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發(fā)現(xiàn)

首個證明氦存在的證據(jù)是太陽色球的發(fā)射光譜中的一條亮黃色譜線。1868年8月18日，法國天文學(xué)家皮埃爾·讓森在印度的貢土爾觀測日全食時，發(fā)現(xiàn)了這條波長為587.49 nm的譜線。 起初人們推測這條譜線來自鈉。同年10月20日，英國天文學(xué)家 約瑟夫·諾曼·洛克耶 （ 英語 ： Norman Lockyer ） 在太陽光譜中發(fā)現(xiàn)了一條黃線。由于這條譜線的波長和夫朗和斐譜線中鈉產(chǎn)生的D 1 線和D 2 的波長相似，洛克耶將其命名為D 3 線。 他還提出這條譜線來自太陽上的一種尚未在地球上發(fā)現(xiàn)的元素。洛克耶和英國化學(xué)家 愛德華·弗蘭克蘭 （ 英語 ： Edward Frankland ） 以希臘語中的?λιο?（ helios ，意為“太陽”）一詞，將這一元素命名為Helium.

  氦的譜線

1882年，意大利物理學(xué)家 路易吉·帕爾米耶里 （ 英語 ： Luigi Palmieri ） 在分析維蘇威火山的巖漿時發(fā)現(xiàn)了氦的D 3 線，這是氦在地球上的首次發(fā)現(xiàn)記錄。

  地層氦的發(fā)現(xiàn)者威廉·拉姆齊爵士

1895年3月26日，蘇格蘭化學(xué)家威廉·拉姆齊爵士將 釔鈾礦 （ 英語 ： cleveite ） （一種瀝青鈾礦，其質(zhì)量的10%為稀土元素）用酸處理，首次在地球上分離出氦。拉姆齊當(dāng)時在尋找氬，他用硫酸處理礦物，分離釋放出的氣體中的氮和氧。在剩下的氣體中，他發(fā)現(xiàn)了一條和太陽光譜中的D 3 線吻合的黃色譜線。 洛克耶和英國物理學(xué)家威廉·克魯克斯鑒定了這一氣體樣品，證明了它是氦氣。同一年，兩位化學(xué)家 皮·特奧多爾·克利夫 （ 英語 ： Per Teodor Cleve ） 和 尼爾斯·朗勒特 （ 英語 ： Abraham Langlet ） 在瑞典烏普薩拉獨(dú)立從釔鈾礦中分離出氦；他們收集的氦足以測定這一元素的原子量。 在拉姆齊分離氦之前，美國地質(zhì)化學(xué)家 威廉·弗朗西斯·希爾布蘭德 （ 英語 ： William Francis Hillebrand ） 同樣注意到一份瀝青鈾礦樣品中的一條不尋常的譜線，并從中分離出氦；但他認(rèn)為這些譜線來自氮?dú)?。他致拉姆齊的賀信是科學(xué)史上“發(fā)現(xiàn)”和“鄰近發(fā)現(xiàn)”的一個有趣例子。

1907年，歐內(nèi)斯特·盧瑟福與 托馬斯·羅伊茲 （ 英語 ： Thomas Royds ） 讓α粒子穿透玻璃壁進(jìn)入真空管，向管中放電后觀察管內(nèi)氣體的發(fā)射光譜，證明α粒子就是氦核。1908年，荷蘭物理學(xué)家海克·卡末林·昂內(nèi)斯將氦冷卻至不到1K的低溫，從而首次制得液態(tài)氦。 他還試著將氦固化，但是氦沒有固、液、氣三相平衡的三相點(diǎn)，因此他的嘗試沒有成功。1926年，昂內(nèi)斯的學(xué)生 威廉·亨德里克·科索姆 （ 英語 ： Willem Hendrik Keesom ） 在低溫下向氦加壓，制得了1 cm 的固態(tài)氦。

  處于超流相的液氦，會在杯身內(nèi)面向上緩慢攀爬，攀越過杯口，然后在杯身外面向下緩慢滑落，集結(jié)在一起，形成一滴液氦珠，最后滴落在下面的液氦里。這樣，液氦會一滴一滴的滴落，直到杯子完全流空為止。

1938年，蘇聯(lián)物理學(xué)家彼得·列昂尼多維奇·卡皮察發(fā)現(xiàn)氦-4在接近絕對零度時幾乎沒有粘度，從而發(fā)現(xiàn)了今天所說的超流體。 這一現(xiàn)象和玻色-愛因斯坦凝聚有關(guān)。1972年，美國物理學(xué)家道格拉斯·奧謝羅夫、戴維·李、以及羅伯特·科爾曼·理查森發(fā)現(xiàn)氦-3也有超流體現(xiàn)象，但所需的溫度比氦-4低得多。氦-3的超流體現(xiàn)象被認(rèn)為和氦-3費(fèi)米子配對形成玻色子有關(guān)，這種配對和超導(dǎo)體中電子形成的庫珀對類似。

