高纯氦

**氦**（拼音：hài，注音：ㄏㄞˋ；英語：Helium；源於希臘語：ἥλιος，轉寫為「helios」，直譯為「太陽」；舊譯**氜**）是一種化學元素，化學符號為 **He**，原子序數為 2，原子量為 4.002602 u。是一種無色、無臭、無味、無毒的惰性單原子氣體。它也是惰性氣體族的第一個元素。其單質熔點和沸點為所有元素中最低的。繼氫原子之後，氦是可觀宇宙中第二輕且含量第二高的元素，在全宇宙的元素質量中大約佔了 24%，超過其它原子總和的 12 倍。它的總含量和太陽或木星內的比例十分相似。這是因為和接下來三個元素比較起來，氦 - 4 有非常高的核結合能（每個核子中）。而它的高結合能也能解釋為何它是核融合與核衰變的產物。氦 - 4 是宇宙中氦最主要的同位素，最廣泛的來源形成於大霹靂時期。而新的氦形成於恆星內部的核融合反應。

氦是以希臘神話中泰坦族的太陽神 - 赫利奧斯命名。氦的首次發現是由喬治斯・雷頁特、C. T. 海格上尉、諾曼・R・波格森和約翰・赫歇爾中尉在 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爾斯・詹森證實有這條光譜，同時約瑟夫・諾曼・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爾斯・詹森和約瑟夫・諾曼・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皮・特奧多爾・克利夫和尼爾斯・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。

而液態氦則用於低溫（單用氦的最大宗，佔了四分之一），特別是在超導磁體的冷卻中，主要的商業應用是在 MRI 掃描儀中。 在工業上，氦氣有許多用途。例如：作為加壓和吹掃氣體、電弧焊接時的保護氣體、及參與製造晶體的化學反應過程（如製造矽晶圓時，氦氣佔所產生氣體的一半）。日常生活中的小用途則是作為氣球或飛艇上升所需的氣體。與密度和空氣密度不同的任何氣體一樣，吸入少量氦氣會暫時改變人聲的音調。在科研方面，氦 (4He) 兩個流體相 (He I & He II) 的表現性，對於科學家在研究量子力學 (特別是超流動性的性質) 及觀察如超導電性（產於近乎絕對零度）的現象是很重要的。

在地球上，它在大氣中的濃度為 5.2 ppm，較為稀少。今天陸地上大多數存在的為氦是由重放射性元素（例如釷和鈾的天然放射性衰變）產生的，這種衰變會發射出由氦 - 4 核組成的 α 粒子。該放射性氦被天然氣捕獲，其體積濃度可高達 7％，而後再經過分餾的低溫分離過程，以進行商業提取。先前，地球上的氦為不可再生資源，因為一旦釋放到大氣中，它很容易逃逸到太空，人們認為這種情況將會使氦日益短缺。然而，近來的研究指出，透過輻射衰變生成於地球深層的氦氣，在某些情況下透過火山運動被釋放，使得大氣中能被收集的氦氣量比預期的更多。

## 歷史

首個證明氦存在的證據是太陽色球的發射光譜中的一條亮黃色譜線。1868 年 8 月 18 日，法國天文學家皮埃爾・讓森在印度的貢土爾觀測日全食時，發現了這條波長為 587.49 nm 的譜線。起初人們推測這條譜線來自鈉。同年 10 月 20 日，英國天文學家約瑟夫・諾曼・洛克耶在太陽光譜中發現了一條黃線。由於這條譜線的波長和夫朗和斐譜線中鈉產生的 D1 線和 D2 的波長相似，洛克耶將其命名為 D3 線。他還提出這條譜線來自太陽上的一種尚未在地球上發現的元素。洛克耶和英國化學愛德華・弗蘭克蘭（英文：Edward Frankland）以希臘語中的ἥλιος（_helios_，意為「太陽」）一詞，將這一元素命名為 Helium.

1881 年，義大利物理學家路易吉・帕爾米耶里在分析維蘇威火山的岩漿時發現了氦的 D3 線，這是氦在地球上的首次發現記錄。

1895 年 3 月 26 日，蘇格蘭化學家威廉・拉姆齊爵士將釔鈾礦（一種瀝青鈾礦，其質量的 10% 為稀土元素）用酸處理，首次在地球上分離出氦。拉姆齊當時在尋找氬，他用硫酸處理礦物，分離釋放出的氣體中的氮和氧。在剩下的氣體中，他發現了一條和太陽光譜中的 D3 線吻合的黃色譜線。洛克耶和英國物理學家威廉・克魯克斯鑑定了這一氣體樣品，證明了它是氦氣，且氦非金屬元素。同一年，兩位化學家皮・特奧多爾・克利夫和尼爾斯・朗勒特在瑞典烏普薩拉獨立從釔鈾礦中分離出氦；他們收集的氦足以測定這一元素的原子量。在拉姆齊分離氦之前，美國地質化學家威廉・弗朗西斯・希爾布蘭德同樣注意到一份瀝青鈾礦樣品中的一條不尋常的譜線，並從中分離出氦；但他認為這些譜線來自氮氣。他致拉姆齊的賀信是科學史上「發現」和「鄰近發現」的一個有趣例子。

