02从化学看宇宙之氦

192氦He2氦——太阳元素：氦这不是首先在地球上发现的元素。牛顿用三棱镜发现了原来白光是由七种颜色的光组成的，化学家本生和物理学家基尔霍夫这一对好基友让不同元素的盐在本生灯上燃烧，发出的光芒通过三棱镜，发现每种元素都有属于自己的一套特征光谱，从此以后，光谱分析成为化学家趋之若鹜的风潮，并发现了很多新元素，这些细节我们后面会详细讲。（牛顿第一个用三棱镜打开了光的魔盒，接下来的几个世纪里，光是波还是粒子的论战让人类对于光，甚至对于时间空间的认识都前进了一大步。而对于化学，牛顿之后的本生、基尔霍夫开创了光谱化学。）日全食是天文爱好者和天文学家甚至所有科学家的盛宴，月球挡住了太阳本影，将太阳的外围清楚的暴露在太空里，地球上的人们得到了宝贵的机会去研究太阳大气甚至太阳以外的东西，人们会不远万里，奔波到最适合观测日全食的地方，历史上很多科学发现都是在日全食的机会下发生的。最有名的莫过于爱丁顿远道跋涉到南半球观测日全食，发现太阳的引力确实让远处的星光发生了偏折，证明了爱因斯坦广义相对论是正确的。（每次日全食都牵动着万千科研工作者的心，太阳好比一座宝库，有太多的奥秘等待着人类去发掘。）201868年8月18日也是精彩的一天，法国天文学家让逊来到印度把望远镜对准了太阳观察日全食，希望观测日珥。他让阳光通过了当时最流行的分光镜，在光谱中，他找到了一条从未发现过的黄线。两个月以后，其他人也在太阳光谱里发现了这条新线。按照当时大家的认识，发现了新的特征光谱意味着发现了新元素。由于这条线从来没有在地球上的物体里找到过，大家都认为这是只有在太阳上才存在的元素。大家猜想，正是因为太阳上有这种元素，才能发光发热，因此以希腊文的太阳（helios）来命名它，这是人类第一次在地球以外发现新元素。（古希腊的太阳神叫赫利奥斯，他每天早晨从东方升起，乘着四匹喷火的马拉的金车在天空运行，傍晚在西方落入瀛海。他的儿子法厄同觉得好玩，也想驾驶他的金车练练手，结果被烧死。如果你管不住自己的孩子，可以给他讲法厄同的故事吓他，比老虎、警察的效果会好很多。）20多年以后，人们几乎已经遗忘了这件事。苏格兰化学家拉姆塞发现了惰性气体氩，他想让氩跟别的元素化合，都以失败告终。有一天他正忙得焦头烂额，有人告诉他把钇铀矿放到硫酸里以后会冒出很多气体，让他看看是不是氩。拉姆塞把这些气体收集起来，让他们通过高温的镁粉，去除了氧气和氮气。然后他观测剩下的气体的光谱，确实里面有氩的光谱，但是同时又发现了一条黄线，一开始他以为是钠，化学家都是强迫症，他想：“我又没把管子洗干净，该死的食盐又出现了。”然而，当他仔细清洗过装置以后，那条黄线还是存在着，而且和钠的黄线始终保持一定的距离。“该死，我的分光镜坏了！”拉姆塞开始抓狂，他又去折腾他的分光镜。（忙得焦头烂额的拉姆塞，后面还有很多他的故事。）21又是好几百次尝试，他尝试了所有的办法，这条黄线一直存在，而且始终和钠的黄线保持一定距离。终于他开始陷入癫狂了：“是不是上帝在跟我开玩笑？”拉姆塞甚至开始这样想，因为自从本生和基尔霍夫开始，物理学家和化学家就知道钠的双黄线谱线是有一定不变的位置的，即使你从高山上、大海里找到的不同的钠盐，甚至观测太阳，其中的双黄线光谱也一定会出现在同样的位置！最后他实在没招，把装有气体的管子邮寄给了好朋友克鲁克斯，过了几天，得到了好朋友的电报：“您请过来看看吧，你那管子里就是氦！”太阳元素终于在地球上被发现了！（氦光谱）（钠光谱，与氦光谱的黄线差不了多少，但是这一点点是逃不过科学家的火眼金睛的。科学之路上，必须要有钻牛角尖的精神。）为什么之前一直没有被发现呢？其实空气里是有氦的，但是实在太少，才2.5ppm。而钇铀矿里的氦又是从哪儿来的呢？原来铀是一种放射性元素，它每时每刻都在放射出三种射线：α射线，β射线和γ射线，其中α射线就是氦原子核，所以氦原子核也叫α粒子。