氦

1868年8月18日，法國天文學家皮埃爾·讓森赴印度觀察日全食，利用分光鏡觀察日珥，從黑色月盤背面突出的紅色火焰，看見有彩色的彩條，是太陽噴射出來的熾熱的光譜。他發現一條黃色譜線，接近鈉光譜總的D1和D2線。日蝕後，他同樣在太陽光譜中觀察到這條黃線，稱為D3線。1868年10月20日，英國天文學家洛克耶也發現了這樣的一條黃線。

經過進一步研究，認識到是一條不屬於任何已知元素的新線，是因一種新的元素產生的，把這個新元素命名為helium，來自希臘文helios（太陽），元素符號定為He。這是第一個在地球以外，在宇宙中發現的元素。為了紀念這件事，當時鑄造一塊金質紀念牌，一面雕刻着駕着四匹馬戰車的傳説中的太陽神阿波羅（Apollo）像，另一面雕刻着皮埃爾·讓森和洛克耶的頭像，下面寫着：1868年8月18日太陽突出物分析。在詹遜從太陽光譜中發現氦時，英人J. N. Lockyer和E. F. Frankland認為這種物質在地球上還沒有發現，因此定名為“氦”（法文為hélium，英文為helium），源自希臘語ήλιος，意為“太陽”。

過了20多年後，拉姆賽在研究釔鈾礦時發現了一種神秘的氣體。由於他研究了這種氣體的光譜，發現可能是皮埃爾·讓森和洛克耶發現的那條黃線D3線。但由於他沒有儀器測定譜線在光譜中的位置，他只有求助於當時最優秀的光譜學家之一的倫敦物理學家克魯克斯。克魯克斯證明了，這種氣體就是氦。這樣氦在地球上也被發現了。 ^[4] 

在二十世紀初的幾十年裏，世界各國都在尋找氦氣資源，在當時主要是為了充飛艇。但是到了二十一世紀，氦不僅用在飛行上，尖端科學研究，現代化工業技術，都離不開氦，而且用的常常是液態的氦，而不是氣態的氦。液態氦把人們引到一個新的領域——低温世界。

英國物理學家杜瓦（Dewar）在1898年首先得到了液態氫。就在同一年，荷蘭的物理學家卡美林·奧涅斯也得到了液態氫。液態氫的沸點是零下253℃，在這樣低的温度下，其他各種氣體不僅變成液體，而且都變成了固體。只有氦是最後一個不肯變成液體的氣體。包括杜瓦和卡美林·奧涅斯在內的科學家們和決心把氦氣也變成液體。

1908年7月13日晚，荷蘭物理學家卡美林·奧涅斯（Heike Kamerlingh Onnes昂納斯）和他的助手們在著名的萊頓實驗室取得成功，氦氣變成了液體。他第一次得到了320立方厘米的液態氦。

要得到液態氦，必須先把氦氣壓縮並且冷卻到液態空氣的温度，然後讓它膨脹，使温度進一步下降，氦氣就變成了液體。液態氦是一種與眾不同的液體，其沸點為零下269℃。在這樣低的温度下，氫也變成了固體，與空氣接觸時，空氣會立刻在液態氦的表面上凍結成一層堅硬的蓋子。

1934年，在英國盧瑟福那裏學習的前蘇聯科學家卡比查發明了新型的液氦機，每小時可以製造4升液態氦。以後，液態氦才在各國的實驗室中得到廣泛的研究和應用。

氦存在於整個宇宙中，按質量計佔23%，僅次於氫。但在自然界中主要存在於天然氣體或放射性礦石中。在地球的大氣層中，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有的氦是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，是除了氫以外密度最小的氣體。

地球上的氦主要是放射性元素衰變的產物，α粒子就是氦的原子核。在工業中可由含氦達7%的天然氣中提取。也可由液態空氣中用分餾法從氦氖混合氣體中製得。 ^[4] 

元素符號He，原子序數2，原子量4.002602（氦-4），為稀有氣體的一種。元素名來源於希臘文，原意是“太陽”。

氦有兩種天然同位素：氦-3、氦-4，自然界中存在的氦基本上是氦-4。相對原子質量為4.003。1868年有人利用分光鏡觀察太陽表面，發現一條新的黃色譜線，並認為是屬於太陽上的某個未知元素，故名氦。氦在空氣中的含量為0.0005%。

氦在通常情況下為無色、無味的氣體；熔點-272.2℃（25個大氣壓），沸點-268.9℃；密度0.1785g/L，臨界温度-267.8℃，臨界壓力2.26大氣壓；水中溶解度8.61釐米³/千克水。

