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地球上的“稀有珍品氦元素”背后隐藏着怎样的科学奥秘?

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出品:科普中国

作者:李中平(中国科学院西北生态环境资源研究院油气资源研究中心,中国矿物岩石地球化学学会气体地球化学专业委员会)

监制:中国科普博览

浩瀚宇宙中,各种元素不断诞生和消亡,其中有一类元素自发现以来就备受关注,这就是稀有气体。提到稀有气体,大家可能首先想到的是:元素周期表中第ⅧA族元素,即:氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)氪、氙;自然界中非常稀有,不会与其他物质发生反应,又叫惰性气体等。

但你有没有想过,为什么有的稀有气体在地球上非常稀少,而在宇宙中却非常普遍?你知道科学家是如何利用稀有气体同位素揭示地球演化历史吗?稀有气体同位素比值测量是如何实现?稀有气体又有哪些应用领域?人类如何获取这些珍贵的气体呢?

其实每一种稀有气体都隐藏着神奇奥秘,相信你也好奇了吧!那就让我们一起走进稀有气体地球化学的神秘世界,本文我们将共同探讨氦同位素地球化学的奥秘!

从氩到氦:威廉·拉姆齐的“气体探险”之旅

你知道吗,早在100多年前,“氦”就被人类所发现了。

那是1894年4月19日傍晚,威廉·拉姆齐参加了瑞利爵士(约翰·威廉·斯特拉特)举办的一个演讲,瑞利此前发现了一种叫做亚硝酸铵的化合物可以制备出与空气中不同密度的氮气。瑞利和拉姆齐讨论后决定共同探索这一现象的原因。他们立即在各自的实验室里对此展开研究,并几乎每天保持联系,互相通报工作的进展情况。

同年8月,拉姆齐和瑞利宣布发现了一个新的元素——氩。1895年,拉姆齐从钇铀矿(一种不纯的放射性含铀的铀矿)中分离出了氦,证明了这种元素在地球上也存在。随后的几年,拉姆齐又相继发现了氖、氪和氙。因为拉姆齐发现了空气中的惰性气体元素,并确定了它们在元素周期表中的位置,他在1904年被授予了诺贝尔化学奖。

拉姆齐是一位杰出的科学家,他的发现不仅填补了元素周期表中的空缺,而且为人类认识自然界和推动科学发展做出了重大贡献。他的成就鼓舞着后来者不断追求科学的真理,致力于推动科学技术的发展。我们应该铭记他的名字和他为科学发展带来的巨大贡献,感谢他为人类的文明进步做出的不懈努力。

图1. 威廉·拉姆齐(William Ramsay,1852-1916)是一位苏格兰化学家,他发现了稀有气体,1904年与他的合作者约翰·威廉·斯特拉特(瑞利)获得了诺贝尔化学奖。在两人发现了氩之后,拉姆齐研究了其他大气气体,在分离氩、氦、氖、氪和氙方面的工作做出了开拓性的贡献,导致了周期表新的发展。

(图片来源:诺贝尔奖委员会官网)

氦元素:地球上的“稀有珍品”背后隐藏着怎样的宇宙秘密?

氦的来历可以追溯到大约138亿年前的宇宙大爆炸。在这个时候,宇宙中只有两种元素,即氢和少量的氦。这些元素在宇宙空间中被引力聚集在一起形成恒星和星系。当恒星在它们的核心中燃烧氢时,会产生高温和高压的环境,这使得氢原子融合成氦原子。在恒星死亡并经历爆炸时,它们会释放出大量的氦和其他元素到宇宙空间中。

放眼整个宇宙,按质量计,“氦”能够占足足23%,但是在地球大气层中,氦的浓度十分低,只有体积比百万分之5.2(5.2ppmv)。这是因为氦的原子量比较小,它的分子速度比大气层中其他气体的速度要快,这使得它容易从地球大气层中逸出。

