“太阳元素”贵得没道理

2009-09-10 08:46:40

来源: 时代在线网

1868年8月18日，即中国的捻军全军覆灭后两天，法国天文学家彼埃尔•让桑（Pierre Janssen）在印度南部观测日全食时，意外发现太阳光谱里面有一条陌生的明亮黄线。那次日全食的观测条件比今年中国的这次略好一点，乌云是等日全食结束之后才布满天空的。第二天阴云散尽，让桑试着再次观察太阳光谱，惊喜地发现那条陌生的黄线还在原来的位置上。

“骇”人的元素非常懒惰

一个月之后，让桑把自己的观察写成报告投寄出去。可惜当时没有飞机，这报告用了两个月时间才到达法国，那时候英国天文学家约瑟夫·洛基尔（Joseph Lockyer）—后来成为著名科学杂志《自然》的创办人和第一位主编—也独立地发现了这条黄线，还猜测它是一种太阳独有的新元素发出的。洛基尔把这种元素命名为“氦”，这个中文名听上去貌似挺“骇”人，但它其实是英语helium（来自希腊语“太阳”）一词首音节的音译。

如果说“太阳元素”的发现让科学界惊到九分，那么当1895年英国化学家威廉·拉姆塞（William Ramsay）从一种含铀矿物中分离到氦的时候，“太阳元素竟然在地球上存在”的消息就让科学界惊到十分了。人们这才知道，原来氦是一种惰性气体，几乎不能和其他任何元素化合，而且极难液化。在常压下把温度降到-253°C，多数气体都会凝结，氦气却依然如故。只有在-269°C低温的淫威下，氦气才乖乖就范。

也许你会感到意外，氦气最主要的来源不是空气，而是天然气。原来氦气在干燥空气中含量极微，平均只有百万分之五，天然气中最高则可含7.5%的氦，是空气的一万五千倍。可是这种高氦的天然气矿藏并不多，因为天然气中的氦气是铀之类的放射性元素衰变的产物。只有在天然气矿附近有铀矿时，氦气才能在天然气中汇集。这种鱼与熊掌兼得的美事有一半多都被美国占去了，现在美国生产的氦气要占世界总产量的80%以上。中国虽然也有一定的天然气资源，可是到目前为止，唯有四川自贡威远的气田曾得到提氦利用，其中的氦含量只有0.2%，而且现在已经枯竭。今天中国的氦气几乎都需要进口，由于近两年价格攀升，一般商用的液氦竟然卖到了每升200元。这也就是说，假如你呼出的气都是氦气，那么在安静状态下你呼出的每一口气都值100元！

缺乏氦气的后果

其实如果地球上没有氦，也许我们的生活并不会受到太大的影响。氦气的密度要比空气小得多，所以如果往气球和飞艇里充入氦气，气球和飞艇会冉冉升起，让我们不用坐飞机也能实现飞到空中的梦想。可是如果我们没有氦气球和氦气飞艇，起码还有氢气、热气气球和飞艇。当然，因为氢气和空气混合后会爆炸，所以氢气球和氢气飞艇并不安全。氢气飞艇曾经被当做大型载人飞行器使用，但是在1937年德国的“兴登堡号”飞艇在美国着陆时不慎着火爆炸之后，它就彻底退出了历史舞台。不过，热气球和热气飞艇还是比较安全的，而且飞行一次的花费也比较便宜。

潜水员常常要使用氦气和氧气混合而成的人造空气。这是因为在水下的高压环境下，氮气会溶解在血液中，当潜水员上浮的时候压力减小，血中的氮气便纷纷逸出，形成气泡堵塞血管，使潜水员患上极为难受的“减压症”。氦气在高压下也难溶于水，所以用它来代替氮气就可以解决这个问题。不过如果我们没有氦气，我们还可以用氖气—它在高压下也难溶于水。

氦气在电焊、硅晶片生产中还可以用做保护气，它可以隔绝氧气，避免电焊工件、单质硅和氧气发生讨厌的化学反应。据美国政府有关部门统计，2000年美国消耗的所有氦气中，有18%用在了焊接上，还有16%用作其他工业的保护气。不过如果没有氦气，氩气一样可以出色地完成服务，而且还便宜得多。

几国欢笑几国愁

要说缺乏氦气最严重的后果，也无非是严重阻碍低温技术的应用，其中受到最大影响的就是低温超导技术了。现在已知所有的超导材料都要在-130°C以下的低温中才能表现出超导特性，其中应用最广泛的那几种（比如Nb3Sn）更是需要比液氢的沸点还低的转变温度，这时候只有液氦能比较简便地实现这样的极低温。虽然我们完全可以用别的办法实现同样的低温，但都不如液氦实惠。显然，假如我们没有氦，低温超导技术的普及就会受到严重的阻碍；低温超导技术如果不能普及，医院就会用不起核磁共振成像仪（它需要超导材料制造强磁场）。不过说实在的，在医学上，核磁共振成像仪只不过是诊断病症的一种工具罢了。即使没有这个工具，我想我们总不至于永远诊断不了疾病吧……

可是，上面这些都只不过是些“假如”罢了。事实是地球上偏偏要有这种“太阳元素”矿产，结果就是“几国欢笑几国愁”。这也算是人类的宿命吧。