α射线是一种穿透性很弱的射线，甚至用一张纸就可以挡住它，α射线在捕捉到一些自由电子以后，就形成了氦原子。因此在放射性物质周围，经常会发现很多的氦元素。从宏观上看，被封闭的天然气里面经常会有氦气，截至现在，发现的氦气储量最大的地方在美国的大平原底下，氦气含量最多的地方竟然可以达到7%。放射性重元素放射出的射线里面就有α粒子，其实就是氦原子核。22为了增加趣味性，每篇后面附送小测试，轻松加愉快！今天的问题：问题1：最早在太阳光谱中发现氦谱线的是：A）拉姆塞B）让逊C）牛顿D）克鲁克斯问题2：氦谱线跟哪种元素的谱线比较相似，容易搞混：A）氢B）氧C）钠D）钾232氦——盗取天火：使用太阳元素氦被发现之后，因为它几乎不和别的元素反应，很长时间内没有什么突出的应用。最容易被人想到的是，因为氦气很轻，仅仅比氢气重一点，所以可以用于飞艇。现在的我们说到飞艇可能会觉得挺稀有和怪僻，但是在20世纪初可是非常时髦的玩意，富人和有身份的人都以坐飞艇为荣。当时甚至有这样的航线，用飞艇从欧洲直飞美国，兴登堡号就是其中最著名的一个，号称飞艇界的泰坦尼克。（兴登堡号，1936年纳粹德国举办奥运会，兴登堡号甚至给希特勒涨了很多脸。）当时，由于美国对德国禁运氦气，所以德国的兴登堡号只能使用氢气。1937年5月6日，兴登堡号快要结束了它的第13次跨大西洋航行，准备在终点站美国新泽西着陆。飞艇上的社会名流们刚刚结束了钢琴party、美酒佳肴，地面上的人们怀着羡慕嫉妒恨的心情注视着由远而近的飞艇。由于暴风雨，飞艇一直在空中盘旋无法着陆，一直到了傍晚的7点多，飞艇上放下两条绳索，准备着陆。这时，飞艇尾部突然发生了两次爆炸，整个飞艇燃起熊熊大火。不到一分钟，整个飞艇成了一团火球，跌落到地上。地面上迎候的人群本来正在准备欢迎仪式，但是却眼睁睁的看到了一场空难，当时地面上有22台摄像机，这场悲剧被全程拍摄下来，更多的人们通过电视机目睹了这次灾难。从此以后，再也没有人用纯氢气作为飞艇，我们现在偶然看到的商业飞艇里面都是冲有氦气，而由于氦气非常昂贵，飞艇作为一种交通工具成为历史，很多投资飞艇的公司都因此而破产。（兴登堡号空难，结束了飞艇作为交通工具的短暂历史。新技术开发，投资需谨慎。）24此外，氦气是最不容易和别的元素化合的元素之一，因此经常用于保护气。一般的保护气体有氮气，但是氮气仍然会一些活泼的金属反应；更加高级的是氩气，比氦气也便宜；氦气的成本比氩气高很多，但是由于它的导电性很强，甚至接近铝和铜，所以经常用于硅片切割、锰等金属的焊接保护气。氦气作为一种资源，不仅仅因为它可以用做飞艇和保护气。美国占全球氦气储量的70%，长期以来将氦气作为战略资源储备，限制出口，抬高氦气的价格，足见他们对氦气资源的重视。而我国最大的氦气资源曾经在四川的天然气气田，现在已经枯竭，接下来，氦气资源将严重制约我国的科研发展。原因就在于，真正让氦走上了科研舞台，成为了一颗耀眼明星，是由于它开启了低温物理的时代，可以说，氦元素带领我们进入了另一个奇异的世界，这一点我们下集再说。{氦还和氖一起作为霓虹灯里的发光气体。氦氖激光器也是应用之一。）讲完地球上的氦，让我们把目标转移到头顶的月球。月球上富含氦的同位素：氦3，这是一种高效、清洁、安全、廉价的核聚变发电燃料。有人计算过，10吨氦3就能满足我国全国一年所有的能源需求。而之前统计过，月球上至少有几百万吨氦3，这才是真正取之不尽用之不竭的能源，当然前提条件是人类掌握低温核聚变技术。有一部科幻电影《月球》，上面的克隆人的工作就是在月球上开采氦3。25(未来月球会因为上面的氦3资源而成为人类的战场吗？）今日小测试问题1：下面哪个不是氦气的应用：A）飞艇B）保护气C）燃料D）激光器问题2：哪种氦的同位素是理想的核聚变原料：A）氦2B）氦3C）氦4D）氦5262氦——开启低温世界之门氦气被制取出来以后，如何让它变成液体甚至固体就成为了科学家的一大难题。