1907 年，歐內斯特・盧瑟福與托馬斯・羅伊茲讓 α 粒子穿透玻璃壁進入真空管，向管中放電後觀察管內氣體的發射光譜，證明 α 粒子就是氦核。1908 年，荷蘭物理學家海克・卡末林・昂內斯將氦冷卻至不到 1K 的低溫，從而首次製得液態氦。他還試著將氦固化，但是氦沒有固、液、氣三相平衡的三相點，因此他的嘗試沒有成功。1926 年，昂內斯的學生威廉・亨德里克・科索姆在低溫下向氦加壓，製得了 1 cm3 的固態氦。

1938 年，蘇聯物理學家彼得・列昂尼多維奇・卡皮察發現氦 - 4 在接近絕對零度時幾乎沒有粘度，從而發現了今天所說的超流體。這一現象和玻色 - 愛因斯坦凝聚有關。1972 年，美國物理學家道格拉斯・奧謝羅夫、戴維・李、以及羅伯特・科爾曼・理查森發現氦 - 3 也有超流體現象，但所需的溫度比氦 - 4 低得多。氦 - 3 的超流體現象被認為和氦 - 3 費米子配對形成玻色子有關，這種配對和超導體中電子形成的庫珀對類似。

1903 年，在德克斯特鎮區 （英文：Dexter, Kansas）的一場鑽油作業中，產生了一種不會燃燒的氣體間歇泉。堪薩斯州的地質學家伊拉斯謨斯・哈沃斯收集了這些溢出氣體的樣本，並帶回勞倫斯郡的堪薩斯大學，在化學家漢密爾頓・卡迪和戴夫・麥可法蘭德的協助下，發現這種氣體是由 72% 氮、15% 甲烷、1% 氫、12% 的不明氣體所組成。進一步的分析後，漢密爾頓・卡迪和戴夫・麥可法蘭德發現樣本中 1.84% 是氦。這顯示了氦氣雖然在地球上很罕見，但大量集中在北美大平原地區，可視作天然氣的副產品並從中萃取。

這項發現也使美國成為全世界氦氣的主要供應者。在理察・特雷爾福爾理察・特雷爾福爾爵士的建議下，第一次世界大戰中，美國海軍贊助了三座小型的氦氣實驗工廠。工廠的目標是提供比空氣輕的不可燃氣體供防空氣球使用。在這個計畫中，儘管先前已經獲得了不到一立方公尺的天然氣，但該計劃共生產了 5,700 立方公尺（200,000 立方英尺）的 92％氦氣。某些部分也運用在全球首艘氦氣飛船──美國海軍的 C-7 飛船，在 1921 年 12 月 1 日從維吉尼亞的漢普頓錨地首航至華盛頓哥倫比亞特區的博林地區。比起美國海軍飛機工廠製造，在 1923 年 9 月啟航的第一艘硬式氦氣飛艇─雪南多亞號─將近提早了兩年。

雖然萃取過程中運用的低溫氣體液化技術，在第一次世界大戰時期間沒有及時發展，但生產依然繼續進行。氦氣主要用於航空器中輕於空氣的舉升氣體。在第二次世界大戰中，因為舉升氣體與氦氣遮蔽電弧焊接的用途，氦氣的需求逐漸增加，而氦質譜儀在製作原子彈的曼哈頓計劃中也非常重要。

1925 年，為了供應戰爭時期軍事飛艇、和平時期商業飛艇，美國政府在德克薩斯州的阿馬里洛啟用了國家氦儲備。1925 年的氦氣法修正案，禁止出口氦氣，使美國得以獨占氦氣生產，隨著使用氦氣的巨額花費，興登堡飛船，如同所有的齊柏林飛船，被迫使用氫氣當作舉升氣體。氦氣市場在第第二次世界大戰之後開始消沉，但為了確保液態氦的供應，儲備在 1950 年代開始擴大，在太空競賽與冷戰當作製作氫氧火箭推進劑（及其他用途）的冷卻液。在 1965 年在美國使用的氦氣是戰時高峰消耗量的八倍多。

