全球各地「氦荒」頻發，這種神奇的物質為何不可或缺？

知識 06-16

近期，全球氦資源嚴峻的供應形勢引起了各國媒體的集中關注。特別是液氦嚴重依賴進口，且使用量又極大的日本，更是陷入了空前的「氦危機」。利用液氦進行相關科學研究的機構受到的衝擊最大，甚至日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）都宣布由於不能確保探空氣球所用的足量氦，相關實驗計劃將不得不變更乃至中止。

那麼，氦到底是一種怎樣的物質？我們可以從什麼途徑獲得氦？液氦對於工業界和科研界有什麼重要意義？人類又將如何面對未來的氦資源短缺？這篇文章將為大家介紹有關氦的方方面面。

氦的發現和命名

19世紀60年代，人類已初步掌握了通過對來自天體的光譜進行分析以獲知天體中所含元素的技術。早期，科學家們主要利用這項技術研究太陽中的元素成分，英國科學家諾曼?洛克耶就是其中之一。1868年，他在進行日食觀測的同時，發現太陽光譜中含有一條未知的譜線，從而推定這是一種全新的元素。他以希臘語中表示太陽的單詞helios作為語源，將這種元素命名為Helium。

最初，諾曼?洛克耶認為這種元素會是一種金屬元素，因此用代表金屬的後綴-ium對其進行命名。實際上，與氦同族的稀有氣體全部都以-on結尾，例如氬（Argon）、氖（Neon）、氪（Krypton）以及氙（Xenon）等。雖然一直有聲音希望將氦的英文拼寫改為與同族元素類似的Helion，但直到今日，英文中仍然沿用著氦最初的名稱Helium。

除了最早發現並命名氦，諾曼?洛克耶對太陽黑子的研究也處於同時代學者的前列。此外，他還創辦了一本致力於報道前沿科技進展的周刊，這本雜誌叫做《自然》。

今天，人們已經知道宇宙中存在著大量的氦，總量約佔到宇宙元素總質量的四分之一，大部分氦產生於宇宙大爆炸的過程。同時，恆星進行的熱核反應也在不斷地將氫元素合成為氦元素。雖然在19世紀末期，人類就已經證實地球上也存在氦元素，但是氦在地球上的含量極為稀少。空氣中的氦元素含量只有百萬分之五，地殼中也僅僅只有某些含有放射性元素的礦物中存在微量的氦。

氦：集合眾多奇妙性質於一身

氦屬於周期表中的VIII族，同族元素皆為稀有氣體，具有化學性質穩定，幾乎不與其它元素髮生化學反應的特點。氦的氣體形態——氦氣，是一種無色無味無臭且無刺激性的氣體，密度大約只有空氣的七分之一，幾乎不溶於水。

惰性和極輕的特點，讓氦取代極度易燃易爆的氫成為氣球和飛艇的首選填充氣體。不過由於氦氣單個分子（其實是氦原子）的體積極小，氦氣球在一定時間後會發生萎縮的可能，並非是因為充氣口沒有紮緊，而是氦氣分子會逐漸從氣球橡膠皮的縫隙中散失到外部。其原子體積小、易於泄漏的特點也讓氦氣成為進行管路密封性精密檢查的可靠手段之一。

液體形態的氦即為液氦，是一種無色透明的液體，密度大約是水的八分之一。液氦沸點約為零下269攝氏度（4?K），是所有元素中最低的。在其它元素都會固化的絕對零度（零下273.15攝氏度，0?K）附近，如果維持常壓，氦仍然會保持液體形態，加壓後才能形成固體。

液氦極低的沸點令其成為了人類手中最強大的冷卻劑。1911年，荷蘭物理學家卡麥林·昂納斯在利用液氦研究低溫下金屬性質時意外發現了超導現象（指材料在低於某一溫度時，電阻變為零的現象，其特徵是零電阻性和完全抗磁性）。此後，超導在人類前沿科技領域中的地位不斷得到加強。如今，人們在很多時候仍然需要用液氦超低溫的特性來冷卻超導磁鐵，以使之維持超導狀態，進行超導實驗。

