杭州成丰气体有限公司

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He。10年前，He球遍布大街小巷，He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，大量气球集中裂的话甚至有的危险。气球内填充的气体为什么要换成氢气呢？

气球改变的原因很简单，相较于10年前，He的成本翻了三倍都不止，气球这种廉价小玩具自然充不起He。那么，He为什么变得这么贵呢？He算是意义上的“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·洛基尔也地发现了这条黄线,并把发出黄光的这种元素命名为“He”。此后的20多年间，人们都没能在地球内找到He，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“He”，人们终于在地球上也找到了He！当然，这时候人们还不知道He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He就这样放上了天。作为分子量仅小于氢的元素，He是宇宙大后早产生的物质之一，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He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He和太阳光发射出的He也无法保留在地球上。

地球上He来源只有性物质矿区。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性元素，这些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He-4原子核，也就是我们需要的He。这些He在地下积累，人们在大规模开采性矿产的过程中就能收集到He。现在地球上He储量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He的更多产区，也没有制造He的方法，渐渐地He就越用越少了，价格也逐年上涨。

现代社会不可或缺的He

He价格水涨船高的原因不仅是储量渐少，还因为人们发现了He除了充气球之外更多的功能。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。超导磁体能地传输电能且几乎不产生热量，是磁悬浮列车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He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He，比如长达27千米的欧洲强子对撞机就用了大约130吨液He将其中的超导磁体冷却到-271.3℃，这130吨液He就占到全球He产量的1%，更别提世界各地的磁悬浮列车和医院中的成像仪用到的液He了。He还经常作为保护气体被填充到原子反应堆和激光器等设备中，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He隔绝氧气。因为He扩散性能强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。

He还有一个非常有意思的用途。许多人都有过吸一口He，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He。人们在进行深度潜水时受到的压力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，人就会出现甚至昏厥的现象，俗称“氮醉”，这在潜水过程中是很危险的。而He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内，因此，人们在氧气罐中加入了He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，我们常与He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HeNe激光器进行识别。HeNe激光器中充入了体积比约为10∶1的He和Ne，在受到光线照射时，He传递汇聚光能，Ne受激产生辐射，发射出激光。HeNe激光器作为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，HeNe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He

一方面是日益减少的He库存，另一方面是逐渐扩大的He用量。供不应求的情况下，He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He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直接的办法就是节流，现在医院里常用的仪基本安装着密闭性良好、减少蒸发量的液He装置，大大减少了液He的需求量。既然超导磁体是He使用的大头，那么有没有办法能减少这一领域He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He制冷，用无液He的制冷机来达到超导磁体的工作温度。当然，开源才是保证He源源不绝的根本方法。地球大气中含有约0.0005%的He，尽管很少，但在He供不应求时，人们还是会利用气体的沸点不同的原理，将He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He。原来，因为月球自身没有磁场，太阳辐射出来的He粒子能在月壤内“安营扎寨”。相比之下，辐射到地球上的He粒子在地球磁场的作用下，沿着地球磁力线慢慢扩散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He元素，而等量的地球土壤仅能生产10千克He。

曾经我们开心地玩着He球的日子里，应该没人能想到不过十几年，我们就要面对无He可用的困境吧？除了He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选择。