在 1960 年的氦氣法修正案（美國公法 86–777）通過後，美國礦業局安排了五間私人工廠從天然氣當中提取氦氣。因應氦氣保存計畫，當局在堪薩斯州的布希頓建造了 425 英里（684 公里）的管線，將這些工廠與德克薩斯州阿馬里洛附近政府部分耗盡的克利夫塞天然氣田連接起來。這些氦 - 氮混合物被注入並儲存在克利夫塞天然氣田，直到需要時再進一步的純化。

到了 1995 年，收集與保存 10 億立方公尺的氣體花費了 14 億美元的債務，促使美國國會在 1996 年淘汰儲備。1996 年的氦氣法修正案（美國公法 104–273）便針對美國內政部，要求清空儲備，並於 2005 年開始銷售。

氦氣生產純度在 1930 到 1945 年間大約為 98.3%（2% 氮氣），為飛艇提供充足的燃料。在 1945 年，少量的 99.9% 氦氣作為焊接用途。到了 1949，就可取得商業量的 A 級 99.5% 氦氣。

多年以來，美國生產全球超過 90% 商業用氦氣，其餘的是由在加拿大、波蘭、俄羅斯和其他國家的萃取工廠製造。在 1990 年代中期，位於阿爾及利亞阿爾澤的新工廠開始作業後，製造了 1700 萬立方公尺（6 億立方英呎），足夠供應全歐洲的需求。同時，截至 2000 年，美國國內的氦氣消耗量每年已成長超過 1500 萬公斤。在 2004 至 2006 年間，在拉斯拉凡、卡塔、阿爾及利亞的斯基克達建立了更多的工廠。阿爾及利亞迅速成為氦氣製造的第二大國。透過這次擴建，氦氣的消耗量與生產成本都向上提升。從 2002 到 2007 年，氦氣的價格翻了一倍。

截至 2012 年，美國國家氦儲備占了全球 30% 的氦氣，預估在 2018 年消耗殆盡。儘管如此，美國參議院所提議的法案仍允許繼續販售。其他大型儲備位於美國堪薩斯州的休哥頓和附近的天然氣田，以及德克薩斯州和奧克拉荷馬州的突出部。新的工廠預估在 2012 年於卡塔、俄羅斯和美國的懷俄明州，但他們不被預期能緩解短缺。

在 2013 年，卡達啟用了全球最大的氦氣工廠，雖然 2017 年卡達外交危機嚴重影響當地的氦氣生產。2014 年被廣泛認定為氦氣貿易供過於求的一年，但隨後幾年卻是明顯的短缺。那斯達克報導（2015 年）三福氣體股份有限公司（Air Products）—— 一家銷售工業用氣體的國際公司─由於原料供應的限制，氦氣量仍然處於經濟壓力之下。

### 名稱由來

在皮埃爾・讓森從太陽光譜中發現氦時，英國人洛克耶和弗蘭克蘭（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」。

在中文里，晚清時由傳教士創辦的益智書會譯作「氜」（讀作「日」），以表示從太陽光中發現的氣態元素。1915 年，由中華民國教育部頒布的《無機化學命名草案》則採用發音與英文更為一致的「氦」，並沿用至今。

## 性質

氦氣在所有氣體中最難液化，沸點僅為 4.22K，這源於氦極低的極性。同時，氦是唯一不能在標準大氣壓下固化的物質，也沒有固 - 液 - 氣三相點。基於類似的原因，氦在水中的溶解度也極小，20°C 時每升水中僅能溶解 8.61 毫升。

液氦在溫度降至 2.178 K（−271 ℃）時，性質會發生突變，粘度極小，能形成只有幾個原子厚度的薄膜，發生無粘度流動，成為一種超流體，稱為氦 (II)，正常的液氦稱作氦 (I)。這種氦 (II) 的表面張力很小，能沿容器壁向上流動，直到兩邊液面等高。此時的氦熱傳導性為銅的 800 倍，成為導熱性能極佳的熱導體。其比熱容、壓縮性等都是反常的。液氦的另一重要性質是能穿透許多常見材料，如 PVC、橡膠與大部分玻璃，所以玻璃杜瓦瓶無法用於液氦的操作。

氦的化學性質很不活躍，一般狀態下不會和其它物質反應，但目前已獲得在高於 113GPa 壓力下熱力學穩定的 Na2He，並且可能存在 15GPa 條件下結構類似的 Na2HeO。

### 同位素

現時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 α 粒子（氦 4 原子核）而來。氦 3 的含量在地球上極少，而在月球上儲量巨大，它們均是由超重氫（氚）的 β 衰變所產生。

## 分布

氦存在於整個宇宙中，按質量計占 23%。但在自然界中主要存在於天然氣或放射性礦石中。在地球大氣層中，氦的濃度十分低，只有體積比百萬分之 5.2。在地球上的放射性礦物中所含的氦是 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，大約占整個體積的 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。

