氦：从太阳发现到超低温应用的奇妙之旅

氦：从太阳发现到超低温应用的奇妙之旅

氦（Helium）是一种稀有气体元素，原子序数为2，原子量为4.002602。它在宇宙中的含量仅次于氢，但在地球上的含量却极为稀少。氦的发现始于19世纪末对太阳光谱的研究，而其独特的物理性质，如超流性和超导性，使其在现代科技中扮演着重要角色。

基本性质

氦在通常情况下为无色、无味的气体；熔点-272.2°C(25个大气压)，沸点-268.9°C；密度0.1785克/升，临界温度-267.8°C，临界压力2.26大气压；水中溶解度8.61厘米³/千克水。氦是唯一不能在标准大气压下固化的物质。液态氦在温度下降至2.18K时，性质发生突变，成为一种超流体，能沿容器壁向上流动，热传导性为铜的800倍，并变成超导体；其比热容、表面张力、压缩性都是反常的。

发现历史

1868年，法国天文学家詹森在观察日全食时，利用分光镜观察日珥，发现了一条不属于任何已知元素的新线，将其命名为氦。20多年后，英国化学家拉姆赛在研究钇铀矿时发现了这种气体，并通过光谱分析确认了其与詹森发现的D3线一致。1908年，荷兰物理学家卡美林·奥涅斯首次成功制备了液态氦。

物理性质

氦是最不活泼的元素，基本上不形成化合物。液态氦在科学研究中具有重要应用，如在低温环境下进行物理实验。当温度降至2.18K时，液态氦会表现出超流性，能够沿容器壁向上流动，热传导性显著增强。此外，某些金属在液态氦的温度下会呈现超导性，电阻消失。

应用领域

氦的主要应用包括：

• 作为保护气体，用于焊接和冶炼过程
• 用作气冷式核反应堆的工作流体
• 作为超低温冷冻剂
• 充填气球、电子管、温度计和潜水服等

科学意义

氦的发现和研究涉及多个科学领域，包括物理学、天文学、化学和地质学。通过研究氦，科学家们能够探索物质在极端条件下的行为，推动低温物理学的发展。同时，氦在天文学中也有重要应用，如研究恒星内部的核聚变过程。

未来展望

尽管人类对氦的认识已经相当深入，但仍有许多未解之谜等待探索。例如，如何进一步降低温度以研究物质在更接近绝对零度条件下的性质，以及氦在宇宙中的分布和演化等。这些研究不仅能够深化我们对氦元素的理解，还有助于推动相关科学领域的发展。