另外,氦气也是一种非常稳定的气体,它不易被地球大气层中的其他气体化学反应所吸附或转化,这也导致它不会在大气层中积聚。相比之下,氢元素虽然更轻,但它可以形成化合物,比如与氧结合形成水,与碳结合形成各种碳氢化合物,所以地球上的氢元素含量较高。

图2. 干空气是由氮气、氧气、氩气和其他几种少量的气体组成的混合物

按分子数计算的地球大气层的组成,不包括水蒸气

下方的图代表微量气体,它们共同构成了约0.0434%的大气层(2021年8月的浓度为0.0442%)。数字主要来自2000年,二氧化碳和甲烷来自2019年,不代表任何单一来源

(图片来源:engineeringtoolbox——Air Composition and Molecular Weight)

氦有8种同位素,其中只有两种是稳定的,分别是氦-3和氦-4。地球大气中氦气的主要组成是氦-4,它占氦气的99.99986%左右,氦-3在地球上很少,仅占约0.00014%,而且少量的氦-3还是核武器试验产生。作为宇宙中最早形成的元素之一,地球上氦-3的主要成因是宇宙大爆炸和恒星内部的核聚变反应产生。

另一种是放射性成因的氦-4,是由地球内部放射性元素(例如钍铀)衰变时释放出来的α粒子,氦-4主要存在于地壳,特别是沉积盆地中,可以通过断裂或地质流体释放到地表。

氦同位素比值,探索地球深处的秘密

由于地球上氦-3和氦-4有不同的来源,因此,不同来源的氦气的3He/4He比值存在显著差异,因此,通过分析从地球深处升至地表的氦气中3He/4He的比值,科学家可以了解地球深处的物质组成和运动情况,例如地壳运动、岩石的热和化学历史,以及地球演化历史等。

原始的氦,比如来自太阳系物质的氦,其3He/4He比值通常较高。这是因为在宇宙形成时,氦的同位素比例被固定下来,因此可以用其来判断太阳系物质的起源和演化。

放射性成因的氦气,如地壳中的氦气,其3He/4He比值通常较低,约为10^-8到10^-7之间。这是因为地壳内部产生的氦气主要是来自放射性衰变的4He,而放射性同位素的衰变会导致氦同位素比例发生变化。

如何利用氦同位素比值研究地球内部的物质演化和循环?

科学家可以对不同地区来自地幔的样品中进行氦同位素比值的测量,进而研究地幔物质的来源和演化历史。如果一个地区的氦同位素比值比平均水平高,那么可能表示该地区测试样品来自较原始的地幔物质;反之,如果比值较低,那么可能表示该样品所代表的具体地区经历了较多的物质混合和再循环作用。

例如,在夏威夷岛上,火山岩石中的氦气同位素比值竟然高达大气水平的40倍甚至更高,表明夏威夷岛的火山岩浆可能是来自地球深层、原始或独特的地幔物质,并形成独特的火山岩(科学家称其为“热点”)。在大西洋的洋中脊上,海底玄武岩中的氦气同位素比值只有大气水平的8倍,可能表示大西洋洋中脊来自一个相对较浅的层位、并伴有混合,或者普通的地幔源头。

图3 利用3He/4 He和40 Ar/ 36Ar比值来演示地幔物质运移和演化

(图片来源:Hirochika-Sumino 2010)

氦同位素连同其他稀有气体(氖、氩、氪、氙)类似在地球化学研究中的应用已经有了不少进展,但目前仍有很多未知的领域需要我们去探索。例如,科学家仍然不知道地球内部的某些区域的氦同位素组成和分布情况,以及地球演化对它们的影响。此外,氦同位素也可以用于研究地球外的天体,例如太阳系中的行星和陨石,从而更好地理解宇宙的形成和演化过程。

