我们常常能在街头看到手中举着气球的孩子们,无论在什么年代,这种简单的玩具都是孩子们的心头好。气球之所以能漂浮在空气中,是因为里面填充着密度比空气小的气体,比如氢气和氦气。10年前,氦气球遍布大街小巷,氦气无色无味也不会燃烧,填充在气球里安全无害。可是现在的气球不再那么安全,其中填充的气体变成了氢气,遇火可以燃烧,大量气球集中破裂的话甚至有爆炸的危险。气球内填充的气体为什么要换成氢气呢
绝无仅有的氦气
气球改变的原因很简单,相较于10年前,氦气的成本翻了三倍都不止,气球这种廉价小玩具自然充不起“高档”的氦气。那么,氦气为什么变得这么贵呢
氦气算是真正意义上的“进口货”,人们是在地球之外发现它的存在的。1868年8月,法国天文学家彼埃尔·让桑在印度南部观测日全食时,意外发现太阳光谱里面有一条陌生的明亮黄线。近乎同时,英国天文学家约瑟夫·洛基尔也独立地发现了这条黄线,并把发出黄光的这种元素命名为“氦”。此后的20多年间,人们都没能在地球内找到氦,它就像一颗挂在天上的宝石,可望而不可即。
1895年,英国化学家威廉·拉姆塞从一种含铀矿物中分离出了一种无色无味的气体,经过光谱分析,他惊喜地发现,那正是此前在太阳光中发现的“氦”,人们终于在地球上也找到了氦!当然,这时候人们还不知道氦能做什么用,只知道它是一种比空气轻的气体,那么就拿来充飞艇和气球吧,从地层中辛苦找到的氦气就这样放上了天。
作为分子量仅小于氢的元素,氦是宇宙大爆炸后最早产生的物质之一,它在宇宙物质中的丰度也仅次于氢,约占宇宙物质总量的四分之一。但是氦气密度很小,又是一种化学性质非常稳定的元素,几乎不和任何物质发生反应,所以宇宙中原生的氦和太阳光发射出的氦也无法保留在地球上。
地球上唯一的氦气来源只有放射性物质矿区。地球在诞生之初的熔融状态下,在地幔和地核中封印了一些放射性元素,这些放射性元素在衰变的过程中会不断释放出α粒子,这些α粒子实质就是两个质子和两个中子组成的氦-4原子核,也就是我们需要的氦气。这些氦气在地下积累,人们在大规模开采放射性矿产的过程中就能收集到氦气。
现在地球上氦气储量最丰富的地方只有美国和卡塔尔等少数地区的矿区,我们既找不到氦气的更多产区,也没有制造氦气的方法,渐渐地氦气就越用越少了,价格也逐年上涨。
现代社会不可或缺的氦气
氦气价格水涨船高的原因不仅是储量渐少,还因为人们发现了氦气除了充气球之外更多不可替代的功能。
超导磁体是指在低温条件下原子核的运动停止、电阻几乎消失的一类金属线圈。超导磁体能高效地传输电能且几乎不产生热量,是磁悬浮列车、核磁共振成像仪和高能粒子对撞机等高新设备必不可少的零件。但是,能制成超导磁铁的金属都必须在超低温的环境中才能达到超导状态,比如常被制成超导体的铌钛合金就要求周边环境温度为-268.8℃,只有液氦能实现这样的低温。各类高新设备的超导磁体消耗了地球上的大部分氦气,比如长达27千米的欧洲强子对撞机就用了大约130吨液氦将其中的超导磁体冷却到-271.3℃,这130吨液氦就占到全球氦产量的1%,更别提世界各地的磁悬浮列车和医院中的核磁共振成像仪用到的液氦了。
氦气还经常作为保护气体被填充到原子反应堆和加速器、激光器等设备中,隔绝氧气以保护金属不被氧化,工业上在冶炼和焊接金属时也常用氦气隔绝氧气。因为氦气扩散性能极强,极微量的逸散也很容易被检出,所以还可填充到密封的机器设备中,比如宇宙飞船和火箭等,用于检测它们的密封性能。
