上圖天空中的氣球是不是很美？就像穿越到了一個童話世界。以前我們舉辦大型活動，慶典的時候會放飛大量的氦氣球。我們和孩子一起逛街，有時候會買一個氣球給孩子玩，然后不經(jīng)意的放進去空。這些都是我們習以為常的事情。所以我們今天要講的是:我們熟悉的氦是怎么來的？我們在每個氣球中釋放的氦花了數(shù)十億年才形成了我們的地球。它是我們地球上極其稀缺的資源。請不要輕易扔掉它。
氦的性質(zhì)決定了它在地球形成初期是留不住的。
了解元素周期表的朋友都知道，氦是一種比空輕，比氫略重的氣體。經(jīng)常用來給氣球和飛艇充氣，這是我們擺脫地球引力最方便有效的方法。
在表面上，氦氣球上升空，好像在抵抗重力。但真正的原因是氦是一種密度非常低的氣體。我們的大氣主要由氮(N)和氧(O)的混合物組成，平均分子量為29。氦的分子量只有4，僅次于氫(H)的分子量2。
就像石頭沉入海洋，石油浮在水中一樣，浮力原理保證物質(zhì)從低密度到高密度逐層分布。對于大氣層來說，經(jīng)過足夠長的時間，這樣的分布也會出現(xiàn)。
在固體中，比如地球內(nèi)部，地核比地幔密度大，地幔比地殼密度大，地殼比海洋密度大，等等。液體和氣體也是如此。對于木星這樣的氣體巨行星來說，由于其質(zhì)量是地球的幾百倍，所以即使是其大氣中最輕的氣體也會束縛在木星上。然而，月球和小行星的質(zhì)量太小，重力無法保留任何氣體。由于太陽的強烈輻射，即使是最重的氣體也會被太陽風完全剝離。
在太陽系形成之初，地球上沒有氦。
今天，我們地球的大氣層主要由氮氣(78%)、氧氣(21%)和其他微量氣體組成。但是，如果我們回到太陽系剛形成的時候，會發(fā)現(xiàn)每顆行星的大氣層都充滿了宇宙中最常見的兩種元素:氫和氦。
在地球形成之初，大部分氫和氦會被暫時禁錮在大氣層中，并迅速上升到大氣層頂部。地球上的其他原子，如碳、氮、氧，會與氫結合形成甲烷、氨和水/水蒸氣，為我們的地球儲備了大量的氫，但其他元素不會與氦發(fā)生反應(惰性)。然后絕大多數(shù)的氫和氦會被太陽風以相對較快的速度剝離地球，而剩余的一部分氫和氮會在地球上停留更長的時間，最終消失，只留下大氣中一些最重的氣體。
自太陽系誕生以來，地球上幾乎沒有氦。(更準確地說，氦只占地球大氣體積的0.00052%。)那說明是有事情的。我們知道地球大氣的總量很大。我們能試著從大氣中提取氦嗎？當然可以，但是這個過程非常困難，成本也很高，而且不能大量生產(chǎn)氦氣。這條路不行。如果不談大氣層，地球上確實有大量的氦，但與大氣層中的氦或宇宙其他地方的氦無關。
現(xiàn)在，我們“制造”氫氣沒有問題，因為海洋中充滿了2/3的氫氣。但是氦呢？
上圖是鈾和釷的一些放射性樣本，這是自然界中最稀有的兩種元素。最常見的同位素鈾238和釷232具有放射性，其中鈾-238(半衰期= 45億年)和釷-232(半衰期= 140億年)具有放射性。
鈾-238(45億年)，相當于地球年齡的時間尺度。半衰期短得多的放射性重元素早已衰變?yōu)槠渌?；這就是為什么鈾(或釷)是地球上最重的自然元素。
但是當鈾238和釷232衰變時，它們以一種非常特殊和重要的方式衰變。這也是我們星球上氦的唯一來源。
它們的衰變過程屬于α衰變，重元素會釋放出一個α粒子，最終形成一個更穩(wěn)定的原子核。但是“α粒子”有兩個質(zhì)子和兩個中子，實際上是氦原子的原子核！氦核會在幾微秒內(nèi)迅速得到電子，變成中性氦原子。由于氦原子不與任何元素發(fā)生反應，所以它唯一要做的就是一直走到大氣的最高點。
但世界上大部分的鈾和釷都埋藏在地下深處，所以只要地殼中有存在了數(shù)十億年的鈾或釷礦床，我們就一定會發(fā)現(xiàn)大量含氦的天然氣礦床。世界上最大的含氦天然氣藏位于美國中部附近的地下。
現(xiàn)在我們知道地球上的氦是不可再生資源。如果從地下開采氦，地球通過重元素衰變產(chǎn)生氦需要幾億年。所以必須找到新的氦源，比如通過掌握核聚變技術或者去月球開采氦同位素氦-3。這兩個方案都不可能在短時間內(nèi)實現(xiàn)。
現(xiàn)在我們應該意識到，我們每充一次氦氣球，就意味著地球整個自然歷史創(chuàng)造的東西被白白送入大氣層，然后被太陽風吹到星際空間空。
一些最后的想法。
氦是一種稀有而獨特的元素，具有一些驚人的物理性質(zhì)。當溫度下降到4K時，氦會變成液體。當溫度降至2k時，氦會變成超流體，具有神奇的無摩擦特性。
世界上最大的粒子加速器大型強子對撞機的過冷系統(tǒng)是通過液氦的循環(huán)實現(xiàn)的，它在創(chuàng)造地球上有史以來最強的磁場方面發(fā)揮了重要作用。
如果我們不在地球上保存和回收氦，未來將會出現(xiàn)氦的嚴重短缺。氦只占大氣的0.00052%。你認為我們的技術將來能從大氣中提取氦嗎？
目前中國的工業(yè)用氦是從含氦天然氣中分離出來的，含氦天然氣是放射性元素經(jīng)過幾億年的衰變產(chǎn)生的。而且中國的氦氣資源也很貧乏，提取難度大，成本高。所以，我們不要輕易放過手中的氦氣球，這是我們地球誕生以來經(jīng)歷了45億年的稀有資源。