氦

化学元素

氦元素，化学符号He，原子序数2，是宇宙中第二轻的元素，仅次于氢。作为一种稀有气体，氦在地球大气中的含量相对较少，但在宇宙中的丰度却非常高。氦元素的原子结构极为稳定，其电子层仅有一个满壳层，因此化学性质极不活泼，很少与其他元素发生反应。

研究历史

1868年，天文学家朱尔斯·让森（JulesJanssen）和诺曼·洛克耶尔（Norman Lockyer）独立观察到太阳日冕期间的日食。他们使用一种叫作光谱仪的工具来观察太阳光谱，光谱仪能够将光分解成不同颜色的频谱，每种元素都有其独特的光谱线。他们在太阳光谱中观察到一个未知的黄色光谱线，波长587.49 nm，这条线无法与任何已知元素的光谱相匹配。洛克耶尔随后命名这个元素为“氦”，源自希腊神话中的太阳神赫利俄斯（Helios）。

1895年，瑞典化学家珀尔·特奥多尔·克列夫（Per Teodor Cleve）和尼尔斯·亚伯拉罕·朗格勒（NilsAbraham Langlet）在瑞典进行实验。他们通过加热铀矿石并观察释放出的气体，发现了氦气。

威廉·拉姆齐（William Ramsay）是这一阶段的关键人物，他是一位苏格兰化学家，对气体的研究非常感兴趣。1895年拉姆齐在研究一种新元素——氩的过程中，在沥青铀矿（一种含铀的矿石）中无意间发现了氦气。通过化学分析和与洛克耶尔的合作，他确认发现的气体就是之前在太阳光谱中观测到的氦。这是一个令人惊喜的发现，它证明了氦气不仅存在于太阳中，也存在于地球上。这一发现对于氦气的研究具有重大意义。它不仅证明了氦在地球上的存在，而且揭示了氦与其他元素在地球大气中的分布。这一发现同时促进了对氦在地球化学中作用的进一步研究。

人类发现氦-3的存在是通过对原子核反应的研究和对同位素理论的深入理解。主要有以下几个关键认识步骤：

一是同位素理论的发展。20世纪初，随着放射性元素研究的深入，科学家们如弗雷德里克·索迪（Frederick Soddy）和欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）开始认识到某些元素存在不同的质量形式，即同位素。这种理论为理解像氦-3这样的轻元素同位素奠定了基础。

二是粒子加速器和原子核反应的研究。20世纪30年代，科学家开始使用粒子加速器研究原子核反应。通过实验，他们能够产生并观察到各种原子核反应的产物，包括轻元素的不同同位素。在这些实验中，科学家注意到一些原子核反应产生了与氦- 4不同的轻氦同位素，即氦-3。

三是氦-3的具体识别。随着光谱学和质谱学技术的发展，科学家可以更精确地区分和识别不同的同位素。氦-3由于其质量和核磁性质的独特性，与氦-4区分开来。通过对这些核反应产物的细致分析，科学家能够确认氦-3的存在，并开始研究其性质和行为。

四是天体物理学的贡献。20世纪中后期，随着太空探索和对太阳风及宇宙射线的研究，天体物理学家也观察到氦- 3的存在。这些发现进一步证实了氦-3在太阳系中的自然存在，并促进了对其在天体环境中行为的理解。

物理性质

基本信息

元素氦，符号为He，位于元素周期表的第二位，其原子量为4.002602，主要由氦-4同位素构成。在自然界中，氦的含量微乎其微，仅占空气的0.0005%。作为一种惰性稀有气体，氦无色、无臭、无味，且在水中的溶解度极低，是已知气体中除氢气外密度最小的。

氦气的液化难度极高，它是在标准大气压下唯一无法固化的物质。当液态氦冷却至-270.98℃以下时，展现出极小的表面张力和极强的导热性，其热传导效率是铜的800倍，并呈现出超导特性；此外，其比热容、表面张力和压缩性均表现出异常，几乎不具有粘滞性。液态氦的应用使得接近绝对零度（-273.15℃）的低温得以实现，而其化学性质极为稳定，既不燃烧也不助燃。

液氦的超低温特性揭开了一系列奇妙的物理现象，成为低温物理实验的关键。全球物理学家正致力于通过液态氦探索更低温度下的物质变化，以揭示未知性质。这一研究领域催生了物理学的一个新分支——低温物理学。