氦气还有一个非常有意思的用途。许多人都有过吸一口氦气,说话声音就变得又尖又细的经历,其实进行长时间深度潜水作业的人刚刚上岸时说话就是这样的,正是因为他们吸入了一定量的氦气。人们在进行深度潜水时,人体受到的压力增大,空气溶入血液的量变多,空气的主要成分——氮气在体内的量也就越多。当氮气在血液中的分压达到一定的高度时,人就会出现麻醉甚至昏厥的现象,俗称“氮醉”,这在潜水过程中是很危险的。而氦气在血液中的溶解度很低,即使高压的情况下也不会大量滞留在人体内,因此,人们在氧气罐中加入了氦气代替氮气,就可以避免进行长时间深度潜水的人出现氮醉现象。
生活中,我们最常与氦气接触的地方是在超市,收银处使用的条形码扫描器正是用了氦氖激光器进行识别。氦氖激光器中充入了体积比约为10∶1的氦气和氖气,在受到光线照射时,氦气传递汇聚光能,氖气受激产生辐射,发射出激光。氦氖激光器作为最早出现的气体激光器,造价便宜,能量消耗少,因此广泛用于各种条形码扫描器中。除了条形码扫描器,氦氖激光器也被用在显微镜、光谱仪和光盘驱动器等设备中。
开源节流保氦气
一方面是日益减少的氦气库存,另一方面是逐渐扩大的氦气用量。供不应求的情况下,氦气的涨价是不可避免的事。可即使如此,按照目前的使用量来说,地球上的氦气库存大约也只够用20年了。面对这种情况,科研人员纷纷开动着脑筋。
最直接的办法就是节流,现在医院里常用的核磁共振仪基本安装着密闭性良好、减少蒸发量的液氦装置,大大减少了液氦的需求量。2014年,我国的科学家研发出了首台工业氦气循环使用系统,可以回收工业生产中使用过的含有杂质的氦气并提纯,然后再次利用。目前这套系统的提纯能力已达到可将纯度仅为10%的氦气提纯至99.5%以上纯度的程度。
既然超导磁体是氦气使用的大头,那么有没有办法能减少这一领域氦气的使用量呢更多的科学家尝试用其他的制冷方式来代替液氦制冷,用无液氦的制冷机来达到超导磁体的工作温度。最近,浙江宁波诺丁汉大学和浙江大学医学院等多个科研单位联合开发的使用无液氦超导磁体的核磁共振成像仪已经投入使用了。这台成像仪的超导磁体用成本低、安全性高的铜带代替了原来的制冷剂液氦,通过直接传导冷却技术制冷。
当然,开源才是保证氦气源源不绝的根本方法。地球大气中含有约0.0005%的氦,尽管很少,但在氦气供不应求时,人们还是会利用气体的沸点不同的原理,将氦气从大气中分离出来。就在这样苦巴巴的日子中,人们竟然在月球中发现了大量的氦。原来,因为月球自身没有磁场,太阳辐射出来的氦粒子能在月壤内“安营扎寨”。相比之下,辐射到地球上的氦粒子在地球磁场的作用下,沿着地球磁力线慢慢扩散,最终通过大气层泄漏到外太空了。科学家计算发现,将月壤加热到80℃,大约2亿吨的月壤中能提取出1吨的氦元素,而等量的地球土壤仅能生产10千克氦。随着我们开发月球进程的加快,也许未来月球能成为波斯湾似的能源基地,我们就能摆脱氦气不足的危机。
曾经我们开心地玩着氦气球的日子里,应该没人能想到不过十几年,我们就要面对无氦可用的困境吧除了氦之外,又有多少资源危机即将来临呢珍惜资源不止是一句口号,而是保障我们未来幸福生活的最优选择。