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經(jīng)歷45億年漫長半衰期才產(chǎn)生的元素,請不要丟掉你手中的氦氣球

 思明居士 2019-07-08
經(jīng)歷45億年漫長半衰期才產(chǎn)生的元素,請不要丟掉你手中的氦氣球

上圖中漫天的氣球是不是很美,猶如穿越到了童話世界一般。以前我們經(jīng)常舉辦大型活動,慶典都會釋放大量的氦氣球,我們陪孩子逛街,有時也會給孩子買個氣球玩,然后在不經(jīng)意間就會把氣球放入空中,這些都是我們習(xí)以為常的事情,那么我們今天要聊的是:我們熟悉的氦是怎么來的,我們釋放的每一個氣球里的氦氣,都是我們地球經(jīng)過幾十億年的時間才形成的。它是我們地球極其匱乏的資源,請不要輕易的丟掉它。


氦氣的性質(zhì)決定了地球形成初期就留不住它

曉得元素周期表的伙伴們都知道,是一種比空氣輕氫氣略重的氣體,它經(jīng)常被用來填充氣球、飛艇,這是我們擺脫地球重力最便捷有效的方法。

表面上看,氦氣球升空似乎是在反抗地心引力。但真正的原因是氦是一種密度很低的氣體。我們的大氣主要由氮氣(N?)和氧氣(O?)混合而成,平均分子量為29。而氦氣的分子量只有4,僅次于分子量為2氫氣(H?)。

就像石頭沉入海洋,油漂浮在水中一樣,浮力原理確保了物質(zhì)從低密度到高密度層層分布,對于大氣來說,經(jīng)過足夠長的時間,也會出現(xiàn)這樣的分布。

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在固體中,例如在地球內(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。對于像木星這樣的氣態(tài)巨行星來說,因為它的質(zhì)量是地球的數(shù)百倍,即使是它大氣中最輕的氣體也會被束縛在木星上。而月球和小行星的質(zhì)量太小,重力無法留住任何氣體,由于來自太陽的強(qiáng)烈輻射,即使是最重的氣體也會被太陽風(fēng)完全剝離。

經(jīng)歷45億年漫長半衰期才產(chǎn)生的元素,請不要丟掉你手中的氦氣球

太陽系初期,我們的地球就已經(jīng)沒有氦了

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。然而,如果我們回到太陽系最初形成的時候,我們會發(fā)現(xiàn)每顆行星的大氣層中都充滿了宇宙中最常見的兩種元素:氫和氦。

經(jīng)歷45億年漫長半衰期才產(chǎn)生的元素,請不要丟掉你手中的氦氣球

在地球形成初期絕大多數(shù)的氫和氦會被暫時束縛在大氣層中,并迅速上升到大氣的最上層。地球上的其他原子,例如:碳、氮和氧會與結(jié)合生成甲烷、氨和水/水蒸氣,這就為我們地球保留了大量的,但其他元素不會與(惰性)發(fā)生反應(yīng)。隨后絕大多數(shù)的氫和氦會被太陽風(fēng)以相對較快的速度剝離地球,而剩下的一小部分氫和氮則會在地球上停留更長的時間,最終也會消失殆盡只留下大氣層中最重的一些氣體。

經(jīng)歷45億年漫長半衰期才產(chǎn)生的元素,請不要丟掉你手中的氦氣球

太陽系誕生以來,地球上幾乎就沒有氦了。(更準(zhǔn)確地說,氦只占地球大氣體積的0.00052%。)那說明還是有的,我們知道地球的大氣層總量很大,我們是否可以嘗試從大氣中開采氦呢?肯定可以,不過這個過程非常困難,而且非常昂貴,并不能大量的制備氦氣。這個路行不通,如果我們不說大氣,在地球上確實還有很多氦,不過它與大氣中的氦無關(guān),也與宇宙其他地方的氦無關(guān)。

現(xiàn)在,我們“制造”氫氣完全沒有問題,因為海洋中充滿了2/3的氫。但是氦呢?

經(jīng)歷45億年漫長半衰期才產(chǎn)生的元素,請不要丟掉你手中的氦氣球

上圖中是鈾和釷的一些放射性樣本,它們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都具有放射性,其中鈾-238(半衰期= 45億年),釷-232(半衰期= 140億年)。

鈾-238(45億年),相當(dāng)于地球年齡的時間尺度。半衰期短得多的放射性重元素都早已經(jīng)已衰變?yōu)槠渌亓?strong>;這就是為什么鈾(或者釷)是地球上自然存在的最重元素。

但是當(dāng)鈾238和釷232衰變時,它們會以一種非常特殊和重要的方式衰變。這也是我們地球氦氣的唯一來源。

經(jīng)歷45億年漫長半衰期才產(chǎn)生的元素,請不要丟掉你手中的氦氣球

它們的衰變過程屬于α衰變,在這個過程中,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,實際上就是氦原子的原子核!氦原子核會在幾微秒內(nèi)快速得到電子,變成一個中性氦原子,由于氦原子不與任何元素發(fā)生反應(yīng),它的唯一要做的事就是一直往大氣層最高處竄。

但是世界上大部分的鈾和釷埋藏在地下深處,所以地殼中只要有存在了幾十億年的鈾或釷的礦床,我們就一定會發(fā)現(xiàn)大量的含有氦氣的天然氣礦床。世界上最大的含氦天然氣礦床位于美國中部附近的地下。

我們現(xiàn)在知道了地球上的氦屬于不可再生資源,如果我們從地下開采氦氣,地球則需要數(shù)億年的時間才會通過重元素衰變產(chǎn)生氦,所以我們就必須找到新的氦源,比如通過掌握核聚變技術(shù),或者去月球開采氦的同位素氦-3,這兩個方案短時間內(nèi)是無法實現(xiàn)的。

現(xiàn)在我們應(yīng)該意識到,我們每次充滿一個氦氣球,就意味著把地球整個自然史創(chuàng)造出來的東西白白送入了大氣層,然后被太陽風(fēng)吹到星際空間。

最后的一些想法

氦是一種稀有而獨特的元素,并且具有一些驚人的物理特性。當(dāng)溫度降至4K時,氦才會變成液體,當(dāng)溫度降至2k時,氦會變成了超流體,具有神奇的無摩擦特性。

世界上最大的粒子加速器大型強(qiáng)子對撞機(jī)的超冷系統(tǒng)就是通過液氦的循環(huán)來實現(xiàn)的,并在創(chuàng)造地球上有史以來最強(qiáng)的磁場方面發(fā)揮了重要作用。

如果我們不保存和循環(huán)利用地球上的氦,在未來氦將會嚴(yán)重短缺,氦在大氣中只占0.00052%,你覺得未來我們?nèi)祟惖目萍寄軓拇髿庵虚_采出嗎?

目前我國工業(yè)制備氦氣都是從含氦天然氣中分離出來的,這些氦氣都是放射性素經(jīng)過億萬年的衰變產(chǎn)生的,而且我國氦氣資源也十分貧乏,提取難度大,成本高,所以我們不要輕易放掉手中的氦氣球,那是我們地球自誕生以來就經(jīng)歷了45億年才開始制備的稀有資源。

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