氦

氦（Helium，源于希腊语 ἥλιος“太阳”；旧译氜）是一种化学元素，化学符号为氦，原子序数为2，原子量为4.002602u。是一种无色、无臭、无味、无毒的惰性单原子气体。它也是稀有气体族的第一个元素。其单质熔点和沸点为所有元素中最低的。继氢原子之后，氦是可观宇宙中第二轻且含量第二高的元素，在全宇宙的元素质量中大约占了24%，超过其它原子（除了氢）总和的12倍。它的总含量和太阳或木星内的比例十分相似。这是因为和接下来三个元素比较起来，氦-4有非常高的核结合能（每个核子中）。而它的高结合能也能解释为何它是核融合与核衰变的产物。氦-4是宇宙中氦最主要的同位素，最广泛的来源形成于大霹雳时期。而新的氦形成于恒星内部的核融合反应。

氦是以希腊神话中泰坦族的太阳神赫利奥斯命名。氦的首次发现是由乔治斯·雷页特、C. T. 海格上尉、诺曼·R·波格森

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but his report wasn't published.  (Biman B. Nath, ''The Story of Helium and the Birth of Astrophysics'' (New York, New York:  Springer, 2013), [https://books.google.com/books?id=Zko_Na5IQL8C&pg=PA8#v=onepage&q&f=false p. 8.]) Nevertheless, Lockyer quoted from his report.  [https://babel.hathitrust.org/cgi/pt?id=mdp.39015038750884;view=1up;seq=360;size=150 From p. 320]  of Lockyer, J. Norman (1896) "The story of helium.  Prologue," ''Nature'', '''53''' :  319–322 :  "Pogson, in referring to the eclipse of 1868, said that the yellow line was "at D, or near D." "</ref>和约翰·赫歇尔中尉<ref name="#1"/>在1868年的[[日全食]]觀測到一條未知的黃色光譜，後來被法國的天文學家侏尔斯·詹森<ref>Lieutenant John Herschel (1868) [https://books.google.com/books?id=glFJAAAAcAAJ&pg=PA104#v=onepage&q&f=false "Account of the solar eclipse of 1868, as seen at Jamkandi in the Bombay Presidency,"] ''Proceedings of the Royal Society of London'', '''17''' :  104–120.  From p. 113:  As the moment of the total solar eclipse approached, " … I recorded an increasing brilliancy in the spectrum in the neighborhood of D, so great in fact as to prevent any measurement of that line till an opportune cloud moderated the light.  I am not prepared to offer any explanation of this."  From p. 117:  "I also consider that there can be no question that the ORANGE LINE was identical with D, so far as the capacity of the instrument to establish any such identity is concerned."</ref>證實有這條光譜，同時[[约瑟夫·诺曼·洛克耶]]也獨力在英國發現一樣的結果。人們認為發現氦是侏尔斯·詹森和[[约瑟夫·诺曼·洛克耶]]的功勞。而洛克耶也是第一個提出這條光譜是來自一種新的元素，並命名此元素。而正式的發現則是在1895年由瑞典的兩位化學家[[佩尔·特奥多尔·克莱韦]]和尼尔斯·朗勒特從瀝青鈾礦中分離出氦。在1903年，在美國發現大存量的天然氦氣井，直到現在依舊為氦氣的最大供應商。
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与密度和空气密度不同的任何气体一样，吸入少量氦气会暂时改变人声的音调。在科研方面，氦(4He)两个流体相(He I & He II)的表现性，对于科学家在研究量子力学(特别是超流动性的性质)及观察如超导电性（产于近乎绝对零度）的现象是很重要的。

在地球上，它在大气中的浓度为5.2 ppm，较为稀少。今天陆地上大多数存在的为氦是由重放射性元素（例如钍和铀的天然放射性衰变）产生的，这种衰变会发射出由氦-4核组成的α粒子。该放射性氦被天然气捕获，其体积浓度可高达7％，而后再经过分馏的低温分离过程，以进行商业提取。先前，地球上的氦为不可再生资源，因为一旦释放到大气中，它很容易逃逸到太空，人们认为这种情况将会使氦日益短缺。然而，近来的研究指出，透过辐射衰变生成于地球深层的氦气，在某些情况下透过火山运动被释放，使得大气中能被收集的氦气量比预期的更多。