氦同位素技术目前广泛应用于地球科学、宇宙科学和核科学等领域的研究。比如,可以测定岩石、地下水或陨石中的稀有气体同位素比例,推断它们的形成年代、来源和演化过程。不同来源的氦有不同的同位素比值,因为它们在地球内部经历了不同的演化过程。通过测量稀有气体同位素比值,我们可以探究地球内部的运动和演化,判断矿床的成因和分布,甚至预测地震和火山喷发的可能性。

氦同位素地球化学也面临一些可能的挑战:

首先,如何提高氦同位素分析的精度和灵敏度,以满足对极低丰度样品的测定需求,一直是科学家所关心的问题;其次,未来如何拓展氦同位素在不同介质(如岩石、流体、气体等)中的应用范围和深度,以揭示更多的地球科学问题同样是重要的研究方向;除此之外,如何探索氦同位素与其他稀有气体同位素(如氖、氩、氪、氙等)之间的耦合关系,以增强对地球系统复杂过程的理解也是学界所关注的热点。

稀有气体质谱仪:揭示地球历史演化的重要工具

稀有气体质谱仪是一种专门用于分析稀有气体同位素比值的仪器。它利用质谱技术,将气体样品分离成不同的同位素离子,然后通过检测这些离子的质量比来确定同位素的比值。这种技术在地质学、化学、物理学、天文学等领域中被广泛应用,可以用来研究自然界中的物质和过程,以及地球和宇宙的演化历史。

为了达到更高的测量精度,稀有气体质谱仪采用静态真空技术。所谓静态真空是指在测量过程中系统中没有气体流动,各部分的压力相同且长期不变,这可以减少气体干扰并提高测量精度。

现代稀有气体质谱仪多使用高分辨率扇形磁场和多接收技术来测量痕量样品中的稀有气体同位素比率。该仪器对于地球科学、天文学、化学等领域的研究至关重要。

图4. 用于稀有气体同位素测量的静态真空质谱计

(图片来源:中国科学院西北生态环境资源研究院油气资源研究中心气体同位素实验室网站)

开采月球氦-3:人类目前几乎无法完成的挑战

氦-3还有一个潜在的能源潜力,它可以与氢的同位素进行核聚变反应。与一般的核聚变反应不同的是,氦-3在聚变过程中不产生中子,所以放射性小,反应过程环保且安全易控制。然而,地球上氦-3的储量非常有限,总量不到几百公斤,无法满足人类需求。

科学家们发现,月球上的氦-3储量非常丰富。月球表面富含氦-3的原因是它是太阳风中的重要组成部分,而月球表面正好暴露在太阳风的辐射下。当太阳风流经月球表面时,它会与表面物质相互作用,使氦-3附着在月球表面上。因为月球没有大气层和磁场,所以氦-3可以被无干扰地捕获并积累在月球表面上。

图5. 两个氦3原子融合在一起会产生大量的能量

(图片来源:量子科学论)

科学家们也正在研究如何从月球上采集氦-3,作为未来的能源资源。但从月球上开发氦-3是一项具有挑战性的任务,主要是由于以下几个方面:

1.获得采集样品的技术难度高:要采集月球表面的氦-3,需要在月球表面建造采矿设施,并使用精密的机器人和设备进行采样。这种技术需要高度自主化的机器人技术和精密控制技术,这对现有技术水平来说仍然是一个巨大的挑战。

2.采集和运输氦-3的成本高:即使能够成功采集到氦-3,将它带回地球的成本也非常高昂。这需要使用昂贵的运输技术和设备,如太空飞行器和返回舱。

3.技术难度和成本增加了开采氦-3的风险:开采氦-3的过程还需要解决很多技术问题和安全隐患,如月球环境中的辐射、温度变化、尘埃和电磁干扰等。

综上所述,开采月球氦-3是一个技术难度极高、成本昂贵、风险较大的挑战,需要我们克服很多问题才能成功实现。

氦气:航空航天、核物理和更多领域的多功能元素

氦气在航空航天领域中具有重要的作用。它被广泛应用于气球、飞艇和卫星等气体浮力装置中。由于氦气密度极低,比空气轻约7倍,因此可以提供较强的浮力,使得这些装置可以悬浮在空中或进入大气层外的太空。此外,氦气还可以用于航天器的供气系统,来确保航天器的正常运行。

