元素漫谈(三)氦

摘要

氦,原子序数2,是宇宙中第二多的元素,气态的氦也是最简单的惰性气体。氦在医疗、半导体工业和科研等领域都有重要的应用。液氦能提供低温环境,在低温条件下,许多未曾预料的量子现象——如量子霍尔效应——被人们观测与理解,为物理开拓了新的疆土。不仅如此,液氦本身也具备异常特殊的物理性质。

氦,原子序数2,宇宙中第二多的元素。氦最常见的同位素是4He和3He,绝大部分的氦是4He,它有两个质子两个中子。3He有两个质子一个中子。

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氦气球(图片来源:genius.com)

气态的氦无色无味,它是最简单的惰性气体,非常稳定。因为氦难跟其他元素反应,它可以被作为保护气体,让一些特定材料只与氦气接触。例如,在焊接中,氦气可以保护高温下的金属不被氧化。在与真空密封相关的产业中,氦可以用于真空检漏:氦离子的质量小探测起来容易,并且氦在空气中含量很少,检漏时不容易被外界环境干扰。生活中,大部分医院里的核磁共振成像设备通过液氦维持超导磁体所需的低温环境。因为氦气的密度小于空气的密度,小朋友们还可以玩氦气球。美国大约三成的氦以液体氦形式用于医疗,三成的氦用于空间项目与国防,一成的氦用于半导体工艺,一成的氦用于科研(大部分也是以液体的形式)与气球。

图一:不同质量的离子在磁场下回旋半径不一样,质量越小的离子探测起来越方便。当检漏时,可以将真空腔体连接到一个可电离氦并探测氦离子的装置,如果真空腔体某个地方漏气的话,在该处喷氦气将让该装置探测到的氦含量上升。现在探测离子的方法通常不是让带电离子在磁场下偏转,而是利用一种叫四极法的技术。(图片来源:http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/maspec.html)

图一:不同质量的离子在磁场下回旋半径不一样,质量越小的离子探测起来越方便。当检漏时,可以将真空腔体连接到一个可电离氦并探测氦离子的装置,如果真空腔体某个地方漏气的话,在该处喷氦气将让该装置探测到的氦含量上升。现在探测离子的方法通常不是让带电离子在磁场下偏转,而是利用一种叫四极法的技术。(图片来源:http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/maspec.html)

尽管宇宙中的氦很多,地球上的氦却不多,大气中78%是氮气、21%是氧气,但是只有百万份之五是氦气。从空气中获得氦气的成本过于高昂,氦气一般是通过一些富氦的天然气获得。氦被认为是不可再生的资源,富氦的国家有美国、卡塔尔、阿尔及利亚和俄罗斯。这些天然气中的氦可能来自岩石中铀和钍的天然核反应,并由一些特殊岩石“拘禁”在地下。与大部分气体不同,氦气有非常强的穿透性,在室温下可以穿透大部分岩石,甚至穿透金属。因为氦穿透金属的速度远小于人们通常定义的“漏气”的速度,因此氦依然可以作为真空检漏时的标识性气体。值得一提的是,没有绝对不漏的真空设备,所谓的水密(water-tight)、气密(gas-tight)和不漏(leak tight)都对应一定的漏气率标准(单位是气压×体积/时间),漏气率低于一定值即可。室温下,玻璃钢能较好地防止氦气穿透。

医院的核磁共振成像设备需要强磁场,实现磁场的一个简单方法是螺线管,流经螺线管的电流越大则磁场越大。在商业化的高场超导磁体中,产生1特斯拉的磁场大约需要10安培量级的电流。如果磁体使用普通金属导线,那么导线会发热,如果使用大口径的导线减小电阻以减小发热量,那么圈密度将会减少(比如图二中,所用的导线如果直径增加,那么电流进出口之间的距离能绕的圈数将减少),从而影响总磁场。而电流流经零电阻的超导体时不会产生任何热量,所以超导磁体可以使用非常细的超导线从而增加圈密度(题外话:即使不考虑工艺问题,超导线能维持超导态的临界电流也与线粗细有关,也不是所有的超导材料都适合做成超导线)。超导体只有在足够低的温度下才能维持超导,而液氦在常压下温度大约4开尔文,这个温度对绝大部分的超导线已经足够低了,所以,液氦的浸泡为超导磁体提供了一个稳定的低温环境。现在无液氦低温技术逐渐成熟,很多磁体不需要液氦也能维持超导态,医院对液氦的需求可能会慢慢减少。