## 历史

首个证明氦存在的证据是太阳色球的发射光谱中的一条亮黄色谱线。1868年8月18日，法国天文学家皮埃尔·让森在印度的贡土尔观测日全食时，发现了这条波长为587.49 nm的谱线。起初人们推测这条谱线来自钠。同年10月20日，英国天文学家约瑟夫·诺曼·洛克耶在太阳光谱中发现了一条黄线。由于这条谱线的波长和夫朗和斐谱线中钠产生的D1线和D2的波长相似，洛克耶将其命名为D3线。他还提出这条谱线来自太阳上的一种尚未在地球上发现的元素。洛克耶和英国化学家爱德华·弗兰克兰以希腊语中“ἥλιος”（helios，意为“太阳神赫利俄斯”）一词，将这一元素命名为Helium.

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1881年，意大利物理学家路易吉·帕尔米耶里在分析维苏威火山的岩浆时发现了氦的D3线，这是氦在地球上的首次发现记录。

1895年3月26日，苏格兰化学家威廉·拉姆齐爵士将钇铀矿（一种沥青铀矿，其质量的10%为稀土元素）用酸处理，首次在地球上分离出氦。拉姆齐当时在寻找氩，他用硫酸处理矿物，分离释放出的气体中的氮和氧。在剩下的气体中，他发现了一条和太阳光谱中的D3线吻合的黄色谱线。洛克耶和英国物理学家威廉·克鲁克斯鉴定了这一气体样品，证明了它是氦气，且氦非金属元素。同一年，两位化学家佩尔·特奥多尔·克莱韦和尼尔斯·朗勒特在瑞典乌普萨拉独立从钇铀矿中分离出氦；他们收集的氦足以测定这一元素的原子量。在拉姆齐分离氦之前，美国地质化学家威廉·弗朗西斯·希尔布兰德同样注意到一份沥青铀矿样品中的一条不寻常的谱线，并从中分离出氦；但他认为这些谱线来自氮气。他致拉姆齐的贺信是科学史上“发现”和“邻近发现”的一个有趣例子。

1907年，欧内斯特·卢瑟福与托马斯·罗伊兹让α粒子穿透玻璃壁进入真空管，向管中放电后观察管内气体的发射光谱，证明α粒子就是氦核。1908年，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯将氦冷却至不到1K的低温，从而首次制得液态氦。他还试着将氦固化，但是氦没有固、液、气三相平衡的三相点，因此他的尝试没有成功。1926年，昂内斯的学生威廉·亨德里克·科索姆在低温下向氦加压，制得了1 cm3的固态氦。

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1938年，苏联物理学家彼得·列昂尼多维奇·卡皮察发现氦-4在接近绝对零度时几乎没有粘度，从而发现了今天所说的超流体。这一现象和玻色-爱因斯坦凝聚有关。1972年，美国物理学家道格拉斯·奥谢罗夫、戴维·李、以及罗伯特·科尔曼·理查森发现氦-3也有超流体现象，但所需的温度比氦-4低得多。氦-3的超流体现象被认为和氦-3费米子配对形成玻色子有关，这种配对和超导体中电子形成的库珀对类似。

1903年，在德克斯特镇区 （英文：Dexter, Kansas）的一场钻油作业中，产生了一种不会燃烧的气体间歇泉。堪萨斯州的地质学家伊拉斯谟斯·哈沃斯收集了这些溢出气体的样本，并带回劳伦斯郡的堪萨斯大学，在化学家汉密尔顿·卡迪和戴夫·麦可法兰德的协助下，发现这种气体是由72%氮、15%甲烷、1%氢、12%的不明气体所组成。进一步的分析后，汉密尔顿·卡迪和戴夫·麦可法兰德发现样本中1.84%是氦。这显示了氦气虽然在地球上很罕见，但大量集中在北美大平原地区，可视作天然气的副产品并从中萃取。