氦-4

下表为液氦（氦4）的一些基本物理性质（某些参数测定时的状态不详）：

氦-3

氦-3是自然界中氦的稳定同位素，原子量为3.016，原子核由2个质子和一个中子组成。通常情况下，氦-3为无色、无味、无毒、不燃烧的惰性气体。

下表为液氦（氦3）的一些基本物理性质：

超流动性

卡梅隆×奥尼斯是第一位获得液氦的科学家。1926年，Kisom首次通过降低温度和增加压力获得固体氦。对于普通液体，密度随温度的降低而逐渐增大。然而，当温度降至-271℃时，液氦泡沫突然停止，密度突然下降。这是另一种液氦。卡梅隆×奥尼斯称实验中第一个气泡液氦I和第二个静态液氦II。氦II可向后流动，并沿玻璃壁向上流动。这种现象只能在低温下发生。它被称为“超流体”，带有“超流体”的氦II被称为超流体。[NTKO1]

后来，许多科学家研究了这种奇怪的现象，并取得了许多新的发现。例如，艾伦和其他人在1938年发现了氦刀喷泉。在玻璃管中，有一个非常细的刚玉，顶端有一个细长的喷嘴。将玻璃管浸入氦Ⅱ中，用光照亮玻璃管较厚的下部，细喷嘴喷射氦Ⅱ喷泉。光线越强，喷雾就越高，达到几厘米。

氦喷泉也是超流体的一种特殊性质。在本实验中，光能直接转化为机械能。

超导现象

在液氦的温度下，在一个铅环上放置一个铅球。铅球会好像失重而飘浮在环上，与环保持一定距离。在同样的温度下，用细链子系着磁铁，慢慢放到一个金属盘子里去。当磁铁快要碰到盘子的时候，可以观察到，链子松了，磁铁浮在盘子上，若此时轻轻拍打磁铁，它会自行旋转。这种现象只能在低温观察到，高温下不会产生。

这是低温下的超导现象。有些金属在液态氦的温度下，原子核的运动几乎停止，对电子的阻碍变得极小，因此电阻会消失，成为超导体；由于磁力线不可能穿过超导体，于是在超导体与磁体中间形成了较大的磁场，磁场的斥力托住了铅球和磁铁，使它们浮在半空中。这就是迈斯纳效应（Meissner Effect），这一效应可以被利用来制造磁悬浮列车。

化学性质

氦是所有元素中最不活泼的元素，极难形成化合物，这是因为氦的原子核到电子层距离很小，并且达到了稳定结构。尽管如此，但在特定的实验室条件下，科学家们已经成功地制备了一些氦的化合物。

Pimental等根据HeF2的电子排布同稳定的HF2-相似，提出了利用氚的β衰变、热中子辐照、直接用α粒子轰击固态氟三种方法来制备HeF2。

氦合氢离子，化学式为HeH+，是一个带正电的离子。它首次发现于1925年，通过质子和氦原子在气相中反应制得。它是已知最强的酸，质子亲和能为177.8 kJ/mol。这种离子也被称为氦氢分子离子。有人认为，这种物质可以存在于自然星际物质中。这是最简单的异核离子，可以与同核的氢分子离子H2相比较。与H2不同的是，它有一个永久的键偶极矩，使它更容易表现出光谱特征。HeH+不能在凝聚相中制备，因为这会使它与任何阴离子、分子、原子发生作用。但是，可以用盖斯定律预测它在水溶液中的酸性。电离过程-360 kJ/mol的自由能变化相当于pKa为-63。HeH中共价键的长度是0.772 Å。HeH2，已经被微波光谱观测到，科学家计算出它的亲和能为6 kcal/mol，而HeH3为0.1 kcal/mol。

不同于氦合氢离子，氢和氦构成的中性分子在一般情况下是很不稳定的。但是，它作为一个准分子在激发态是稳定的，于20世纪80年代中期首次在光谱中观测到。pKa：-63（推测），比氟锑酸强得多。

即便如此，这些离子或分子仅出现于“瞬间”，或者仅通过计算得出，故它们尚且难以认为是存在的“化合物”。

2017年2月6日，中国南开大学的王慧田、周向锋团队及其合作者在《Nature Chemistry》上发表了有关在高压条件下合成氦钠化合物——Na2He的论文，结束了氦元素无化合物的历史，标志着中国在稀有气体化学领域走到了最前沿。

同位素

已知的氦同位素有八种，包括氦-3、氦-4、氦-5、氦-6、氦-8等，但只有氦-3和氦-4是稳定的，其余的均带有放射性。在自然界中，氦同位素中以氦-4占最多，多是从其他放射性物质的α衰变，放出氦-4原子核而来。而在地球上，氦-3的含量极少，它们均是由超重氢（氚）的β衰变所产生。

