氦是周期表中唯一一个首先在地球之外被观测到的元素，人们在观测太阳光谱时察觉到了这种元素的踪迹。然而，虽然浩瀚的宇宙中蕴含着丰富的氦资源，地球上的氦却少得可怜……
撰文李研
编辑金庄维
1903 年，位于堪萨斯州的德克斯特（Dexter）小镇探查到了储量丰富的地下气体资源。当地人为此沉浸在欣喜中，大家普遍认为这应是可以用作能源的天然气，而能源意味着财富和就业机会。人们兴奋地相聚在一起，围观气井的点火试气。通常，天然气中主要成分为甲烷，十分易燃。然而让众人大失所望的是，这里采出的地下气体竟然无法被点燃。
气体样品随后被送去堪萨斯大学检测，科学家发现这里的“天然气”含有一种未知的惰性成分。正所谓“塞翁失马，焉知非福”，当时的人们难以料想，此处蕴藏的 “拒绝燃烧”的未知气体，日后被证实是一种比天然气更加珍贵的战略资源。
这种未知气体便是稀有元素氦（Helium），它的原子序数为 2 ，我们可以很容易在元素周期表的右上角找到它。
图片由“最美丽的化学元素周期表”网站策划者吴尔平提供
太阳上的元素
看过“流浪地球”的读者，可能还记得“氦闪”。它讲的就是当太阳核心的氢快消耗完时，所剩的氦核心将发生失控的核聚变反应，迅速转化为碳的过程。
“流浪地球”中所描述的“氦闪”（图源：cdstm.cn）
氦是周期表中唯一一个首先在地球之外被观测到的元素。人们在观测太阳光谱时察觉到了这种元素的踪迹。
1868 年，法国天文学家皮埃尔·让森（Jules Janssen）在印度观测日食时，首先注意到一条波长为 587.49 nm 的未知谱线。因为氦 587.49 nm 的谱线与钠黄光的 589nm 非常接近，人们还误以为氦是与钠性质相近的一种金属。
氦在可见光区域的发射光谱（图源：wikipedia.org）
英国科学家诺曼·洛克耶（Norman Lockyer），同年也在太阳光谱中发现了这条黄线。凭借敏锐的洞察力，他推测这条谱线应来自太阳上的一种新的元素，并取名为“helium” 源自希腊语太阳“helios”)，简称“He”。
浩瀚的宇宙中蕴含着丰富的氦资源，氦可以占到宇宙中总元素质量的四分之一。然而，地球上的氦却少得可怜，氦气（He）的体积分数只占地球大气的约 0.0005%。直到 1869 年门捷列夫创建最初的元素周期表时，氦元素的位置还是空缺的。
在地球上成功分离出氦元素，还要等到 1895 年。当时，苏格兰化学家威廉·拉姆齐（William Ramsay）在用硫酸处理沥青铀矿时，发现了生成气体中有一条谱线和太阳光谱中的黄色谱线相吻合。于是，他把这份气体样品交给同在英国的洛克耶分析。洛克耶最终确认这就是他先前在太阳光谱中发现的元素 He。
从“副产品”到“战略资源”
接下来的故事，就回到文章开头提到的 1905 年在美国小镇的意外发现了。美国一些原本认为是天然气的气田中，发现了储量可观的氦气资源。这些氦气资源主要由含有放射性元素的矿石（例如钍和铀）的天然衰变产生，在地下密闭的空间里氦气无处逃逸，于是可以被富集到高达7% 的浓度，具备开采价值。
正当科学家思考这种天然气气田的副产品有什么特别用途时，第一次世界大战的爆发很快为氦气找到了的用武之地——利用其密度比空气小的特性为气艇提供浮力，用以侦查和轰炸敌方领地。更重要的是，相比另一种可以提供浮力的气体氢气，氦气因不易燃烧，保障了飞艇的安全性。至此，美国政府开始将其视为一种独特的战略资源加以储备，甚至在 1927 年颁布了氦气控制法令，禁止氦气出口。
美国的出口禁令，迫使德国人在气艇中使用容易获取却易燃易爆的氢气，这一选择也最终酿成了 1937 年兴登堡号飞艇爆炸的惨剧，并随之结束了氢气作为飞艇填充气体的历史。
德国兴登堡号飞艇爆炸（图源：wikipedia.org）
用途广泛，无可替代
如今，氦气的应用已经远不止一种提供浮力的气体。液氦因其沸点接近绝对零度（-268.9℃），成为核磁共振仪器中维持磁体超导状态的必备，它在低温控制领域已经成为占比最大的应用（～30%）。
其他一些应用还包括：深潜员携带的气瓶中混有适当比例的氦气以防止“减压病”和“氧中毒”的发生（因其在血液中溶解度很低）；氦气常作为示踪气体用于高精度的容器检漏（因其扩散速度快和容易检出的特点）；氦气也可以提供惰性气氛，这其中包括填充在毛主席水晶棺中的保护气体（因其化学性质非常稳定）。
2017 年美国A级氦气（纯度 99.995%）的用途分析：核磁共振成像（MRI）—30%，提供浮力—17%，实验室分析—14%，焊接—9%，工程及科学应用—6%，气体检漏—5%，半导体制造—5%，其他—14%。