这项发现也使美国成为全世界氦气的主要供应者。在理查德·特雷尔福尔理查德·特雷尔福尔爵士的建议下，第一次世界大战中，美国海军赞助了三座小型的氦气实验工厂。工厂的目标是提供比空气轻的不可燃气体供防空气球使用。在这个计划中，尽管先前已经获得了不到一立方米的天然气，但该计划共生产了5,700立方米（200,000立方英尺）的92％氦气。某些部分也运用在全球首艘氦气飞船──美国海军的C-7飞船，在1921年12月1日从维吉尼亚的汉普顿锚地首航至华盛顿哥伦比亚特区的博林地区。比起美国海军飞机工厂制造，在1923年9月启航的第一艘硬式氦气飞艇─雪南多亚号─将近提早了两年。

虽然萃取过程中运用的低温气体液化技术，在第一次世界大战时期间没有及时发展，但生产依然继续进行。氦气主要用于航空器中轻于空气的举升气体。在第二次世界大战中，因为举升气体与氦气屏蔽电弧焊接的用途，氦气的需求逐渐增加，而氦质谱仪在制作原子弹的曼哈顿计划中也非常重要。

1925年，为了供应战争时期军事飞艇、和平时期商业飞艇，美国政府在德克萨斯州的阿马里洛启用了国家氦储备。1925年的氦气法修正案，禁止出口氦气，使美国得以独占氦气生产，随着使用氦气的巨额花费，兴登堡飞船，如同所有的齐柏林飞船，被迫使用氢气当作举升气体。氦气市场在第第二次世界大战之后开始消沉，但为了确保液态氦的供应，储备在1950年代开始扩大，在太空竞赛与冷战当作制作氢氧火箭推进剂（及其他用途）的冷却液。在1965年在美国使用的氦气是战时高峰消耗量的八倍多。

在1960年的氦气法修正案（美国公法86–777）通过后，美国矿业局安排了五间私人工厂从天然气当中提取氦气。因应氦气保存计划，当局在堪萨斯州的布什顿建造了425英里（684公里）的管线，将这些工厂与德克萨斯州阿马里洛附近政府部分耗尽的克利夫赛德天然气田（Cliffside gas field）连接起来。这些氦-氮混合物被注入并储存在克利夫赛德天然气田，直到需要时再进一步的纯化。

到了1995年，收集与保存10亿立方米的气体花费了14亿美元的债务，促使美国国会在1996年淘汰储备。1996年的氦气法修正案（美国公法104–273）便针对美国内政部，要求清空储备，并于2005年开始销售。

氦气生产纯度在1930到1945年间大约为98.3%（2%氮气），为飞艇提供充足的燃料。在1945年，少量的99.9%氦气作为焊接用途。到了1949，就可取得商业量的A级99.5%氦气。

多年以来，美国生产全球超过90%商业用氦气，其余的是由在加拿大、波兰、俄罗斯和其他国家的萃取工厂制造。在1990年代中期，位于阿尔及利亚阿尔泽的新工厂开始作业后，制造了1700万立方米（6亿立方英尺），足够供应全欧洲的需求。同时，截至2000年，美国国内的氦气消耗量每年已成长超过1500万公斤。在2004至2006年间，在拉斯拉凡、卡塔、阿尔及利亚的斯基克达建立了更多的工厂。阿尔及利亚迅速成为氦气制造的第二大国。透过这次扩建，氦气的消耗量与生产成本都向上提升。从2002到2007年，氦气的价格翻了一倍。

截至2012年，美国国家氦储备占了全球30%的氦气，预估在2018年消耗殆尽。尽管如此，美国参议院所提议的法案仍允许继续贩售。其他大型储备位于美国堪萨斯州的休哥顿和附近的天然气田，以及德克萨斯州和奥克拉荷马州的突出部。新的工厂预估在2012年于卡塔、俄罗斯和美国的怀俄明州投产，但他们不被预期能缓解短缺。

