稀有气体：从神秘元素到现代科技的基石

稀有气体：从神秘元素到现代科技的基石

稀有气体，又称惰性气体或贵重气体，是元素周期表上的0族元素。它们在常温常压下都是无色无味的单原子气体，化学性质极其稳定，很难与其他元素发生反应。稀有气体共有七种，包括氦（He）、氖（Ne）、氩（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）、氡（Rn）和气奥（Og）。其中，气奥是一种人工合成的放射性元素，半衰期仅有5毫秒。

稀有气体的命名经历了多次变化。最初，由于化学家认为它们在自然界中很罕见，因此被称为稀有气体（rare gases）。然而，这种说法并不完全准确，例如氩气在地球大气层中的含量高达0.923%，远超过二氧化碳（0.03%）。因此，化学家又将它们称为惰性气体（inert gases），强调它们的化学性质稳定，不易与其他元素发生反应。近年来的研究表明，稀有气体在特定条件下也可以形成化合物，因此现在更常被称为贵重气体（noble gases）。

稀有气体的发现历史可以追溯到1868年，当时天文学家在太阳光谱中发现了一条特殊的黄色谱线D3，这与已知的钠元素谱线不同。随后，科学家将这种元素命名为“氦”，意为“太阳元素”。20多年后，拉姆塞通过实验在地球上证实了氦元素的存在。1895年，美国地质学家希尔布兰德观察到钇铀矿在硫酸中加热会产生一种不能自燃、也不能助燃的气体。拉姆塞重复了这一实验，并通过光谱分析确认这种气体就是太阳元素氦。

1902年，德米特里·门捷列夫将氦和氩元素纳入他的元素周期表，并将其分类为0族。拉姆塞继续使用分馏法分离液态空气，于1898年发现了氪、氖和氙三种新元素。氡气于1898年由弗里德里希·厄恩斯特·当发现，最初取名为镭放射物，直到1904年才发现其特性与其他稀有气体相似。

稀有气体的发现对原子结构理论的发展产生了重要影响。1895年，法国化学家亨利·莫瓦桑尝试使氟与氩反应但未成功。直到20世纪末，科学家才陆续制备出稀有气体化合物。1962年，尼尔·巴特利特发现了首个稀有气体化合物六氟合铂酸氙。随后，其他稀有气体化合物如二氟化氪、二氟化氡等相继被发现。2000年，第一种稳定的氩化合物氟氩化氢（HArF）在40K（-233.2℃）下成功制备。

稀有气体的化学性质极其稳定，其原子结构决定了它们的稳定性。稀有气体原子的最外层电子结构为ns2np6（氦为1s2），是最稳定的结构。它们的最外电子层的电子已“满”（即已达成八隅体状态），因此在一般条件下不容易得到或失去电子而形成化学键，表现出化学性质很不活泼。

稀有气体在工业、医学、尖端科学技术等领域有着广泛的应用。利用稀有气体极不活动的化学性质，有的生产部门常用它们来作保护气。例如，在焊接精密零件或镁、铝等活泼金属，以及制造半导体晶体管的过程中，常常用氩作保护气。原子能反应堆的核燃料钚，在空气里也会迅速氧化，也需要在氩气保护下进行机械加工。电灯泡里充氩气可以减少钨丝的气化和防止钨丝氧化，以延长灯泡的使用寿命。

稀有气体通电时会发光。世界上第一盏霓虹灯是填充氖气制成的（霓虹灯的英文原意是“氖灯”）。氖灯射出的红光，在空气里透射力很强，可以穿过浓雾。因此，氖灯常用在机场、港口、水陆交通线的灯标上。灯管里充入氩气或氦气，通电时分别发出浅蓝色或淡红色光。有的灯管里充入了氖、氩、氦、水银蒸气等四种气体（也有三种或两种的）的混合物。由于各种气体的相对含量不伺，便制得五光十色的各种霓虹灯。人们常用的荧光灯，是在灯管里充入少量水银和氩气，并 在内壁涂荧光物质（如卤磷酸钙）而制成的。通电时，管内因水银蒸气放电而产生紫外线，激发荧光物质，使它发出近似日光的可见光，所以又叫做日光灯。氪可降低灯丝的蒸发率而常用于色温和效率更高性能白炽灯，特别在卤素灯中可将氪与少量碘或溴的化合物混合充入。氙通常用于氙弧灯，因为它们的近连续光谱与日光相似。这种灯可用于电影放映机和汽车前灯等。