上述提到的应用，还仅是关于地球上常见的氦同位素：氦-4（4He）。氦元素家族还有一种稳定的同位素，被称为氦-3（3He）， 由两个质子和一个中子组成。理论上，3He 发生核聚变反应时，只产生没有放射性的质子，不会造成核辐射危害环境，堪称完美的绿色能源。只可惜地球上3He 的储量非常少，收集和利用的难度极高。
氦-4 和氦-3 的原子结构（图源：wikipedia.org）
会从地球上“消失”的元素
伴随着氦元素用途被越来越多地开发，氦气资源也越发呈现供不应求的局面。在“你的手机中，有 6 种元素将在 100 年后消失……”的题目中出现了一个不恰当用词——“元素消失”。不少读者的评论指出，元素不会“消失”，只是矿产资源枯竭。然而氦元素却是个例外。氦原子由于其化学惰性，通常只以单原子氦气的形式存在；又因为相对分子质量很小，非常容易从地表逃脱引力束缚而流失到太空，所以氦元素成为一种正从地球上逐渐“消失”的不可再生资源。
因为氦气在空气中含量极微，所以人类不得不在地下寻找它。目前使用的氦气主要来自油气钻探过程中产生的副产品。提取氦气主要利用了氦气难液化的特性，靠压缩使其他气体都凝成液体，剩下的就是比较纯净的氦气了。这一过程需要消耗很多能量，成本高昂，所以氦气含量如果太少就得不偿失了。
另外，形成美国堪萨斯州那样富含氦气的气田需要苛刻的地质条件。首先，气田周围要伴生铀或钍的矿石，这些元素的衰变是氦气的来源。更重要的是，气田顶部必须有坚实不透气的岩石，才可能让氦气留存不流失。符合这些地质条件的气田在地球上并不多见。
虽然美国长期将氦气视为战略资源，早期甚至一度禁止氦气的出口，但时至今日，美国仍是世界上氦气的主要生产国和出口国。中国是贫氦国家，目前绝大部分氦气依赖进口。
随着飞机技术的成熟和快速发展，飞艇已经失去了作为交通工具的价值。80 年代后，美国国家氦气储备公司决定在市场上逐步出售那些为建造飞艇准备的氦气，以偿还当初建厂时花费的成本。这导致氦气的价格一度没有充分反映其稀缺程度。
人们曾经以一种非常不严肃的方式大量浪费氦气资源——在派对和仪式中释放很多氦气填充的升空气球。这些气球一旦升空，就意味着里面的氦元素永远离开了地球。
一些正在升空的心形氦气填充气球（图源：pixabay.com）
已故诺贝尔物理学奖得主罗伯特·理查森（Robert Richardson）在 2010 年就曾对此提出警告，他认为一个派对上用的升空气球就值 100 美元，而且氦气一旦用尽，目前几乎没有替代品。
地球有 47 亿年的历史，它用了这么长的时间来累积我们的氦储备。而我们能在大约 100 年内将其耗尽。一代人没有权力决定以后数代人的可获取量。罗伯特·理查森
过低的氦气价格也打击了生产商的积极性，很多石油公司不愿意在开采天然气的同时添加收集氦气的装置。另外，伴随着氦气消耗量的日益增加，美国氦储备逐渐消耗殆尽，我们就不难理解近来氦气价格的逐年猛涨。
美国氦气储存量（虚线）和氦气价格（实线）的对比图（图源：参考资料[3]）
放眼星空，展望未来
面对氦资源的紧缺，人们正在节流和开源两方面做出努力。
虽然现在氦气填充气球依然有售卖，但在仪式上大规模释放氦气球的场景如今已经罕见。
在核磁共振设备中心，先前的一些耗费液氦量大的仪器正逐渐被淘汰，现在的核磁共振仪很多具有良好的密闭性，以防止液氦蒸发，从而大大减少了液氦的需求量。科学家也在研究临界温度更高的超导体，以期未来液氦不再是超导领域唯一可选择的冷却方式。
与此同时，人们也在寻找更多的氦气来源。除了美国，近年来富含氦气的气田在阿尔及利亚、卡塔尔和俄罗斯等国也有少量发现。
在地球上，氦是一种不可再生稀缺资源，但如果我们放眼地球之外，便会发现每分钟都有天文数字的氦在生成。其中，太阳就是一个巨大的氦工厂，夜以继日地把氦喷射到太空中。
在太阳风经常“光顾”的月球表面，也有大量富含3He 的土质。我国探月工程的一项重要计划，就是对月球3He 含量和分布进行由空间到实地的详细勘察，而 2009 年放映的科幻电影《Moon》已经展现了未来克隆人在月球上开采氦资源的场景。
电影《Moon》海报（图源：atomicboysoftware.com）
伴随着宇航技术的日益成熟，相信终有一天，宇宙中其他星球会成为人类可利用资源的一部分。等到那时，氦元素短缺的问题将会成为历史。不过在此之前，我们还是必须善待氦气，珍惜氦资源。