一直以來(lái)我們被灌輸?shù)乃枷胧?,氫氣球非常危險(xiǎn),那些非法灌裝售賣(mài)的氫氣球造成爆燃事故觸目驚心,因此每次都在買(mǎi)氣球時(shí)再三確認(rèn)是不是氫氣!而氦氣球卻是一種惰性氣體,它不會(huì)燃燒,不會(huì)爆炸,非常安全!
如此安全的氣球,為什么要禁止?這么安全的的氣球,為什么要禁止它呢?其這得從一次事故說(shuō)起!1986年美國(guó)克利夫蘭的慈善組織為了給貧困家庭和兒童籌集資金,組織了一次超大型慈善氣球節(jié),所有氣球均已一美元出售,所得收益全部捐給困難家庭救助基金,計(jì)劃是售出200萬(wàn)個(gè)氣球,但因當(dāng)時(shí)天氣不好,完成了70%的目標(biāo),大約140萬(wàn)個(gè),打算統(tǒng)一釋放,以壯觀的場(chǎng)面表達(dá)全城人的愛(ài)心!
如此創(chuàng)意的活動(dòng)獲得了空前的支持,圍觀群眾人山人海,為達(dá)到最大的效果,主辦方?jīng)Q定一起釋放,得到了現(xiàn)場(chǎng)民眾一致的支持,但未曾想,一場(chǎng)災(zāi)難正在臨近!這些氣球釋放后,并沒(méi)有想象當(dāng)中的迅速飛離,由于當(dāng)天遭遇冷空氣,氦氣密度稍高,浮空效果并不好,停留在低空四處漂??!
更麻煩的是大部隊(duì)氣球飄向了克利夫蘭機(jī)場(chǎng),造成了多架飛機(jī)緊急降落,機(jī)場(chǎng)被迫關(guān)閉,這些四處游蕩的氦氣球還在高速公路上造成了事故,最后漏氣的氦氣球在城市周?chē)教幎际牵1?,公路房頂,甚至還造成漁民溺水身亡,最后主辦方遭到訴訟收?qǐng)?,賠償了百萬(wàn)美元!
氦,宇宙中第二豐富的元素,卻無(wú)法在地球上再生!氦氣球?qū)е铝巳绱藝?yán)重的事故,在克利夫蘭氣球?yàn)?zāi)難發(fā)生后,全世界再無(wú)組織敢冒天下之大不韙釋放百萬(wàn)氣球了,當(dāng)然這并不是關(guān)鍵,而是因?yàn)楹獗旧恚堑厍蛏蠠o(wú)法再生的戰(zhàn)略資源!
氦是怎么來(lái)的?
氦是宇宙大爆炸就產(chǎn)生了基本元素,它的最終源頭來(lái)自太初合成,大爆炸后大約10^-6秒時(shí)中子夸克和膠子就因?yàn)闇囟鹊慕档驼Q生了中子和質(zhì)子等重子!溫度繼續(xù)降低,這些質(zhì)子和中子就聚合成了氫、氦和鋰,而宇宙中原初元素的豐度,比例大約是氫:75%,氦四:25%,氘:0.01%,鋰:痕量!
相信您一定看到了氘,這是氫的同位素,還有氦四,也就是我們俗稱(chēng)的氦,還有一種是氦三,在月壤中存在比例比較高,因?yàn)樗鼇?lái)自太陽(yáng),質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)會(huì)生成氦三,并且通過(guò)太陽(yáng)風(fēng)到達(dá)地球,卻被磁場(chǎng)阻擋,而月球無(wú)磁場(chǎng)和大氣,因此就留在了月壤中!
氫也很輕,為什么地球上有的是氫卻沒(méi)有氦?
您肯定已經(jīng)想到了,氦因?yàn)槊芏群艿?,它在大氣層中不?huì)留在底層,很快就會(huì)跑到最高,然后在高能粒子的轟擊下加速逃逸了,所以大氣中有惰性氣體卻包含氦!那么比氦還要輕的氫為什么不稀有呢?
因?yàn)闅淇梢院秃芏辔镔|(zhì)組成化合物,比如水,比如硫化氫,或者磷化氫等等,當(dāng)然后面兩個(gè)都不是啥好東西,都有毒,不過(guò)是化工原料!而水則是H2O,氫氧燃燒即可獲得水,地球上可能出了大地就剩下海洋了,要多少有多少!最簡(jiǎn)單的方式就是電解即可在正極收集到氫!而氦無(wú)法組成化合物,所有地表留不下氦!
氦躲在哪里呢?
就在放射性元素釋放的α(阿爾法)射線中,比如鈾就會(huì)因?yàn)棣了プ儾粩噌尫懦靓亮W?,這種粒子就是兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成的氦四原子核,釋放的α粒子捕獲電子就成了氦原子,這些放射性元素很重,因此在地球誕生的熔融狀態(tài)下,大都下沉到了地幔和地核,地球熔融態(tài)的內(nèi)核熱量大部分都來(lái)自于放射性產(chǎn)生的能量釋放。
但這個(gè)α衰變產(chǎn)生氦的速度很慢,大約一千克鈾礦物衰變一年,才能得到大約0.1立方毫米的氦,這個(gè)小氣泡只有0.00000002克,一噸鈾每年也只能產(chǎn)生0.00002克的氦氣,當(dāng)然釷和氡的衰變也會(huì)產(chǎn)生氦,只要是α衰變就能產(chǎn)生氦!