备注：画上#号的数据代表没有经过实验的证明，只是理论推测，而用括号括起来的代表数据不确定性。

分布情况

氦存在于整个宇宙中，按质量计占23%，仅次于氢。但在自然界中主要存在于天然气体或放射性矿石中。在地球的大气层中，氦的浓度十分低，只有5.2万分之一。在地球上的放射性矿物中所含有的氦是α衰变的产物。

全球氦气总资源量约490亿立方米,总储量约76亿立方米,分布极不均匀,主要分布在美国、阿尔及利亚、卡塔尔和俄罗斯,其中美国占世界资源总量的40%以上,储量占世界的52%。全球每年氦气需求量约为2亿立方米，但年产量仅有1.7亿立方米，供不应求，长期短缺。我国每年氢气需求量约为1200万立方米，但勘查开发程度极低，资源量和储量情况不明

氦在某些天然气中含有在经济上值得提取的量，最高可以含有7%，在美国的天然气中氦大约有1%，在地表的空气中每立方米含有4.6立方厘米的氦，大约占整个体积的0.0005%，密度只有空气的7.2分之一，是除了氢以外密度最小的气体。

地球上的氦主要是放射性元素衰变的产物，α粒子就是氦的原子核。在工业中可由含氦达7%的天然气中提取。也可由液态空气中用分馏法从氦氖混合气体中制得。

制备方法

天然气分离法：工业上，主要以含有氦的天然气为原料，反复进行液化分馏，然后利用活性炭进行吸附提纯，得到纯氦。

合成氨法：在合成氨中，从尾气经分离提纯可得氦。

空气分馏法：从液态空气中用分馏法从氖氦混合气中提出。

铀矿石法：将含氦的铀矿石经过焙烧，分离出气体，再经过化学方法，除去水蒸气、氢气和二氧化碳等杂质提纯出氦。

应用领域

由于氦很轻，而且不易燃，因此它可用于填充飞艇、气球、温度计、电子管、潜水服等。

可用于原子反应堆和加速器、激光器、火箭、冶炼和焊接时的保护气体，还可用来填充灯泡和霓虹灯管，也用来制造泡沫塑料。

由于氦在血液中的溶解度很低，因此可以加到氧气中防止减压病，作为潜水员的呼吸用气体，或用于治疗气喘和窒息。液体氦的温度（-268.93 ℃）接近绝对零度（-273℃），因此它在超导研究中用作超流体，制造超导材料。液态氦还常用作冷却剂和制冷剂。在医学中，用于氩氦刀以治疗癌症。它还可以用作人造大气层和镭射媒体的组成部分。

安全事项

氦气是惰性气体。高浓度时，使氧分压降低而发生窒息。氦浓度达50%以上，引起严重症状；75%以上时，可在数分钟内死亡。当空气中氦浓度增高时，先出现呼吸加速、注意力不集中、共济失调；继之，疲倦乏力、烦躁不安；可能会出现头痛、耳鸣、恶心呕吐、嗜睡、晕眩、昏迷、抽搐，甚至死亡。据介绍，大量及长时间吸入氦气可导致脑损伤甚至死亡。

氦气瓶操作注意事项

1、压力通常有15MPa，使用时应用YQY-12或152IN-125等减压器减压后使用，使用前应用肥皂水检漏气体管道，确保气体管道不漏气。

2、确保氦气不泄露、工作场所保持通风。

3、包装的气瓶上均应记上生产日期、包括使用年限，凡到期的气瓶必须送往有部门进行安全检验，方能继续使用。

4、每瓶氦气在使用到尾气时，应保留瓶内余压在0.5 MPa，最小不得低于0.25 MPa余压，应将瓶阀关闭，以保证气体质量和使用安全。

5、瓶装氦气在运输储存、使用时都应分类堆放。

6、不准靠近明火和热源，应做到勿近火、勿沾油腊、勿爆晒、勿重抛、勿撞击，严禁在气瓶身上进行引弧或电弧。

7、严禁野蛮装卸，短距离移动氦气钢瓶应使用钢瓶专用手推车，长距离移动钢瓶应用危险品运输车辆运输。8、液氦的温度为－268.9℃，与皮肤接触能引起严重冻伤。

法律规范

氦气因其具有低密度、低沸点和惰性等特质，是航空航天、科学研究、高科技产业制造等领域必不可少的关键气体，是十分重要的战略资源。2020年全国两会期间，全国政协委员、中国科学院理化技术研究所研究员汪鹏飞提出了“关于加强我国氦气资源开发利用的建议”，他建议逐步开展氦资源的综合开发利用，以满足我国对氦资源的需求。这表明我国正努力加强对氦气资源的保护和合理利用。

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