会助益良多。

氦气发现150周年 小氦气竟有大用途

地球上的氦供应是有限的

你可能还记得,几年前曾经出现过关于全球氦供应量有限的报道。类似的消息也在这几年间的周期性报告中屡屡出现。那么,这一危机值得引起人们的重视吗?

氦早在宇宙形成之初、宇宙大爆炸须臾之后便已经诞生,至今已有数十亿年的历史。它是宇宙中第二轻、也是第二常见的元素,仅次于氢气。但地球上的氦并不多,含量仅为百万分之几。问题在于,氦原子核太轻,不足以被地球引力所牵制。一旦氦气进入大气,就会逃逸到宇宙中,在太阳风的“吹拂”下随风而去。

虽然地球上的氦一直在减少,但直到不久之前,氦储量都非常充足。大多数氦都是在宇宙大爆炸时形成的。铀和钍等放射性元素可衰变成更小的碎片或粒子,其中也包括α粒子。这些粒子便是失去电子后的高能氦原子。在这种衰变过程中,放射性元素分裂成若干碎片,同时释放出能量,因此名为裂变。

放射性元素的衰变可以弥补通过大气损失的氦。裂变生成的氦主要储存于多种矿石中,在天然形成的大型蓄气池中大量聚积,如位于美国德克萨斯州的国家氦气池。但这种天然过程需经历成千上万年,产出的氦气量才能达到商业提取价值。

氦气发现150周年 小氦气竟有大用途

我们为何需要氦气

氦原子核质量只有4,仅由两个质子和两个中子构成,是一种非常稳定的元素。氦最重要的特性包括:极难发生化学反应、不具有放射性、不可燃烧、无毒,最关键的一点是,它的沸点低至4.2开尔文,即零下268摄氏度,十分接近宇宙中的温度下限——绝对零度。其它元素在该温度下都不可能保持液体状态。氦气是目前唯一一种具有这些特性、且能够为我们所用的的物质。

氦的价格相对来说并不贵。很多工业应用根本找不到更合适的替代品。对航天、国防科技、高科技制造业、火箭引擎测试、焊接、商业潜水、粒子加速器磁铁、光纤、半导体芯片而言,氦气的作用都不可或缺。

然而,氦气最重要的用途还当属医学成像,尤其是磁共振成像技术(MRI),以及利用高强度磁场的核磁共振技术(NMR)。若不是因为氦气沸点极低,这些技术都不可能诞生。

超导体材料是磁共振和核磁共振设备的关键,而这些材料在4.2开尔文的温度下才能保持稳定。电子从材料中流过、产生电流时,大多数材料都会产生电阻,这对磁装置而言是一大问题。我们使用的每一样电子设备、以及运输电力的所有基础设施都会因为电阻损失能量。由于电阻的存在,很难用高强度电流产生高强磁场。然而超导体却不会阻碍电子的流动,因此能产生极强的磁场,可以进行高分辨率医学成像。但超导体材料要想发挥正常功能,就必须被放置在超低温环境中。这也正是液氦不可或缺的原因。

氦气发现150周年 小氦气竟有大用途

氦与超导体

把一圈导线缠绕在特制的超导材料上,再将其放置在液氦中,冷却至4.2开尔文、甚至更低,便可达到超导体所需的特殊温度条件,再向线圈中通入高强度电流。目前最大的稳定磁场位于美国佛罗里达大学国家高强磁场实验室,由一块超导磁铁产生,磁场强度足足高达地球磁场的150万倍。

科学家们会利用核磁共振技术分析实验室中发现的新材料的物理特性。有些材料后来被研发成了药品,如能够解决全球健康问题的新型抗生素;有些则被研发成了能够回收利用的绿色建筑材料。能源领域也取得了不少进步,研发出了更小、更便携、能量更高的电池,或可减少我们对碳燃料的依赖。但核磁共振技术目前仍需要大量液氦,这点在短时间内暂时无法改变。

幸运的是,我们已经知道了如何更好地保护剩下的氦储备,并且在不断发现新的氦气池。我们明白了如何在氦逃逸到太空中之前予以回收利用,也开始研究能够在更高温度下运行的超导体。这些工作都费时费力、成本高昂,而且回收氦还需要大量化石能源提供的能量。

与此同时,我们还要寻找更多的氦气来源,并找到更好的回收途径。我们可以从少买几个氦气球这样的小事做起。下次放飞氦气球之前,不妨三思而后行。

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