在2013年，卡达启用了全球最大的氦气工厂，虽然2017年卡达外交危机严重影响当地的氦气生产。2014年被广泛认定为氦气贸易供过于求的一年，但随后几年却是明显的短缺。那斯达克报导（2015年）三福气体股份有限公司（Air Products）—— 一家销售工业用气体的国际公司─由于原料供应的限制，氦气量仍然处于经济压力之下。

### 名称由来

在皮埃尔·让森从太阳光谱中发现氦时，英国人洛克耶和弗兰克兰（E. F. Frankland）认为这种物质在地球上还没有发现，因此定名为“氦”（法文为hélium，英文为helium），源自希腊语ήλιος，意为“太阳”。

在中文里，晚清时由传教士创办的益智书会译作“氜”（读作“日”），以表示从太阳光中发现的气态元素。1915年，由中华民国教育部颁布的《无机化学命名草案》则采用发音与英文更为一致的“氦”，并沿用至今。

## 性质

氦气在所有气体中最难液化，沸点仅为4.22K，这源于氦极低的极性。同时，氦是唯一不能在标准大气压下固化的物质，也没有固-液-气三相点。基于类似的原因，氦在水中的溶解度也极小，20°C时每升水中仅能溶解8.61毫升。

液氦在温度降至2.178 K（−271 ℃）时，性质会发生突变，粘度极小，能形成只有几个原子厚度的薄膜，发生无粘度流动，成为一种超流体，称为氦(II)，正常的液氦称作氦(I)。这种氦(II)的表面张力很小，能沿容器壁向上流动，直到两边液面等高。此时的氦热传导性为铜的800倍，成为导热性能极佳的热导体。其比热容、压缩性等都是反常的。液氦的另一重要性质是能穿透许多常见材料，如PVC、橡胶与大部分玻璃，所以玻璃杜瓦瓶无法用于液氦的操作。

氦的化学性质很不活跃，一般状态下不会和其它物质反应，但目前已获得在高于113GPa压力下热力学稳定的Na2He，并且可能存在15GPa条件下结构类似的Na2HeO。

### 同位素

现时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α粒子（氦4原子核）而来。氦3的含量在地球上极少，而在月球上储量巨大，它们均是由超重氢（氚）的β衰变所产生。

## 分布

氦存在于整个宇宙中，按质量计占23%。但在自然界中主要存在于天然气或放射性矿石中。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。在地球上的放射性矿物中所含的氦是α衰变的产物。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。

## 制造

- 天然气分离法：工业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取。
- 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。

## 用途

由于氦很轻，而且不易燃，因此它可用于填充飞船、气球、温度计、电子管、潜水服等。也可用于原子反应堆和加速器、激光器、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（-273.15℃），因此它在超导研究中用作超流体，制造超导材料。液态氦还常用做冷却剂和制冷剂。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。

由于化学性质极其稳定，一般不与其它物质发生反应，氦气也用于防腐，毛泽东水晶棺内的气体即为氦气。

## 图片

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- 地层氦的发现者威廉·拉姆齐爵士

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- 一艘内里注满氦的飞船

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- 充满氦气，形似氦化学符号（He）的充气放电管

## 其它

### 对声音的影响

因为氦气传播声音的速度差不多为空气的三倍，这会改变人的声带的共振态，于是使得吸入氦气的人说话的声音的频率变高。这个有趣的现象使得吸入氦气的人说话尖声细气，就好像旧时代的卡通人物一样，与吸入六氟化硫后声音变粗正好相反。这种现象经常被错误地解释为音速的提高直接导致声音频率的增加，或者氦气使得声带振动变快。

### 危害

如果大量吸入氦气，会造成体内氧气被氦取代，因而发生缺氧。这样死亡的人数包括2003年在温哥华窒息的一名青年和2006年在南佛罗里达州窒息的两名成年人。1998年，来自维多利亚的一名澳大利亚女孩在吸入派对气球的全部氦气后失去知觉并脸色发蓝。另外，如果是由高压气瓶中直接吸入氦气，那么高流速且高压的氦气会导致气压伤，严重破坏肺部组织。