图二:螺线管示意图。中间的磁场跟流经导线的电流有关,也跟单位长度内的圈数有关。(图片来源:http://www.ency123.com/2013/08/what-is-solenoid.html)

图二:螺线管示意图。中间的磁场跟流经导线的电流有关,也跟单位长度内的圈数有关。(图片来源:http://www.ency123.com/2013/08/what-is-solenoid.html)

液氦不仅仅能提供低温环境,它还具备异常特殊的物理性质。通常来说,只要温度足够低,常压下的液体将变成固体,然而即使在绝对零度下,常压下的4He依然保持液态:这是因为4He的量子效应明显,除非外界压力大于25个大气压,它不会轻易形成固体。人们可以用零点能(来自量子力学的基态能量)与粒子间结合能之比来描述一个粒子的量子化程度,比4He更加量子化的粒子仅有3He,排名第三的粒子是H2。液体4He和液体3He常压下均无法固化,被称为量子液体。在更低的温度环境下,4He和3He都可以成为超流体,此时它们能毫无阻碍地流过任何管道,不再拥有粘滞力。量子效应并不只在微观尺度下才被观察到,超流就是因为量子力学而出现的宏观现象。

图三:4He的相图。低压条件下,即使在绝对零度下4He依然保持液态。液态4He可以是普通流体,也可以是超流体(superfluid),两者之间的相变称为相变,名称来自于相变时比热峰的形状。(图片来源:http://heloisenonne.eu/recherche_eng_helium.html)

图三:4He的相图。低压条件下,即使在绝对零度下4He依然保持液态。液态4He可以是普通流体,也可以是超流体(superfluid),两者之间的相变称为相变,名称来自于相变时比热峰的形状。(图片来源:http://heloisenonne.eu/recherche_eng_helium.html)

图四:超流体的特殊“爬坡”性质。左图为实物照片,右图为示意图。液氦需要用杜瓦(一种特殊的容器,内外壁之间有真空夹层)存放,早期的杜瓦是玻璃做的,可以允许肉眼观测。(图片来源:http://www.daviddarling.info/encyclopedia/H/helium.html http://currentearthscience.blogspot.com/2013/05/superfluid-helium-climbs-up-walls.html)

图四:超流体的特殊“爬坡”性质。左图为实物照片,右图为示意图。液氦需要用杜瓦(一种特殊的容器,内外壁之间有真空夹层)存放,早期的杜瓦是玻璃做的,可以允许肉眼观测。(图片来源:http://www.daviddarling.info/encyclopedia/H/helium.html
http://currentearthscience.blogspot.com/2013/05/superfluid-helium-climbs-up-walls.html)

4He被成功液化之后,第一个超导体(水银)的零电阻现象在4.2开尔文被发现。基于氦,科学家实现了各种更加极端的低温环境以用于与量子力学有关的科研。上世纪六十年代利用3He和4He在低温下相分离的特性,科学家发明了稀释制冷机,它可以不间断地提供毫开尔文量级的低温环境,是目前相关领域科研前沿的常见设备。现在人类在低温技术上走得更远了,可以将一个固体降温到10微开尔文量级(冷原子技术能实现纳开尔文以下的温度,但是不能用于给外物降温)。宇宙的最低温度在开尔文量级,远逊于实验室能实现的低温环境。人类实现不了比自然界更高的温度、更小的尺度、更强的磁场,但是在低温这个领域,人类已经击败了自然界。在低温条件下,许多未曾预料的量子现象——如量子霍尔效应——被人们观测与理解,为物理开拓了新的疆土。

氦,原子序数2,它隐藏在许多与量子力学相关的进展背后。

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