其次,氦气也是核物理研究的重要材料。氦气可以用作低温物理实验的制冷剂,帮助研究人员研究各种物质的超导性、量子力学和物理学等问题。同时,氦气还可以用于核磁共振成像设备中的冷却剂,确保设备的正常运行和高精度成像效果。除此之外,氦气还具有许多其他应用。例如,氦气可以用于氦氖激光的冷却剂,以提高激光器的效率和寿命。

氦气还有其他许多特殊的性质。例如:当氦-3和氦-4混合在一起时,它们可以降低温度,接近于绝对零度。当温度低于2.6毫K时,液态氦-3会出现“超流”现象,即没有黏性,可以从盛放它的杯子中“爬”出去。超流现象是一种非常奇特的现象,不仅可以帮助我们更好地了解自然界中的量子现象,也让我们看到了该领域广阔的发展空间和应用前景。

图6.处于超流相的液氦,会在杯身内面向上缓慢攀爬,攀越过杯口,然后在杯身外面向下缓慢滑落,集结在一起,形成一滴液氦珠,最后滴落在下面的液氦里。这样,液氦会一滴一滴地滴落,直到杯子完全流空为止。

(图片来源:维基百科)

此外,氦气还可以用于高压实验、焊接和其他高技术领域,如半导体制造和光学制造。需要注意的是,尽管氦气的应用范围广泛,但氦气的储量非常有限。目前,氦气的主要产地是美国、俄罗斯和澳大利亚等少数几个国家。因此,我们应该谨慎使用氦气,尽可能地减少浪费,以保证氦气的可持续利用。

高音神奇氦气:声音变调的科学与风险

氦气还是一种非常有趣的气体,因为它的声速比空气快三倍,人的声音一般经由空气传递。当空气的成分由78% 氮和21% 氧改变为80% 的氦气和20% 的氧气,密度变为正常空气的三分之一,此成分改变导致声音传播的速度快了接近三倍,所以吸入氦气的人说话的声音会变高频率。

这是因为声音的音高与声带的振动频率有关,而氦气改变了人的声带的共振状态,使其发出更高的频率,这对于娱乐和表演也有其独特的价值。尽管这种现象可能让人觉得好玩,但吸入氦气有风险,因为过度吸入氦气可能会导致缺氧,这对身体健康是有害的,大家千万不要自行进行尝试。

探秘氦气:从天然气到铀矿石,四种获取方法让你眼前一亮

氦是一种极为重要的元素,被广泛应用于工业、医学和科学领域。那么,我们如何获取这种珍贵的气体呢?

目前,主要有四种方法可以获取氦。

首先是天然气分离法。这种方法利用含有氦的天然气为原料,通过液化分馏和活性炭吸附提纯等步骤,最终得到纯氦;

第二种是合成氨法。在合成氨的工业生产过程中,尾气中含有氦,可以通过分离提纯的方式得到氦气;

第三种方法是空气分馏法。这种方法是从液态空气中通过分馏法从氖氦混合气中提取氦气;

最后,还有一种铀矿石法。该方法是将含氦的铀矿石经过焙烧,分离出气体,再经过化学方法除去杂质,最终得到纯氦。

这些方法虽然各不相同,但都可以有效地获取氦气。随着科技的不断进步和发展,我们相信会有更多更高效的方法来获取氦气,从而更好地满足人类的需求。

保护氦气资源,做自己身边的氦气守护者!