名稱由來

在皮埃爾·讓森從太陽光譜中發(fā)現(xiàn)氦時，英國人洛克耶（J. N. Lockyer）和弗蘭克蘭（E. F. Frankland）認(rèn)為這種物質(zhì)在地球上還沒有發(fā)現(xiàn)，因此定名為“氦”（法文為 hélium ，英文為 helium ），源自希臘語 ?λιο? ，意為“太陽”。

在中文里，晚清時由傳教士創(chuàng)辦的益智書會譯作“氜”（讀作“日”），以表示從太陽光中發(fā)現(xiàn)的氣態(tài)元素。在1915年，由民國教育部頒布的《無機(jī)化學(xué)命名草案》則采用發(fā)音與英文更為一 致的“氦”，并沿用至今。  

分布

氦存在于整個宇宙中，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5.2萬分之一。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，氦是唯一不能在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下固化的物質(zhì)，也沒有三相點(diǎn)?；陬愃频脑?，氦在水中的溶解度也極小，20°C時每升水中僅能溶解8.61毫升。

液氦在溫度降至2.178K時，性質(zhì)會發(fā)生突變，粘度極小，能形成只有幾個原子厚度的薄膜，發(fā)生無粘度流動，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，直到兩邊液面等高。此時的氦熱傳導(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)是能穿透許多常見材料，如PVC、橡膠與大部分玻璃，所以玻璃杜瓦瓶無法用于液氦的操作 。

氦的化學(xué)性質(zhì)非常不活潑，一般狀態(tài)下不會和其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，目前檢測到的氦化合物僅痕量發(fā)現(xiàn)于質(zhì)譜中，且不穩(wěn)定 。

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)過焙燒，分離出氣體，再經(jīng)過化學(xué)方法，除去水蒸氣、氫氣和二氧化碳等雜質(zhì)提純出氦。

同位素

現(xiàn)時已知的氦同位素有八種，包括氦3、氦4、氦5、氦6、氦8等，但只有氦3和氦4是穩(wěn)定的，其余的均帶有放射性。在自然界中，氦同位素中以氦4占最多，多是從其他放射性物質(zhì)的α衰變放出α粒子（氦4原子核）而來。氦3的含量在地球上極少，而在月球上儲量巨大，它們均是由超重氫（氚）的β衰變所產(chǎn)生。

用途

  充滿氦氣，形似氦化學(xué)符號（He）的充氣放電管

由于氦很輕，而且不易燃，因此它可用于填充飛艇、氣球、溫度計(jì)、電子管、淺水夫等。也可用于原子反應(yīng)堆和加速器、激光器、冶煉和焊接時的保護(hù)氣體，還可用來填充燈泡和霓虹燈管，也用來制造泡沫塑料。

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）接近絕對零度（-273℃），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。

氦氣可以用于保存尸體

其他

對聲音的影響

因?yàn)楹鈧鞑ヂ曇舻乃俣炔畈欢酁榭諝獾娜?，這會改變?nèi)说穆晭У墓舱駪B(tài)，于是使得吸入氦氣的人說話的聲音的頻率變高。這個有趣的現(xiàn)象使得吸入氦氣的人說話尖聲細(xì)氣，就好像舊時代的卡通人物一樣 ，與吸入六氟化硫后聲音變粗正好相反。這種現(xiàn)象經(jīng)常被錯誤地解釋為音速的提高直接導(dǎo)致聲音頻率的增加，或者氦氣使得聲帶振動變快。

過度使用所產(chǎn)生的問題

需要注意的是，如果大量吸入氦氣，會造成體內(nèi)氧氣被氦取代，因而發(fā)生缺氧（呼吸反射是受體內(nèi)過量二氧化碳驅(qū)動，而對缺氧并不敏感），嚴(yán)重的甚至?xí)劳觥?015年1月28日，日本少女偶像團(tuán)體3B junior的一名成員在參加BS朝日的綜藝節(jié)目錄影時，因玩變聲游戲吸入氦氣后失去意識陷入昏迷，被送醫(yī)治療 。

另外，如果是由高壓氣瓶中直接吸入氦氣，那么其高流速就會嚴(yán)重地破壞肺部組織。大量而高壓的氦和氧會造成 高壓緊張癥候群 （ 英語 ： High pressure nervous syndrome ） ，不過少量的氮就能夠處理這個問題。

參考文獻(xiàn)

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