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“太阳元素”贵得没道理  

2009-09-22 14:46:37|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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作者  刘夙

1868年8月18日,即中国的捻军全军覆灭后两天,法国天文学家彼埃尔?让桑(Pierre Janssen)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。那次日全食的观测条件比今年中国的这次略好一点,乌云是等日全食结束之后才布满天空的。第二天阴云散尽,让桑试着再次观察太阳光谱,惊喜地发现那条陌生的黄线还在原来的位置上。

“骇”人的元素非常懒惰

一个月之后,让桑把自己的观察写成报告投寄出去。可惜当时没有飞机,这报告用了两个月时间才到达法国,那时候英国天文学家约瑟夫·洛基尔(Joseph Lockyer)—后来成为著名科学杂志《自然》的创办人和第一位主编—也独立地发现了这条黄线,还猜测它是一种太阳独有的新元素发出的。洛基尔把这种元素命名为“氦”,这个中文名听上去貌似挺“骇”人,但它其实是英语helium(来自希腊语“太阳”)一词首音节的音译。

如果说“太阳元素”的发现让科学界惊到九分,那么当1895年英国化学家威廉·拉姆塞(William Ramsay)从一种含铀矿物中分离到氦的时候,“太阳元素竟然在地球上存在”的消息就让科学界惊到十分了。人们这才知道,原来氦是一种惰性气体,几乎不能和其他任何元素化合,而且极难液化。在常压下把温度降到-253°C,多数气体都会 凝结,氦气却依然如故。只有在-269°C低温的淫威下,氦气才乖乖就范。

也许你会感到意外,氦气最主要的来源不是空气,而是天然气。原来氦气在干燥空气中含量极微,平均只有百万分之五,天然气中最高则可含7.5%的氦,是空气的一万五千倍。可是这种高氦的天然气矿藏并不多,因为天然气中的氦气是铀之类的放射性元素衰变的产物。只有在天然气矿附近有铀矿时,氦气才能在天然气中汇集。这种鱼与熊掌兼得的美事有一半多都被美国占去了,现在美国生产的氦气要占世界总产量的80%以上。中国虽然也有一定的天然气资源,可是到目前为止,唯有四川自贡威远的气田曾得到提氦利用,其中的氦含量只有0.2%,而且现在已经枯竭。今天中国的氦气几乎都需要进口,由于近两年价格攀升,一般商用的液氦竟然卖到了每升200元。这也就是说,假如你呼出的气都是氦气,那么在安静状态下你呼出的每一口气都值100元!

缺乏氦气的后果

其实如果地球上没有氦,也许我们的生活并不会受到太大的影响。氦气的密度要比空气小得多,所以如果往气球和飞艇里充入氦气,气球和飞艇会冉冉升起,让我们不用坐飞机也能实现飞到空中的梦想。可是如果我们没有氦气球和氦气飞艇,起码还有氢气、热气气球和飞艇。当然,因为氢气和空气混合后会爆炸,所以氢气球和氢气飞艇并不安全。氢气飞艇曾经被当做大型载人飞行器使用,但是在1937年德国的“兴登堡号”飞艇在美国着陆时不慎着火爆炸之后,它就彻底退出了历史舞台。不过,热气球和热气飞艇还是比较安全的,而且飞行一次的花费也比较便宜。

潜水员常常要使用氦气和氧气混合而成的人造空气。这是因为在水下的高压环境下,氮气会溶解在血液中,当潜水员上浮的时候压力减小,血中的氮气便纷纷逸出,形成气泡堵塞血管,使潜水员患上极为难受的“减压症”。氦气在高压下也难溶于水,所以用它来代替氮气就可以解决这个问题。不过如果我们没有氦气,我们还可以用氖气—它在高压下也难溶于水。

氦气在电焊、硅晶片生产中还可以用做保护气,它可以隔绝氧气,避免电焊工件、单质硅和氧气发生讨厌的化学反应。据美国政府有关部门统计,2000年美国消耗的所有氦气中,有18%用在了焊接上,还有16%用作其他工业的保护气。不过如果没有氦气,氩气一样可以出色地完成服务,而且还便宜得多。

几国欢笑几国愁

要说缺乏氦气最严重的后果,也无非是严重阻碍低温技术的应用,其中受到最大影响的就是低温超导技术了。现在已知所有的超导材料都要在-130°C以下的低温中才能表现出超导特性,其中应用最广泛的那几种(比如Nb3Sn)更是需要比液氢的沸点还低的转变温度,这时候只有液氦能比较简便地实现这样的极低温。虽然我们完全可以用别的办法实现同样的低温,但都不如液氦实惠。显然,假如我们没有氦,低温超导技术的普及就会受到严重的阻碍;低温超导技术如果不能普及,医院就会用不起核磁共振成像仪(它需要超导材料制造强磁场)。不过说实在的,在医学上,核磁共振成像仪只不过是诊断病症的一种工具罢了。即使没有这个工具,我想我们总不至于永远诊断不了疾病吧……

可是,上面这些都只不过是些“假如”罢了。事实是地球上偏偏要有这种“太阳元素”矿产,结果就是“几国欢笑几国愁”。这也算是人类的宿命吧。

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