氦是惰性元素之一，分子式為He，是一種稀有氣體，無色、無臭、無味。它在水中的溶解度是已知氣體中最小的，也是除氫氣以外密度最小的氣體。密度0.17847g/L，熔點-272.2℃（25個大氣壓）。沸點-268.9℃。它是最難液化的一種氣體，其臨界温度為-267.9℃。臨界壓力為2.25大氣壓。當液化後温度降到-270.98℃以下時，具有表面張力很小，導熱性很強，幾乎不呈現任何粘滯性。液體氦可以用來得到接近絕對零度（-273.15℃）的低温。化學性質十分不活潑，既不能燃燒，也不能助燃。氦也是最難液化的氣體。

氦在通常情況下為無色、無味的氣體。是唯一不能在標準大氣壓下固化的物質。液態氦在温度下降至2.18K時，性質發生突變，成為一種超流體，能沿容器壁向上流動，熱傳導性為銅的800倍，並變成超導體；其比熱容、表面張力、壓縮性都是反常的。 ^[4] 

由於液氦的超低温，在此温度下出現了許多奇妙的物理現象。許多重要的物理實驗，都要在低温下進行。世界各國的物理學家都在研究液態氦，希望通過液態氦達到更低的温度，研究各種物質在低温下會發生什麼變化，會有什麼我們還不知道的性質。這就產生了物理學的一個新的分支——低温物理學。 ^[5] 

下表為液氦（氦4）的一些基本物理性質（某些參數測定時的狀態不詳）：

氦-3是自然界中氦的穩定同位素，原子量為3.016，原子核由2個質子和一箇中子組成。通常情況下，氦-3為無色、無味、無毒、不燃燒的惰性氣體。

下表為液氦（氦3）的一些基本物理性質：

卡美林·奧涅斯是第一個得到液氦的科學家。他又將温度進一步降低，試圖得到固態氦，卻並沒有成功（固態氦是1926年基索姆用降低温度和增大壓力的方法首先得到的）。

對於一般液體來説，隨着温度降低，密度會逐漸增加。卡美林·奧涅斯使液態氦的温度下降，液氦的密度增大了。但是，當温度下降到零下271℃的時候，液態氦突然停止起泡，同時密度也突然減小了。

這是另一種液態氦。卡美林·奧涅斯把前一種冒泡的液態氦叫做氦Ⅰ，而把後一種靜止的液態氦叫做氦Ⅱ。

把一個小玻璃杯按在氦Ⅱ中。玻璃杯由空的漸漸裝滿了。把這個盛着液態氦的小玻璃杯提出來，掛在半空時，玻璃杯底下出現了液氦，不一會，杯中的液態氦就“漏”光了。

氦Ⅱ能夠倒流，它會沿着玻璃杯的壁向高處倒流。此現象只能在低温狀態下才會發生，名為“超流動性”，具有“超流動性”的氦Ⅱ叫做超流體。

後來，許多科學家研究了這種怪現象，又有了許多新的發現。比如1938年阿蘭等人發現的氦刀噴泉。在一根玻璃管裏，裝着很細的金剛砂，上端接出來一根細的噴嘴。將這玻璃管浸到氦Ⅱ中，用光照玻璃管粗的下部，細噴嘴就會噴出氦Ⅱ的噴泉，光越強噴得越高，可以高達數釐米。

氦Ⅱ噴泉也是超流體的特殊性質。在這個實驗中，光能直接變成了機械能。 ^[4] 

在液氦的温度下，在一個鉛環上放置一個鉛球。鉛球會好像失重而飄浮在環上，與環保持一定距離。在同樣的温度下，用細鏈子繫着磁鐵，慢慢放到一個金屬盤子裏去。當磁鐵快要碰到盤子的時候，可以觀察到，鏈子鬆了，磁鐵浮在盤子上，若此時輕輕拍打磁鐵，它會自行旋轉。這種現象只能在低温觀察到，高温下不會產生。

這是低温下的超導現象。有些金屬在液態氦的温度下，原子核的運動幾乎停止，對電子的阻礙變得極小，因此電阻會消失，成為超導體；由於磁力線不可能穿過超導體 ^[6]  ，於是在超導體與磁體中間形成了較大的磁場，磁場的斥力托住了鉛球和磁鐵，使它們浮在半空中。這就是邁斯納效應（Meissner Effect），這一效應可以被利用來製造磁懸浮列車。

氦是所有元素中最不活潑的元素，極難形成化合物，這是因為氦的原子核到電子層距離很小，並且達到了穩定結構。它的性質便決定了用途，氦的應用主要是作為保護氣體、氣冷式核反應堆的工作流體和超低温冷凍劑等等。

2017年2月6日，中國南開大學的王慧田、周向鋒團隊及其合作者在《Nature Chemistry》上發表了有關在高壓條件下合成氦鈉化合物——Na₂He的論文 ^[2-3]  ，結束了氦元素無化合物的歷史，標誌着中國在稀有氣體化學領域走到了最前沿。

