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2014年8月19日 星期二

氦是太陽首個證明在的證據氦存色球的發射光譜中的一條亮黃色譜線。1868年8月18日,法國天文學家皮埃爾·讓森在印度的貢土爾觀測日全食時,發現了這條波長為587.49 nm的譜線

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2He
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外觀
無色氣體,高壓電場下發橙紅色光


氦的譜線
概況
名稱·符號·序數氦(helium)·He·2
元素類別稀有氣體
·週期·18·1·s
標準原子質量4.002602(2)
電子排布
1s2
2
氦的電子層(2)
歷史
發現皮埃爾·讓森約瑟夫·諾曼·洛克耶(1868年)
分離威廉·拉姆齊皮·特奧多爾·克利夫尼爾斯·朗勒特(1895年)
物理性質
物態氣態
密度(0 °C, 101.325 kPa
0.1786 g/L
熔點時液體密度0.145 g·cm−3
沸點時液體密度0.125 g·cm−3
熔點(at 2.5 MPa) 0.95 K,−272.20 °C,−457.96 °F
沸點4.222 K,−268.928 °C,−452.070°F
三相點2.177 K(-271 °C),5.043 kPa
臨界點5.1953 K,0.22746 MPa
熔化熱0.0138 kJ·mol−1
汽化熱0.0829 kJ·mol−1
比熱容5R/2 = 20.786 J·mol−1·K−1
蒸汽壓((由ITS-90定義))
壓(Pa)1101001 k10 k100 k
溫(K)  1.231.672.484.21
原子性質
氧化態0
電負性N/A(鮑林標度)
電離能
第一:2372.3 kJ·mol−1
第二:5250.5 kJ·mol−1
共價半徑28 pm
范德華半徑140 pm
雜項
晶體結構
六方最密堆積
磁序抗磁性[1]
熱導率0.1513 W·m−1·K−1
聲速972 m·s−1
CAS號7440-59-7
最穩定同位素
主條目:氦的同位素
同位素豐度半衰期方式能量MeV產物
3He0.000137%*穩定,帶1個中子
4He99.999863%*穩定,帶2個中子
  • 為大氣層中的數值;其它地方可能有所不同。
Helium,舊譯作)是一種化學元素,其化學符號He原子序數是2,是一種無色的惰性氣體,放電時發深黃色的光。在常溫下,氦是一種極輕的無色、無臭、無味的單原子氣體。氦在空氣中含量較少,但在宇宙中是第二豐富的元素,在銀河系佔24%。

發現[編輯]

太陽首個證明在的證據氦存色球的發射光譜中的一條亮黃色譜線。1868年8月18日,法國天文學家皮埃爾·讓森印度貢土爾觀測日全食時,發現了這條波長為587.49 nm的譜線。[2][3]起初人們推測這條譜線來自。同年10月20日,英國天文學家約瑟夫·諾曼·洛克耶在太陽光譜中發現了一條黃線。由於這條譜線的波長和夫朗和斐譜線產生的D1線和D2的波長相似,洛克耶將其命名為D3線。[4]他還提出這條譜線來自太陽上的一種尚未在地球上發現的元素。洛克耶和英國化學家愛德華·弗蘭克蘭以希臘語中的ἥλιος(helios,意為「太陽」)一詞,將這一元素命名為Helium.[5][6][7]
光譜圖,特別標出了亮黃色、藍色和紫色譜線。
氦的譜線
1882年,義大利物理學家路易吉·帕爾米耶里在分析維蘇威火山岩漿時發現了氦的D3線,這是氦在地球上的首次發現記錄。[8]
地層氦的發現者威廉·拉姆齊爵士
1895年3月26日,蘇格蘭化學家威廉·拉姆齊爵士將釔鈾礦(一種瀝青鈾礦,其質量的10%為稀土元素)用處理,首次在地球上分離出氦。拉姆齊當時在尋找,他用硫酸處理礦物,分離釋放出的氣體中的。在剩下的氣體中,他發現了一條和太陽光譜中的D3線吻合的黃色譜線。[4][9][10][11]洛克耶和英國物理學家威廉·克魯克斯鑒定了這一氣體樣品,證明了它是氦氣。同一年,兩位化學家皮·特奧多爾·克利夫尼爾斯·朗勒特在瑞典烏普薩拉獨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[3][12][13]在拉姆齊分離氦之前,美國地質化學家威廉·弗朗西斯·希爾布蘭德同樣注意到一份瀝青鈾礦樣品中的一條不尋常的譜線,並從中分離出氦;但他認為這些譜線來自氮氣。他致拉姆齊的賀信是科學史上「發現」和「鄰近發現」的一個有趣例子。[14]
1907年,歐內斯特·盧瑟福托馬斯·羅伊茲α粒子穿透玻璃壁進入真空管,向管中放電後觀察管內氣體的發射光譜,證明α粒子就是氦。1908年,荷蘭物理學家海克·卡末林·昂內斯將氦冷卻至不到1K的低溫,從而首次製得液態氦。[15]他還試著將氦固化,但是氦沒有固、液、氣三相平衡的三相點,因此他的嘗試沒有成功。1926年,昂內斯的學生威廉·亨德里克·科索姆在低溫下向氦加壓,製得了1 cm3的固態氦。[16]
1938年,蘇聯物理學家彼得·列昂尼多維奇·卡皮察發現氦-4在接近絕對零度時幾乎沒有粘度,從而發現了今天所說的超流體[17]這一現象和玻色-愛因斯坦凝聚有關。1972年,美國物理學家道格拉斯·奧謝羅夫戴維·李、以及羅伯特·科爾曼·理查森發現氦-3也有超流體現象,但所需的溫度比氦-4低得多。氦-3的超流體現象被認為和氦-3費米子配對形成玻色子有關,這種配對和超導體中電子形成的庫珀對類似。[18]

