让人变声的氦气，建议还是不要充气球玩
徐欣宇约 6 分钟或许，你有没有吸过氦气？就是吸完秒变小黄人音色那种！
著名磁性嗓音摩根弗里曼也可以变
氦气，作为元素周期表背过一句就不陌生的气体，除了变声玩，还有氦气球也是玩具，但其实这些玩法都是种资源浪费……氦气还有很多你不太了解的一面。
现在的“氢气球”是什么气球？
在街头和商场里，常常能看到有人卖比空气轻、能往上飘的气球。这些不是氢气球——由于氢气有爆炸风险，国家早已禁售手持氢气球，而改为填充安全可靠的氦气。
一些童年记忆
不要再给孩子买有氢气的玩具啦非常危险！
图源：四川观察
氦（He）是元素周期表的第2号元素，相对原子质量4.0026。在自然界，氦通常以无色无味的气体形式存在。标准大气压下，氦气密度为0.1786千克/立方米，是第二轻的气体（氢气密度为0.089千克/立方米），不到空气密度的七分之一。所以用氦气填充气球或飞艇，也能提供升力。
氦气变声原理
氦气密度小，吸进的氦气会替换掉呼吸道中的空气，这就意味着声音传播的介质被改变了。声速在氦气中是在空气中的近3倍。声带富有弹性，在气流的扰动下振动，振动频率越高，我们发出的声音就越尖锐。
以及，氦气不是笑气，笑气是一氧化二氮（N2O），是一种无色、有甜味、不燃的气体，具有轻微麻醉作用并能致人发笑。跟吸毒差不多。
氦气之所以安全，是因为氦原子的内部结构非常稳定，几乎不会与其他物质发生化学反应。它就像一个慵懒的王子，默默注视着世间的风云变幻，却不参与其中。
氦原子示意图。每个“标准”氦原子的原子核有2个质子、2个中子，外面围绕2个电子。氦不像氢、氮、氧那样，需要2个原子才能形成稳定的气体分子，而是在自然界直接以单个原子的形式存在。绘图：孟凡萌
液氦的超流现象
氦气不但化学性质稳定，还是最“耐寒”的气体：氦气的沸点在所有元素中最低，只有-268.93℃。也就是说，只有在接近绝对零度（-273.15℃）的极低温下，氦气才能变成液态！
超低温下才能存在的液氦，可以作为优质冷却剂，常用于医院里的核磁共振设备。
1908年，荷兰物理学家海克·昂内斯及其团队，首次完成了氦气的液化。三年后他们又发现，金属汞（水银）在超低温液氦环境下，通电后的电阻竟然降到了0，也就是电流通过时没有任何损耗！这就是大名鼎鼎的“超导现象”。
荷兰物理学家海克·昂内斯（1853~1926）首次将氦气液化，并发现了液氦温度下的超导现象，他因此获得了诺贝尔物理学奖。物理学不动的朋友们冤有头债有主。
超低温下的液氦，还产生了神奇的“超流现象”——流动时受到的阻力为0。倘若把液氦倒入一个环形容器，那么由于不受阻力，它就会在容器中无止尽地流动；倘若把液氦倒入杯子，它甚至会沿着杯壁向上“攀爬”，直至流向杯外。
五十年前的氦气超流实验。里面那层烧杯底部是陶瓷片，足以让杯中液氦不会自己流出来，但放在一杯液氦上方，超流体会流出来。图源：YouTube
氦气的名字是太阳
与大多数化学元素不同，氦最初不是在地球上被发现，而是在太阳上。
1868年，法国天文学家皮埃尔·让桑用分光镜观察日全食时，看到日珥上有多种颜色的彩色条带，也就是太阳光谱。他发现，太阳光谱上有一条黄色细线，与当时已知各种元素的光谱都不同。
氦元素的可视化光谱。每种元素在其电子运动释放能量时，会在不同状态下发出各种光线，形成独一无二的光谱，相当于“身份证”。人类最初发现氦，就是在观察太阳时看到了它的光谱。
同一年，英国天文学家诺曼·洛克耶，也在太阳光谱中发现了这条谱线。他断言这条谱线来自太阳上的某种新元素，并将其命名为氦（Helium，希腊语“太阳”的意思）。
然而他俩的发现，都没被认可：化学家们不相信天文学家会发现新元素，而且当时地球上找不到该元素的任何证据。那条黄色谱线，被错误认定为来自钠元素。
直到27年后，英国化学家拉姆齐研究铀矿石时，又观察到了这条黄色谱线（铀发生α衰变时，释放出氦原子核）。他立刻想到了27年前的发现，并把部分样品寄给洛克耶请其验证。验证表明，两条谱线完全相同，人类终于在地球上发现了氦。历经27年的不解与嘲讽，这位“来自太阳的元素”终于被接纳进了元素周期表！
被接纳进来就是第二位，怎么不算熹妃回宫
在宇宙物质中，氦元素的储量高居第二，仅次于氢元素，约占24%。它们一部分直接产生于宇宙大爆炸，还有一部分来自恒星中氢的核聚变，这就是为何当年会在太阳光谱里找到它的谱线。
太阳上的氦元素，有一部分被太阳风吹到宇宙空间。月球土壤里因此累积了一些氦-3（氦的一种同位素，原子核只有2个质子和1个中子），它们有望成为未来的核聚变原料。
核聚变反应堆“托卡马克”示意图。太阳等恒星中的核聚变，是氢原子核聚变成氦原子核，人造核聚变则用更不稳定的氢同位素（氘、氚）聚变形成氦，从而释放能量、提供能源。因此核聚变反应堆又称“人造太阳”，可惜至今仍长期处于实验阶段。
价值连城的“气体黄金”
由于氦气“与世无争”的化学性质，它们在航空航天、半导体、科研、医疗等领域应用广泛，被誉为“气体黄金”和“工业血液”。比如精密焊接时，可在焊接点周围填充氦气，以防止焊接点的金属与空气发生化学反应。
同时激发氦原子和氖原子，可以形成氦氖激光，能用于医疗、焊接、材料切割等。
然而氦元素虽在宇宙中储量丰富，却主要集中于太阳这样的恒星上，在地球上是稀缺的不可再生资源！氦气在地球大气中只占0.0005%，而且不像氢气只要电解水就有，氦气主要靠地壳深处的铀、钍等放射性元素衰变产生。1千克铀矿经过1年衰变，只能产生不到0.1毫升的氦气，而且越衰变越少。把如此珍贵的资源拿去充气球玩，实在可惜。
工业提取氦气，主要是从天然气中把它分离出来：天然气同样来自地下深处，混入了地底放射性元素释放的氦。目前，全球氦气资源主要由美国、卡塔尔、阿尔及利亚和俄罗斯四国占据，而我国氦气储量仅占全球2%左右。为此，我国正在加强勘探和技术攻关，力争发现和开发新的“氦气矿”，减少对氦气进口的依赖。
怎么样，学化学还是挺有意思的吧，学好化学还能为我们祖国达到资源目标献一份力！
本文原载于《博物》杂志5月刊，也是杂志新栏目「元素志」的第二篇，这个系列从元素周期表开始，已经讲了氢气、氦气、氮气，感兴趣的话可以订阅杂志接着看下去哦~
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本文原载于《博物》杂志，未经授权禁止转载
本文原载于《博物》杂志2024年5月刊
撰文| 徐欣宇
微信编辑 | 赵之遇