元素漫談（三）氦

作者：鎖相（科研工作者，凝聚態物理學博士）

氦，原子序數2，宇宙中第二多的元素。氦最常見的同位素是4He和3He，絕大部分的氦是4He，它有兩個質子兩個中子。3He有兩個質子一個中子。

氦氣球（圖片來源：genius.com）

氣態的氦無色無味，它是最簡單的惰性氣體，非常穩定。因為氦難跟其他元素反應，它可以被作為保護氣體，讓一些特定材料只與氦氣接觸。例如，在焊接中，氦氣可以保護高溫下的金屬不被氧化。在與真空密封相關的產業中，氦可以用于真空檢漏：氦離子的質量小探測起來容易，并且氦在空氣中含量很少，檢漏時不容易被外界環境干擾。生活中，大部分醫院里的核磁共振成像設備通過液氦維持超導磁體所需的低溫環境。因為氦氣的密度小于空氣的密度，小朋友們還可以玩氦氣球。美國大約三成的氦以液體氦形式用于醫療，三成的氦用于空間項目與國防，一成的氦用于半導體工藝，一成的氦用于科研（大部分也是以液體的形式）與氣球。

圖一：不同質量的離子在磁場下回旋半徑不一樣，質量越小的離子探測起來越方便。當檢漏時，可以將真空腔體連接到一個可電離氦并探測氦離子的裝置，如果真空腔體某個地方漏氣的話，在該處噴氦氣將讓該裝置探測到的氦含量上升。現在探測離子的方法通常不是讓帶電離子在磁場下偏轉，而是利用一種叫四極法的技術。(圖片來源：http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/maspec.html)

盡管宇宙中的氦很多，地球上的氦卻不多，大氣中78％是氮氣、21％是氧氣，但是只有百萬份之五是氦氣。從空氣中獲得氦氣的成本過于高昂，氦氣一般是通過一些富氦的天然氣獲得。氦被認為是不可再生的資源，富氦的國家有美國、卡塔爾、阿爾及利亞和俄羅斯。這些天然氣中的氦可能來自巖石中鈾和釷的天然核反應，并由一些特殊巖石“拘禁”在地下。與大部分氣體不同，氦氣有非常強的穿透性，在室溫下可以穿透大部分巖石，甚至穿透金屬。因為氦穿透金屬的速度遠小于人們通常定義的“漏氣”的速度，因此氦依然可以作為真空檢漏時的標識性氣體。值得一提的是，沒有絕對不漏的真空設備，所謂的水密（water-tight）、氣密（gas-tight）和不漏(leak tight)都對應一定的漏氣率標準（單位是氣壓×體積/時間），漏氣率低于一定值即可。室溫下，玻璃鋼能較好地防止氦氣穿透。

醫院的核磁共振成像設備需要強磁場，實現磁場的一個簡單方法是螺線管，流經螺線管的電流越大則磁場越大。在商業化的高場超導磁體中，產生1特斯拉的磁場大約需要10安培量級的電流。如果磁體使用普通金屬導線，那么導線會發熱，如果使用大口徑的導線減小電阻以減小發熱量，那么圈密度將會減少（比如圖二中，所用的導線如果直徑增加，那么電流進出口之間的距離能繞的圈數將減少），從而影響總磁場。而電流流經零電阻的超導體時不會產生任何熱量，所以超導磁體可以使用非常細的超導線從而增加圈密度（題外話：即使不考慮工藝問題，超導線能維持超導態的臨界電流也與線粗細有關，也不是所有的超導材料都適合做成超導線）。超導體只有在足夠低的溫度下才能維持超導，而液氦在常壓下溫度大約4開爾文，這個溫度對絕大部分的超導線已經足夠低了，所以，液氦的浸泡為超導磁體提供了一個穩定的低溫環境。現在無液氦低溫技術逐漸成熟，很多磁體不需要液氦也能維持超導態，醫院對液氦的需求可能會慢慢減少。

圖二：螺線管示意圖。中間的磁場跟流經導線的電流有關，也跟單位長度內的圈數有關。(圖片來源：http://www.ency123.com/2013/08/what-is-solenoid.html)

液氦不僅僅能提供低溫環境，它還具備異常特殊的物理性質。通常來說，只要溫度足夠低，常壓下的液體將變成固體，然而即使在絕對零度下，常壓下的4He依然保持液態：這是因為4He的量子效應明顯，除非外界壓力大于25個大氣壓，它不會輕易形成固體。人們可以用零點能（來自量子力學的基態能量）與粒子間結合能之比來描述一個粒子的量子化程度，比4He更加量子化的粒子僅有3He，排名第三的粒子是H2。液體4He和液體3He常壓下均無法固化，被稱為量子液體。在更低的溫度環境下，4He和3He都可以成為超流體，此時它們能毫無阻礙地流過任何管道，不再擁有粘滯力。量子效應并不只在微觀尺度下才被觀察到，超流就是因為量子力學而出現的宏觀現象。

圖三：4He的相圖。低壓條件下，即使在絕對零度下4He依然保持液態。液態4He可以是普通流體，也可以是超流體（superfluid），兩者之間的相變稱為?相變，名稱來自于相變時比熱峰的形狀。(圖片來源：http://heloisenonne.eu/recherche_eng_helium.html)

圖四：超流體的特殊“爬坡”性質。左圖為實物照片，右圖為示意圖。液氦需要用杜瓦（一種特殊的容器，內外壁之間有真空夾層）存放，早期的杜瓦是玻璃做的，可以允許肉眼觀測。(圖片來源：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，第一個超導體（水銀）的零電阻現象在4.2開爾文被發現。基于氦，科學家實現了各種更加極端的低溫環境以用于與量子力學有關的科研。上世紀六十年代利用3He和4He在低溫下相分離的特性，科學家發明了稀釋制冷機，它可以不間斷地提供毫開爾文量級的低溫環境，是目前相關領域科研前沿的常見設備。現在人類在低溫技術上走得更遠了，可以將一個固體降溫到10微開爾文量級（冷原子技術能實現納開爾文以下的溫度，但是不能用于給外物降溫）。宇宙的最低溫度在開爾文量級，遠遜于實驗室能實現的低溫環境。人類實現不了比自然界更高的溫度、更小的尺度、更強的磁場，但是在低溫這個領域，人類已經擊敗了自然界。在低溫條件下，許多未曾預料的量子現象——如量子霍爾效應——被人們觀測與理解，為物理開拓了新的疆土。

氦，原子序數2，它隱藏在許多與量子力學相關的進展背后。