名稱由來[編輯]

在皮埃爾·讓森從太陽光譜中發現氦時,英國人洛克耶(J. N. Lockyer)和弗蘭克蘭(E. F. Frankland)認為這種物質在地球上還沒有發現,因此定名為「氦」(法文hélium英文helium),源自希臘語ήλιος,意為「太陽」。
在中文裡,晚清時由傳教士創辦的益智書會譯作「氜」(讀作「日」),以表示從太陽光中發現的氣態元素。在1915年,由民國教育部頒布的《無機化學命名草案》則採用發音與英文更為一 致的「氦」,並沿用至今。[19]

分布[編輯]

氦存在於整個宇宙中,按質量計佔23%。但在自然界中主要存在於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衰變的產物。氦在某些天然氣中含有在經濟上值得提取的量,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,大約佔整個體積的0.0005%,密度只有空氣的7.2分之一,是除了以外密度最小的氣體。

性質[編輯]

氦氣是所有氣體中最難液化的,沸點僅為4.22K,這源於氦極低的極性。同時,氦是唯一不能在標準大氣壓下固化的物質,也沒有三相點。基於類似的原因,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2.18K時,性質會發生突變,粘度極小,成為一種超流體,稱為氦(II),正常的液氦稱作氦(I)。氦(II)能沿容器壁向上流動,直到兩邊液面等高。此時的氦熱傳導性為的800倍,成為導熱性能極佳的熱導體,其比熱容表面張力壓縮性都是反常的。液氦的另一重要性質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於液氦的操作[20]
氦的化學性質非常不活潑,一般狀態下不會和其他物質發生反應,目前檢測到的氦化合物僅痕量發現於質譜中,且不穩定[21]

製備[編輯]

  1. 天然氣分離法:工業上,主要以含有氦的天然氣為原料,反覆進行液化分餾,然後利用活性炭進行吸附提純,得到純氦。
  2. 合成氨法:在合成中,從尾氣經分離提純可得氦。
  3. 空氣分餾法:從液態空氣中用分餾法從氖氦混合氣中提出。
  4. 鈾礦石法:將含氦的鈾礦石經過焙燒,分離出氣體,再經過化學方法,除去水蒸氣、氫氣和二氧化碳等雜質提純出氦。

同位素[編輯]

現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是穩定的,其餘的均帶有放射性。在自然界中,氦同位素中以氦4佔最多,多是從其他放射性物質的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()的β衰變所產生。

用途[編輯]

充滿氦氣,形似氦化學符號(He)的充氣放電管
由於氦很輕,而且不易燃,因此它可用於填充飛艇、氣球、溫度計電子管、潛水服等。也可用於原子反應爐和加速器、雷射器、冶煉和焊接時的保護氣體,還可用來填充燈泡和霓虹燈管,也用來製造泡沫塑料。
由於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,或用於治療氣喘和窒息。
液體氦的溫度(-268.93 °C)接近絕對零度(-273℃),因此它在超導研究中用作超流體,製造超導材料。液態氦還常用做冷卻劑和製冷劑。在醫學中,用於氬氦刀以治療癌症
它還可以用作人造大氣層和鐳射媒體的組成部分。
氦氣可以用於保存屍體毛澤東水晶棺內的氣體即為氦氣[22]

其他[編輯]

對聲音的影響[編輯]

因為氦氣傳播聲音的速度差不多為空氣的三倍,這會改變人的聲帶的共振態,於是使得吸入氦氣的人說話的聲音的頻率變高。這個有趣的現象使得吸入氦氣的人說話尖聲細氣,就好像舊時代的卡通人物一樣[23],與吸入六氟化硫後聲音變粗正好相反。這種現象經常被錯誤地解釋為音速的提高直接導致聲音頻率的增加,或者氦氣使得聲帶振動變快。

過度使用所產生的問題[編輯]

需要注意的是,如果大量吸入氦氣,會造成體內氧氣被氦取代,因而發生缺氧(呼吸反射是受體內過量二氧化碳驅動,而對缺氧並不敏感),嚴重的甚至會死亡。 另外,如果是由高壓氣瓶中直接吸入氦氣,那麼其高流速就會嚴重地破壞肺部組織。 大量而高壓的氦和氧會造成高壓緊張症候群,不過少量的就能夠處理這個問題。

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