## 製造

1. 天然氣分離法：工業主要以含有氦的天然氣為原料反覆進行液化分餾，然後利用活性炭吸附提純得到純氦。
2. 合成氨法：在合成氨中，從尾氣經分離提純可得氦。
3. 空氣分餾法：從液態空氣中用分餾法從氖氦混合氣中提取。
4. 鈾礦石法：將含氦的鈾礦石經過焙燒，分離出氣體，再經過化學方法，除去水蒸氣、氫氣和二氧化碳等雜質提純出氦。

## 用途

由於氦很輕，而且不易燃，因此它可用於填充飛船、氣球、溫度計、電子管、潛水服等。也可用於原子反應爐和加速器、雷射器、冶煉和焊接時的保護氣體，還可用來填充燈泡和霓虹燈管，也用來製造泡沫塑膠。

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。

液體氦的溫度（-268.93℃）接近絕對零度（-273.15℃），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。

由於化學性質極其穩定，一般不與其它物質發生反應，氦氣也用於防腐，毛澤東水晶棺內的氣體即為氦氣。

## 圖片

* * *

## 其它

### 對聲音的影響

因為氦氣傳播聲音的速度差不多為空氣的三倍，這會改變人的聲帶的共振態，於是使得吸入氦氣的人說話的聲音的頻率變高。這個有趣的現象使得吸入氦氣的人說話尖聲細氣，就好像舊時代的卡通人物一樣，與吸入六氟化硫後聲音變粗正好相反。這種現象經常被錯誤地解釋為音速的提高直接導致聲音頻率的增加，或者氦氣使得聲帶振動變快。

### 危害

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。這樣死亡的人數包括 2003 年在溫哥華窒息的一名青年和 2006 年在南佛羅里達州窒息的兩名成年人。1998 年，來自維多利亞的一名澳大利亞女孩在吸入派對氣球的全部氦氣後失去知覺並臉色發藍。另外，如果是由高壓氣瓶中直接吸入氦氣，那麼高流速且高壓的氦氣會導致氣壓傷，嚴重破壞肺部組織。

因氦造成的死亡很少見。媒體記錄的第一個因氦死亡的案例是來自德克薩斯州的 15 歲女孩，她於 1998 年在朋友聚會上因吸入氦氣而死亡，死亡的確切類型尚不清楚。

在美國，2000 年至 2004 年間僅報告了兩起氦氣死亡事件，其中一名男子於 2002 年在北卡羅來納州因氣壓傷死亡。2003 年，在溫哥華有一名青年窒息，而在 2000 年有一名 27 歲的澳大利亞男子在吸入氦氣瓶的氦氣後發生栓塞。2006 年，有兩名成年人在南佛羅里達窒息。在 2009 年和 2010 年也有案例，一名加利福尼亞青年被發現頭上套著一個掛在一個氦氣罐上的袋子，而在北愛爾蘭的另一名青少年死於氦氣導致的窒息。在俄勒岡州鷹角，一名少女於 2012 年在一次聚會上死於氣壓傷。同年，密西根州的一名女孩因缺氧而死亡。 

據爆料，2015 年 1 月 28 日日本少女偶像團體 3B junior 的一名成員在參加 BS 朝日的綜藝節目錄影時，因玩變聲遊戲吸入氦氣後失去意識陷入昏迷被送醫治療，該事件直到一星期後的 2 月 4 日才被公開。朝日電視台的工作人員緊急召開記者會，表示該成員已被送往醫院，目前出現眼部和四肢活動等康復跡象，但意識尚未完全恢復。由於忽視安全措施，警方已展開調查。同年 4 月 21 日台灣藝人楊又穎吸入過量氦氣自殺身亡。

液氦的危險性類似於液氮，其極度低溫會造成凍傷，且如果不安裝減壓裝置，氦的汽化膨脹比會引起爆炸。由於當溫度低於 10 K 的氦氣加熱到室溫時會發生快速而顯著的熱脹冷縮，因此裝有 5 至 10 K 氦氣的容器應當作裝有液氦的容器進行處理。

大量而高壓（20 個大氣壓或 2 MPa）的氦氧混合氣體會造成高壓緊張症候群，不過少量的氮就能夠處理這問題。

## 相關

* 氦 - 2
* 氦 - 3
* 氦 - 4
* 氦 - 5
* 零號元素
* 反氦
* 氦化鈉

## 注釋

## 參考文獻

## 外部連結

* 元素氦在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的介紹（英文）
* EnvironmentalChemistry.com —— 氦（英文）
* 元素氦在 _The Periodic Table of Videos_（諾丁漢大學）的介紹（英文）
* 元素氦在 Peter van der Krogt elements site 的介紹（英文）
* WebElements.com – 氦（英文）