到了1908年，荷兰物理学家奥涅斯才将它液化，他让氦气的温度低于1K（-272摄氏度），也就是非常接近绝对零度了。要知道，氢在4K（-269摄氏度）的时候已经变成固体了。同时奥涅斯还发现在常压下，液氦无法变成固体。一直到了1926年，他的学生基索姆才借助压力，得到了1立方厘米的固体氦。（第一个液化氦气的人：奥涅斯。他是本生、基尔霍夫的高徒，他的学生中有大名鼎鼎的塞曼。）现在人们知道，氦是最难液化的气体。也正因为此，用液氦去冷却其他物质达到超低温也就是最有效的一种方法了。低温物理中，有两个标识温度，一个是液氮温度（-196摄氏度），另一个就是液氦温度（接近绝对零度）。1938年，苏联科学家卡皮查发现氦接近绝对零度的时候，粘度似乎消失了，科学家们把这种现象叫做“超流体”，这种无粘度的氦被叫做氦II。当继续深入研究以后，发现这种“超流体”神奇的地方还有很多。（用小勺盛放氦II，勺底有一滴氦II，勺里的液体会自动流出来，直至勺里的液体流光。）27（将一个杯子放进液氦II里，杯面高于液面，外面的液液氦II会自动流入杯子里。）（氦刀喷泉，在液氦II中插入一根毛细管，用光照射液氦，会有如喷泉状喷出。光越强喷得越高，可以高达数厘米。光能直接转化成机械能。）（在液氦的温度下，在一个铅环上放置一个铅块。铅块会好像失重而飘浮在环上，与环保持一定距离，这叫做“迈斯纳效应”。）28（当温度降到4.2K以下，汞的电阻会变为0，这就是传说中的“超导”。后来人们发现，有些物质到稍高一点的温度也会有超导现象，这导致了20世纪超导科学的开展。）这些现象简直颠覆人类的常识，当科学家开展研究以后，发现这就是十几年前提出的玻色爱因斯坦凝聚态，气态、液态、固态、等离子态之外的第五种形态。）1924年，年轻的印度科学家玻色给爱因斯坦写了一封信，提出了自己的设想：同类的所有原子都是一样的，不可区分。之前他的论文已经屡遭拒稿，但是爱因斯坦很重视他的想法，并且经过他的研究，得出结论：当温度足够低，原子运动速度足够慢的时候，将会存在一种“玻色爱因斯坦凝聚态”：所有的原子将表现的和一个原子的性质一样，宏观的物质将表现出量子效应。（年轻的玻色坚持真理，爱因斯坦没有摆出学霸架子，一心一意探讨科研的精神受人尊敬。）是不是有点似曾相识的感觉：刘慈欣《球状闪电》里的“宏原子”？其实没有那么神秘莫测，现实中真的就有“宏原子”。29（神秘的“球状闪电”，难道也是“玻色爱因斯坦凝聚态”吗？）低温世界谜团多多，让我们的科学工作者找到了很多发展方向。比如超导，就是最典型的例子，20世纪初一直到现在，科学家就在不断尝试提高超导体的临界温度，目前在液氮温度下已经成功，最终的梦想是在室温下实现超导。如果这个梦想成真，我们的能源损耗将会有大幅节省，这个意义将会超过一万个三峡。有人看到之前的低温迈斯纳效应，就是那个铅块悬浮的图片，应该可以想到，如果高温超导可以实现，超导磁悬浮也不是梦了。上海的磁悬浮列车还是永磁体利用电磁的能量作为动力的，这仍然属于传统动力。如果实现了超导磁悬浮，列车速度将会更快，甚至在航空航天方面都会起到作用。（日本展示了超导磁悬浮列车，计划2027年通车，中国也要跟上哦！）30认识低温并探索其中的奥秘，让我们对世界的认识又前进了一大步，而且有些推论甚至深入到宇宙观、时空观的改变。比如，有人认为时空就是一种“超流体”，这已经超越我智慧的极限了，需要大神来给予解释。（高温的世界过于纷乱繁杂，不似超低温的世界秩序宁静。研究超低温的世界，更加接近于世界的本源，那一定是最简单的美！）今日问题1：凝固点最低的气体是：A）氢气B）氧气C）氮气D）氦气2：下列选项中，超导体最有可能改变我们日常生活是：A）超导磁悬浮列车B）研究球形闪电C）炮制论文到处挂D）表演魔术