在医疗领域,核磁共振(NMR)技术需要非常强的磁场来实现高精度的实验,这通常需要使用超导磁体。超导磁体需要在非常低的温度下工作,通常需要使用液态氦来进行冷却。液态氦的沸点非常低,约为-269°C,可以将磁体冷却到接近绝对零度,这样可以使得超导磁体的电阻降至零,从而达到更高的磁场强度和稳定性。

同时,液态氦也具有良好的热传导性能,可以将磁体产生的热量迅速散发出去,从而保持磁体的稳定性。液态氦的使用也带来了一定的挑战和成本。液态氦是一种稀有的资源,价格较高,并且需要特殊的设备和技术来进行储存和运输。因此,使用液态氦制冷的核磁共振仪通常是高端科学仪器,用于进行高精度的科学研究。

然而,由于氦气短缺,受到氦气供应短缺的影响,2022年夏天,哈佛大学物理学家阿米尔·亚科比和菲利普·金关闭了他们实验室约一半的项目。与此同时,加州大学戴维斯分校也报告称,它的一家氦气供应商削减了一半的配额,包括用于医疗用途的配额。一些医院不得不停止使用核磁共振仪器进行检查,这对患者来说将是一件非常不幸的事情。

科学研究中,氦气通常被用作制冷剂,以保持实验环境的低温。在航天和军工领域,氦气也被广泛应用于制造火箭和导弹中的推进器,氦气在科研、航天和军工等领域也具有重要作用。我国是一个贫氦国家,目前大部分氦气都依赖进口,因此推广和应用节约和回收利用氦气的技术,加强对氦气资源消费行为的监督和管理,提高公众对氦气资源保护的意识和参与度势在必行。

作为普通大众,我们也可以在日常生活中做一些小事来保护氦气资源。比如少买或不买充满氦气的气球,因为这些气球一旦飘到空中,就会将宝贵的氦气释放到大气层中,无法回收利用。下次和孩子一起出去时,我们可以尝试一些更有趣的活动,避免浪费宝贵的氦气资源。

毕竟,氦气可不是只能用来吹气球的哦,它还可以让飞行器升空、让核磁共振图扫描更精准、让射电望远镜观测更清晰。让我们一起来保护氦气资源,让它为科技发展、医学诊断和空间探索发挥更大的作用吧!

参考资料:

1. 维基百科(英文),词条最后修改日期2023年4月3日

2. 胡瑞忠,毕献武 等.哀牢山金矿带金成矿流体He和Ar同位素地球化学. 中国科学,1999,29(4):321-330.

3. 徐永昌,刘文汇,沈 平,陶明信,郑建京 等,天然气地球化学的重要分支——稀有气体化学

4. 陶明信, 沈平, 徐永昌,等, 苏北盆地幔源氦气藏的特征与形成条件. 天然气地球科学, 1997. 8(3), pp.1-8.

5. 陈践发, 刘凯旋,等, 天然气中氦资源研究现状及我国氦资源前景. 天然气地球科学, 2021,32(10), pp.1436-1449.

6. 李立武, 高梓涵, 贺坚, 曹春辉,李中平,不同海拔地点的空气氩同位素组成特征及其在油气地球化学分析中的意义. 天然气地球科学, 2022. 33(1), pp.92-10

7. Sano, Yuji, Bernard Marty,Noble gases in the atmosphere. The noble gases as geochemical tracers (2013): 17-31.

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9. Mamyrin et al. Helium isotopes in nature. 2013 .Elsevier,

10.Graham, David et al. Helium isotope geochemistry of mid-ocean ridge basalts from the South Atlantic." EPSL,1992,110,133-147.

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评论
演绎无限精彩!
大学士级
在保护有限氦气资源的同时,推广和应用节约、回收再利用的技术研究,加强对氦气资源消费的监管,为保障我国氦气资源安全提供有力支撑。
2023-08-25
尖刀情怀永远跟党走
大学士级
氦可以做为探测地球内部变化的试金石!
2023-08-25
成孝军
太傅级
氦气是一种非常稳定的气体。
2023-08-25