這些氦氣在地下積累,通過(guò)巖漿的包覆來(lái)到地面,所以可以在火成巖中可以分離出氦,但含量很低,大規(guī)模的開(kāi)采仍然需要天然的氦氣富集,全球氦資源最豐富的是美國(guó),1903年,在堪薩斯州的德克斯特鎮(zhèn)區(qū)在石油鉆探過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)不會(huì)燃燒的天然氣間歇泉。
地質(zhì)學(xué)家地質(zhì)學(xué)家伊拉斯謨斯·哈沃斯經(jīng)過(guò)化學(xué)家漢密爾頓·卡迪和戴夫·麥可法蘭德的協(xié)助,分析出了這種氣體有72%氮、15%甲烷、1%氫、12%的不明氣體組成,進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),還有1.84%的氦!這一發(fā)現(xiàn)讓美國(guó)成了世界上的氦氣主要供應(yīng)商!
美國(guó)在堪薩斯和德克薩斯的氦氣資源分布
氦氣在一戰(zhàn)和二戰(zhàn)時(shí)期就成了稀缺資源,因?yàn)楹饪梢詾轱w艇提供安全不會(huì)燃燒爆炸的氣體,但隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,氦氣的用途直接上升到了戰(zhàn)略級(jí)別!
氦氣到底有什么用處?
氦氣的用途實(shí)在有些廣泛,不過(guò)最常見(jiàn)的用途不過(guò)是用來(lái)充安全氣球!但這種寶貴的氣體不能用在這種無(wú)聊的用途上,它有更重要的價(jià)值!比如核磁共振的超導(dǎo)磁鐵,必須用液氦來(lái)冷卻!核磁共振利用強(qiáng)大的磁場(chǎng),讓組織中的水分子沿著磁場(chǎng)的磁力線方向一致,然后磁場(chǎng)突然消失,水分子排列恢復(fù)混亂,反復(fù)多次施加磁場(chǎng)又突然消失,核磁共振機(jī)取得數(shù)據(jù)并運(yùn)算成像!
這過(guò)程中強(qiáng)磁場(chǎng)的建立非常關(guān)鍵,一般核磁共振的強(qiáng)磁要求T級(jí)別,因此磁場(chǎng)的線圈必須工作在超導(dǎo)狀態(tài)才能達(dá)到如此強(qiáng)磁場(chǎng),一般的鈮鈦合金超導(dǎo)要求4.2K(-268.8℃),只有液氦能滿(mǎn)足要求!所以未來(lái)要是沒(méi)了氦,這事就難辦了!當(dāng)然實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)就可以了哈!
目前發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)材料與對(duì)應(yīng)的溫度
科學(xué)用途
其實(shí)從核磁共振的低溫超導(dǎo)出發(fā),很多科研需要低溫和超導(dǎo)環(huán)境的都少不了氦,比如27千米長(zhǎng)的歐洲強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)就用了10,800噸液氮來(lái)將加速用的超導(dǎo)電磁鐵冷卻到零下193.2攝氏度,然后再用大約60噸液氦將它們冷卻到-271.3℃,這60噸液氦大約是全球氦產(chǎn)量的1%!
工業(yè)用途
氦氣還經(jīng)常作為焊接保護(hù)氣體,隔絕氧氣對(duì)焊接過(guò)程中金屬高溫時(shí)氧化,工業(yè)上常用氦、氬或氦和氬的混合氣為保護(hù)氣;或者用于高密封性的檢漏,比如宇宙飛船,因?yàn)楹鈹U(kuò)散性能極強(qiáng),即使3000年才漏一升也能檢出!另外高速風(fēng)洞以及核反應(yīng)堆和火箭工業(yè)中,氦都是少不了的重要工業(yè)氣體!
飽和潛水
最后還有一個(gè)非常有意思的用途,很多朋友都有過(guò)吸一口氦氣,然后講話像鴨子叫的那種感覺(jué),其實(shí)飽和潛水的作業(yè)人員就是這樣說(shuō)話,他們呼吸的空氣中,氦氣替代了氮?dú)?,還加入了部分氫氣,組成氫氦氧混合氣,因?yàn)樵诔^(guò)4個(gè)大氣壓的情況下就會(huì)引起氮醉,氦氣可以解決這個(gè)問(wèn)題!
2017年美國(guó)A級(jí)氦氣(純度99.995%)的用途分配
因此氦氣還成了深海飽和潛水中必不可少的氣體!而全球氦氣資源的90%都在美國(guó),其余由加拿大、波蘭、俄羅斯提供,后來(lái)阿爾及利亞提供了部分氦氣資源,而我國(guó)的氦氣則主要依靠進(jìn)口,但氦氣不可再生,且未來(lái)資源展望比較悲觀,也許再過(guò)幾十年氦氣真的可能就消耗殆盡了!
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