Pimental等根據HeF₂的電子排布同穩定的HF₂⁻相似，提出了利用核轉變製備HeF₂的三種方法。

1.氚的β衰變法

氚經過β衰變後應變成氦。這樣，氚的化合物經β衰變後，就有可能成為氦化合物。為了便於進行反應，首先通過氘和氫的同位素交還，將氘固定在KHF₂的固體晶格中。俘集在晶格中的TF₂⁻發生核反應後，便會生成HeF₂。

TF₂⁻ → HeF₂ +β⁻

氘在衰變過程中的反衝能量，不致使新生成的二氟化氦斷鏈。氘衰變的半衰期為12.25年，估計¹⁰Ci的氚，經4～5個月，僅能生成10μmol的HeF₂。

2.熱中子輻照法

用熱中子輻照LiF來產生核反應：

Li（n,α）反應後，生成的氦核同母體晶格中的F^-相結合而生成HeF₂。

3.直接用α粒子轟擊固態氟來製備HeF₂

由此看來，這三種方法中，以第一種方法制成HeF₂的可能性最大，但至今還沒有見到已製成的報告。Malm等認為HeF₂和HF₂⁻的電子排布雖然相似，但HF₂⁻是H⁻同兩個F原子相作用而生成化合物，H⁻的電離勢僅為0.7eV，而氦的電離勢高達25eV，因此對HeF₂是否存在是值得懷疑的。 ^[4] 

氦合氫離子，化學式為HeH⁺，是一個帶正電的離子。它首次發現於1925年，通過質子和氦原子在氣相中反應制得。它是已知最強的酸，質子親和能為177.8 kJ/mol。這種離子也被稱為氦氫分子離子。有人認為，這種物質可以存在於自然星際物質中。這是最簡單的異核離子，可以與同核的氫分子離子H₂相比較。與H₂不同的是，它有一個永久的鍵偶極矩，使它更容易表現出光譜特徵。

HeH⁺不能在凝聚相中製備，因為這會使它與任何陰離子、分子、原子發生作用。但是，可以用蓋斯定律預測它在水溶液中的酸性。

電離過程-360 kJ/mol的自由能變化相當於pKa為-63。

HeH中共價鍵的長度是0.772Å。

其他氦氫離子已經知道或者在理論上研究。HeH₂，已經被微波光譜觀測到，科學家計算出它的親和能為6 kcal/mol，而HeH₃為0.1 kcal/mol。 ^[5] 

不同於氦合氫離子，氫和氦構成的中性分子在一般情況下是很不穩定的。但是，它作為一個準分子在激發態是穩定的，於20世紀80年代中期首次在光譜中觀測到。

pK_a：－63（推測），比氟銻酸強得多。

即便如此，這些離子或分子僅出現於“瞬間”，或者僅通過計算得出，故它們尚且難以認為是存在的“化合物”。 ^[5] 

2017年2月6日，中國南開大學的王慧田、周向鋒團隊及其合作者在《Nature Chemistry》上發表了有關在高壓條件下合成氦鈉化合物——Na₂He的論文 ^[2-3]  ，結束了氦元素無化合物的歷史，標誌着中國在稀有氣體化學領域走到了最前沿。

此前，研究人員已經找到其他元素與氦進行配對的方法。但一直以來，都沒有形成什麼能夠穩定存在的物質。最常見的例子就是氦與其他元素的範德華力，無需共價鍵或者離子鍵就可以存在。在極低的温度下，氦確實可以形成範德華力，但極其微弱，無法長久保持。 ^[2-3] 

氦元素堅固的穩定力源於其閉殼層電子組態：其外殼層是完滿的狀態，沒有空間和其他原子通過共用電子進行結合。不過這是地球表面環境中的情況。

作為宇宙中第二豐富的元素，氦在恆星和巨型氣體行星的構成中起着重要作用。在外太空或者地球深處的極端條件下，它可能遵循着不同尋常的規律。如今，研究人員剛剛驗證這種奇異的現象。

猶他州立大學的文章共同作者Alex Boldyrev説：“極高的壓力，比如在地球的核心或者其他巨型星體中，能夠完全改變氦的化學特性。”

研究人員通過“晶體結構預測”模型進行演算髮現，在極度的壓力之下，一種穩定的氦鈉化合物能夠形成。然後他們在金剛石壓腔實驗中真的創造出了前所未見的化合物：Na₂He。實驗可以為氦和鈉原子提供相當於110萬倍地球大氣壓的條件。 ^[2-3] 

這一結果太出人意料，因此發表的時候遇到了巨大的困難，研究人員花了兩年多的時間去説服審稿人和編輯。

基於這些結果，研究團隊預測，如果壓力達到他們實驗水平的一千萬倍，那麼鈉將可以很容易地和氦氣反應生成穩定的Na₂He。更為奇妙的是，這種化合物的構成並不需要任何化學鍵。