氦，居然是一種來自地下的礦藏？

理論上來說，儘管空氣中氦的含量十分微小（約百萬分之五），但總量龐大的空氣中卻擁有幾乎無盡的氦。然而，工業生產中所用到的氦卻並非來自於分離提純空氣。此外，由於本身結構極為簡單，且化學性質穩定，氦氣也無法通過化學反應方法得以製備。那麼，人類所用的氦到底從何而來？答案是地下！從某種程度上來說，氦是一種礦藏。

不穩定重元素髮生衰變時經常會釋放出的氦，而地下的岩石中就存在有一定數量的鈾和鈈等放射性元素，它們在漫長的地質年代裡不斷發生衰變，同時向周圍的地層中不斷釋放氦。這些氦在逐漸向地表淺層擴散的過程中，如果遇到較為密實且地殼變動較少的岩層，擴散就會遭到阻礙，並在這些岩層下方逐漸積存。

類似的地質條件同樣會有利於天然氣的積存，最終形成天然氣田。因此，氦其實是一種天然氣採集過程中的副產物。世界各地的天然氣田中都存在著或多或少的氦成分，一般來說，氣田中氦含量超過0.3%就已經可以進行商業開採了，而目前世界上發現的不少富氦氣田中氦含量甚至達到了5～10%。

決定氣田中氦含量的主要是地層的結構穩定性，畢竟對於氦這種極易泄漏的氣體而言，規模輕微的地質運動都可能會加速它們的散逸。因此，世界上絕大多數富氦氣田都存在於地質結構較為穩定的大陸內部。美國、俄羅斯、加拿大和波蘭都屬於這種情況。而阿爾及利亞和卡達雖然並非內陸，但由於本身擁有的天然氣儲量較大，也具有一定的氦生產能力。以上六國加上法國和澳大利亞，幾乎佔據了全球99%的氦資源供給量，其中美國更是常年保持在70%以上。

氦到底有什麼用途？

在工業上，氦的氣體形態——氦氣，主要用於光纖（光導玻璃纖維）的生產和半導體晶圓製備過程中的強製冷卻乃至清洗。這兩項應用就佔據了氦氣用途的近百分之五十。氦氣極低的反應活性可以令其在光纖的拉制過程中充當保護氣氛。而半導體晶圓製備時的強製冷卻同時，還利用了氦的顯熱遠高於潛熱這一特殊性質。

我們將液體變為氣體時從環境中吸收的熱量稱為潛熱（汽化熱），而將汽化剛完成的氣體溫度升高到室溫的過程中從環境中吸收的熱量稱為顯熱。氦氣從4K的沸點升溫到常溫過程中的顯熱，是液氦變為氣體時潛熱的七十倍。這意味著即便是低溫的氦氣，也有非常強大的冷卻能力。除此之外，氦氣在精密焊接保護、氣球飛艇灌注、滲漏檢測等領域也有廣泛的應用。

氦的液體形態——液氦，則主要作為超導磁鐵的冷卻劑。醫院中常見的核磁共振儀（MRI）需要利用大型超導磁鐵來發揮功用，因此80%的液氦都被用於該場合。除此之外，研究機構中用到的核磁共振分析設備以及其它一些有關超導、超流的低溫工學研究也必須使用液氦。

進入新千年以來，由於新興國家MRI採購量的暴漲，全球氦需求量劇增。在2014年，新興國家的氦年需求量就達到了每年0.6億立方米，佔據了全球消費市場三分之一以上的份額。另一方面，擁有全球最大氦資源儲量的美國也出於各種目的不斷收緊氦的生產和出口，全球氦供應情況因此而日益緊張。

氦資源緊缺時代——人類將如何應對？

醫療和產業用氦肯定需要首先得到保證，而研究和娛樂用途就不得不承受斷供之苦了。東京迪士尼樂園早在2012年年底就宣布不再銷售氦氣球。正常研究受到極大衝擊的東京大學也已經在校內各大低溫實驗室搭建了相應的氦回收裝置，目前氦資源的重複利用率已經達到了90%。

另一方面，核磁共振儀設備廠商也在不斷嘗試利用新技術來減少對液氦的依賴。部分最新開發的小型設備已經實現了不依賴液氦進行冷卻。當然，終極的目標必然是開發超導臨界溫度更高的超導磁鐵材料，一旦磁體的超導臨界溫度提高，在很多場合下就可以用沸點更高（零下196攝氏度）、來源更廣（空氣接近80%的成分是氮氣）、製取更方便的液氮來代替液氦，我們自然就可以擺脫對液氦的依賴了。