因氦造成的死亡很少见。媒体记录的第一个因氦死亡的案例是来自德克萨斯州的15岁女孩，她于1998年在朋友聚会上因吸入氦气而死亡，死亡的确切类型尚不清楚。

在美国，2000年至2004年间仅报告了两起氦气死亡事件，其中一名男子于2002年在北卡罗来纳州因气压伤死亡。2003年，在温哥华有一名青年窒息，而在2000年有一名27岁的澳大利亚男子在吸入氦气瓶的氦气后发生栓塞。2006年，有两名成年人在南佛罗里达窒息。在2009年和2010年也有案例，一名加利福尼亚青年被发现头上套着一个挂在一个氦气罐上的袋子，而在北爱尔兰的另一名青少年死于氦气导致的窒息。在俄勒冈州鹰角，一名少女于2012年在一次聚会上死于气压伤。同年，密歇根州的一名女孩因缺氧而死亡。

据爆料，2015年1月28日日本少女偶像团体3B junior的一名成员在参加BS朝日的综艺节目录影时，因玩变声游戏吸入氦气后失去意识陷入昏迷被送医治疗，该事件直到一星期后的2月4日才被公开。朝日电视台的工作人员紧急召开记者会，表示该成员已被送往医院，目前出现眼部和四肢活动等康复迹象，但意识尚未完全恢复。由于忽视安全措施，警方已展开调查。同年4月21日台湾艺人杨又颖吸入过量氦气自杀身亡。

液氦的危险性类似于液氮，其极度低温会造成冻伤，且如果不安装减压装置，氦的汽化膨胀比会引起爆炸。由于当温度低于10 K的氦气加热到室温时会发生快速而显着的热胀冷缩，因此装有5至10 K氦气的容器应当作装有液氦的容器进行处理。

大量而高压（20个大气压或2 MPa）的氦氧混合气体会造成高压紧张症候群，不过少量的氮就能够处理这问题。

## 相关

- 氦-2
- 氦-3
- 氦-4
- 氦-5
- 零号元素
- 反氦
- 氦化钠

## 基本资料

- 名称·符号·序数：helium
- 名称·符号·序数：2
- 名称·符号·序数：He
- left：氢
- right：锂
- 元素类别：稀有气体
- 族·周期·区：18
- 族·周期·区：1
- 族·周期·区：s
- 外貌：无色气体，高压电场下发橙红色光
- 标准原子质量：4.002602(2)
- 电子排布：1s2
- 电子排布：2
- 物态：气态
- 密度：0.1786
- 沸点时液体密度：0.125
- 熔点时液体密度：0.145
- 熔点：(at 2.5 MPa) 0.95
- 熔点：−272.20
- 熔点：−457.96
- 沸点：4.222
- 沸点：−268.928
- 沸点：−452.070
- 三相点：2.177
- 三相点：5.043
- 临界点：5.1953
- 临界点：0.22746
- 熔化热：0.0138
- 汽化热：0.0829
- 比热容：20.78
- vapor pressure 1：&nbsp
- vapor pressure 10：&nbsp
- vapor pressure 100：1.23
- vapor pressure 1 k：1.67
- vapor pressure 10 k：2.48
- vapor pressure 100 k：4.21
- vapor pressure comment：由ITS-90定义
- 晶体结构：六方密堆积
- oxidation states：0
- 电负性：N/A
- number of ionization energies：2
- 共价半径：28
- 范德华半径：140
- 磁序：抗磁性
- 磁化率：−1.88×10^−6
- 磁化率： (298 K)
- 热导率：0.1513
- 声速：972
- CAS号：7440-59-7
- 词源：来自赫利俄斯，希腊的太阳神
- 发现：皮埃尔·让森、约瑟夫·诺曼·洛克耶
- 发现：1868
- 分离：威廉·拉姆齐、佩尔·特奥多尔·克莱韦、尼尔斯·朗勒特
- 分离：1895