稀有氣體氦氣的介紹與應(yīng)用

技術(shù)中心 / 2023-12-18 10:43:19 氦氣稀有氣體

一、氦氣的發(fā)現(xiàn)

氦氣的發(fā)現(xiàn)可以追溯到19世紀(jì)末20世紀(jì)初。氦是在地球上首次被觀察到，并且是太陽(yáng)光譜中首次被探測(cè)到的元素。

在1868年的日食期間，法國(guó)天文學(xué)家皮埃爾·詹森觀察到了太陽(yáng)光譜中的一個(gè)新的黃線，這個(gè)黃線后來(lái)被確定為氦的譜線。因?yàn)檫@個(gè)元素是在太陽(yáng)光譜中被首次發(fā)現(xiàn)的，它得名于希臘神話中的太陽(yáng)神Helios。

然而，直到1895年，英國(guó)科學(xué)家威廉·拉姆齊和約翰·斯特拉特利首次在地球上成功分離出氦氣。他們?cè)诘厍虻臍怏w中找到了這種新的元素。氦是通過(guò)在礦泉水中尋找氣體來(lái)發(fā)現(xiàn)的，因此氦的名字也與希臘語(yǔ)中的“Helios”（太陽(yáng)）相關(guān)。威廉·拉姆齊后來(lái)因此而獲得了1904年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

二、氦氣的應(yīng)用

1. 氣球和飛艇充氣：?由于氦氣的密度比空氣小，具有較小的分子質(zhì)量，因此被廣泛用于充氣氣球和飛艇。它比空氣輕，能夠提供足夠的浮力，使得氣球能夠飄浮在空中。

2. 低溫實(shí)驗(yàn)和設(shè)備：?液態(tài)氦是一種極低溫冷卻劑，常用于實(shí)驗(yàn)室中的超導(dǎo)體研究和其他需要極低溫度的實(shí)驗(yàn)。液態(tài)氦的沸點(diǎn)很低，約為-268.93攝氏度，使得它成為一種理想的低溫介質(zhì)。

3. 醫(yī)療領(lǐng)域：?氦氣在醫(yī)療領(lǐng)域中也有應(yīng)用，主要用于增氧療法。氦氣和氧氣混合使用時(shí)，由于氦的低密度，呼吸時(shí)可以減少氣體的阻力，有助于提高呼吸的效率。這在某些呼吸系統(tǒng)疾病的治療中具有一定的幫助。

4. 激光技術(shù)：?氦氣常被用作激光介質(zhì)，特別是在氦氖激光器中。氦氖激光器廣泛用于科學(xué)研究、醫(yī)療、通信和其他領(lǐng)域。

5. 太空探測(cè)：?氦氣也被用作太空探測(cè)器中的冷卻劑，因?yàn)槠涞蜏匦再|(zhì)使其適用于冷卻敏感的儀器和設(shè)備。

氦氣的低密度、低溫性質(zhì)以及化學(xué)穩(wěn)定性使其在各種應(yīng)用中都發(fā)揮著重要的作用。然而，由于氦是地球上相對(duì)較為稀缺的元素，人們也在考慮節(jié)約使用和尋找替代方案以確保氦資源的可持續(xù)利用。

三、地球上氦氣的由來(lái)以及儲(chǔ)量

氦氣在地球上主要來(lái)自兩個(gè)主要的來(lái)源：地殼中的放射性衰變和太陽(yáng)風(fēng)。

1. 地殼中的放射性衰變：?氦氣的一個(gè)主要來(lái)源是地殼中的放射性衰變。放射性元素如鈾和釷在地殼中存在，并通過(guò)放射性衰變逐漸分解為其他元素，其中包括氦。氦氣是一種惰性氣體，因此它在地殼中不易與其他元素反應(yīng)，而是相對(duì)穩(wěn)定地存在于地下巖石和土壤中。當(dāng)這些巖石和土壤受到侵蝕或地下水的影響時(shí)，氦氣會(huì)被釋放到大氣中。

2. 太陽(yáng)風(fēng)：?太陽(yáng)風(fēng)是另一個(gè)地球上氦氣的來(lái)源。太陽(yáng)風(fēng)是由太陽(yáng)表面高溫等離子體的流動(dòng)產(chǎn)生的，其中包含大量的氦。太陽(yáng)風(fēng)中的氦在太陽(yáng)系中擴(kuò)散，一部分也到達(dá)地球。然而，太陽(yáng)風(fēng)中氦的貢獻(xiàn)相對(duì)較小，地殼中的放射性衰變是氦氣在地球大氣中的主要來(lái)源。

關(guān)于氦在地球大氣中的含量，氦是大氣中非常稀薄的氣體，占總體積的約0.0005%。由于其輕質(zhì)和不易與其他元素反應(yīng)的性質(zhì)，氦主要分布在地球的高層大氣中。在地球的低層大氣中，主要是氮、氧等較重的氣體。

四、最接近絕對(duì)零度的“固體”

氦的相變溫度取決于壓力。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下（1大氣壓，約為101.3千帕），氦的相變溫度如下：

1. 液態(tài)氦：?氦氣在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點(diǎn)約為-268.93攝氏度或4.15開(kāi)爾文。這是氦氣在常規(guī)條件下從氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度。

2. 固態(tài)氦：?氦的凝固點(diǎn)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下約為-272.2攝氏度或0.95開(kāi)爾文。這是氦氣在常規(guī)條件下從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的溫度。

這些溫度都非常低，說(shuō)明氦在常規(guī)的大氣溫度和壓力下主要存在于氣態(tài)形式。在實(shí)際應(yīng)用中，液態(tài)氦主要用于低溫實(shí)驗(yàn)和技術(shù)，而固態(tài)氦的研究通常需要更極端的溫度和壓力條件。

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