南開大學王慧田教授是本次研究的共同通訊作者，據他介紹：“所發現的化合物非常奇特：氦原子通常不會形成任何化學鍵，而新物質的存在從根本上改變了鈉原子間的化學相互作用，迫使電子集中在該結構的立方空間內，同時具有絕緣能力。” ^[2-3] 

Na₂He的晶體結構，由鈉原子（紫色）和氦原子（綠色）交替，共用電子（紅色）存在於其間的區域。 ^[2-3] 

“這並不是真的化學鍵，”Popov説，“但是氦能夠使這一結構穩定存在。如果你把氦原子挪走，該結構將無法保持穩定。”

下面是該化合物的其他表現形式，左圖中粉色為鈉，白色為氦；右圖中鈉和氦成立方體狀，紅色的點則是電子。 ^[2-3] 

亞晶格分析表明，He的佔位導致電子被局域到了原子縫隙中並在Na原子核的引力下形成多中心鍵，從而整個體系變成了電子鹽體系。該過程中，孤立電子，Na的內層電子與He的內層1s電子和外層的2s，2p軌道產生強烈的交疊。受泡利不相容原理的影響，He的1s電子密度和外層電子軌道的分佈被迫發生變化導致在Na₂He形成過程中He得到了0.15個電子。該工作證實了高壓下He會具有弱的化學活性能夠與在高壓下還原性顯著增強的Na形成化合物。 ^[2-3] 

雖然最近關於金屬氫的突破研究遇到很大的質疑，但這篇文章的數據要紮實很多。來自倫敦帝國學院的物理學家Henry Rzepa在把這項研究和金屬氫的發現對比時表示：“這是更為可靠的科學，氦化合物是一項重大突破。” ^[3] 

這一研究涉及中、美、俄、意、德五國學者。參與的中國研究單位還有北京高壓科學研究中心、西北工業大學、中國科學院固態物理研究所和南京大學。特別值得一提的是，這一研究開始於南開大學研究生Xiao Dong在美國交換訪問期間，根據作者貢獻介紹，Xiao Dong設計了研究工作、並展開了相關計算。Xiao Dong已經在上海高壓科學研究中心工作。 ^[3] 

據瞭解，這一工作2013年就投稿Nature，但作者與評審人就Na₂He成健性質無法達成一致，最後改投Nature Chemistry發表。當然，並不是所有人都被説服。愛丁堡大學Eugene Gregoryanz就認為XRD數據有待提高，最終還要看這一工作是否能被其他團隊所重複。不過，具備條件的實驗室全世界沒有幾家。 ^[3] 

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，放出氦-4原子核而來。而在地球上，氦-3的含量極少，它們均是由超重氫（氚）的β衰變所產生。

備註：畫上#號的數據代表沒有經過實驗的證明，只是理論推測，而用括號括起來的代表數據不確定性。

由於氦很輕，而且不易燃，因此它可用於填充飛艇、氣球、温度計、電子管、潛水服等。也可用於原子反應堆和加速器、激光器、火箭、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。

液體氦的温度（-268.93 ℃）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。 ^[4] 

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狀High pressure nervous syndrome（HPNS），不過少量的氮就能夠處理這個問題。而空氣中百分之七十八都是氮氣，所以不用擔心。據介紹，大量及長時間吸入氦氣可導致腦損傷甚至死亡。在大部分薯條類包裝袋裏也含有少量氦氣，不過不必擔心，沒有危害。

1、壓力通常有15MPa，使用時應用YQY-12或152IN-125等減壓器減壓後使用，使用前應用肥皂水檢漏氣體管道，確保氣體管道不漏氣。

2、確保氦氣不泄露、工作場所保持通風。

3、包裝的氣瓶上均應記上生產日期、包括使用年限，凡到期的氣瓶必須送往有部門進行安全檢驗，方能繼續使用。

4、每瓶氦氣在使用到尾氣時，應保留瓶內餘壓在0.5MPa，最小不得低於0.25MPa餘壓，應將瓶閥關閉，以保證氣體質量和使用安全。

5、瓶裝氦氣在運輸儲存、使用時都應分類堆放。

6、不準靠近明火和熱源，應做到勿近火、勿沾油臘、勿爆曬、勿重拋、勿撞擊，嚴禁在氣瓶身上進行引弧或電弧。

7、嚴禁野蠻裝卸，短距離移動氦氣鋼瓶應使用鋼瓶專用手推車，長距離移動鋼瓶應用危險品運輸車輛運輸。

8、液氦的温度為－268.9℃，與皮膚接觸能引起嚴重凍傷。