稀有气体可以制成多种混合气体激光器。氦-氖激光器就是其中之一。氦氖混合气体被密封在一个特制的石英管中，在外界高频振荡器的激励下，混合气体的原子间发生非弹性碰撞，被激发的原子之间发生能量传递，进而产生电子跃迁，并发出与跃迁相对应的受激辐射波，近红外光。氦-氖激光器可应用于测量和通讯。稀有气体可用于准分子激光器，这是因为它们可形成短暂存在的电子激发态受激子（英语：excimer）。这些用于激光器的受激子可能是稀有气体二聚体，例如Ar2、Kr2或Xe2，更有可能是与卤素结合的受激子，例如ArF、KrF、XeF或XeCl。这些激光器产生波长较短的紫外线，其中ArF产生的紫外线波长为193纳米，而KrF为248纳米。这种高频率的激光使高精密成像成为现实。准分子激光有诸多工业、医药和科学用途。集成电路制造过程中的显微光刻法和微制造必须用到准分子激光。激光手术，例如血管再成形术和眼部手术也需用到准分子激光。

氦气是除了氢气以外最轻的气体，可以代替氢气装在飞艇里，不会着火和发生爆炸。液态氦的沸点为-269℃，是所有气体中最难液化的，利用液态氦可获得接近绝对零度（-273.15℃）的超低温。氦气还用来代替氮气作人造空气，供探海潜水员呼吸，因为在压强较大的深海里，用普通空气呼吸，会有较多的氮气溶解在血液里。当潜水员从深海处上升，体内逐渐恢复常压时，溶解在血液里的氮气要放出来形成气泡， 对微血管起阻塞作用，引起“气塞症”。氦气在血液里的溶解度比氮气小得多，用氦跟氧的混合气体（人造空气）代替普通空气，就不会发生上述现象。温度在2.2K以上的液氦是一种正常液态，具有一般液体的通性。温度在2.2K以下的液氦则是一种超流体，具有许多反常的性质。例如具有超导性、低粘滞性等。它的粘度变得为氢气粘度的百分之一，并且这种液氦能沿着容器的内壁向上流动，再沿着容器的外壁往下慢慢流下来。这种现象对于研究和验证量子理论很有意义。

氩气经高能的宇宙射线照射后会发生电离。利用这个原理，可以在人造地球卫星里设置充有氩气的计数器。当人造卫星在宇宙空间飞行时，氩气受到宇宙射线的照射。照射得越厉害，氩气发生电离也越强烈。卫星上的无线电机把这些电离信号自动地送回地球，人们就可根据信号的大小来判定空间宇宙辐射带的位置和 强度。

氪能吸收X射线，可用作X射线工作时的遮光材料。

氙灯还具有高度的紫外光辐射，可用于医疗技术方面。氙能溶于细胞质的油脂里，引起细胞的麻醉和膨胀，从而使神经末梢作用暂时停止。人们曾试用80%氙和20%氧组成的混合气体，作为无副作用的麻醉剂。在原子能工业上，氙可以用来检验高速粒子、粒子、介子等的存在。

氪、氙的同位素还被用来测量脑血流量等。

氡是自然界唯一的天然放射性气体，氡在作用于人体的同时会很快衰变成人体能吸收的氡子体，进入人体的呼吸系统造成辐射损伤，诱发肺癌。一般在劣质装修材料中的钍杂质会衰变释放氡气体，从而对人体造成伤害。体外辐射主要是指天然石材中的辐射体直接照射人体后产生一种生物效果，会对人体内的造血器官、神经系统、生殖系统和消化系统造成损伤。然而，氡也有着它的用途，将铍粉和氡密封在管子内，氡衰变时放出的α粒子与铍原子核进行核反应，产生的中子可用作实验室的中子源。氡还可用作气体示踪剂，用于检测管道泄漏和研究气体运动。

稀有气体在工业、医学、尖端科学技术等领域有着广泛的应用。随着科技的发展，稀有气体的应用领域还在不断拓展，为人类社会的进步做出了重要贡献。