大家好，今天來了解一下氦，原創(chuàng)資料希望喜歡，氦會需要一點簡單的量子力學及稀有氣體化學知識基礎(chǔ)，有什么問題可以問我。

氦是一種化學元素，元素符號為He，原子序為2，相對原子質(zhì)量為4.002，在標準狀況下，氦氣是一種無色，無臭，無味，無毒，惰性的單原子氣體，氦是元素周期表中首個稀有氣體。氦的沸點是所有元素中最低的。除了暗物質(zhì)和暗能量以外，氦是宇宙中第二輕和第二豐富的元素，元素豐度超過20%，僅次于氫。

1.?特點

①氦原子

量子力學中的氦原子：

從量子力學的角度來看，氦是僅次于氫原子第二最簡單的原子。氦通常由包含兩個質(zhì)子和兩個中子(氦-4)的核與在原子軌道上的兩個電子組成。同牛頓力學一樣，任何由兩個以上粒子組成的系統(tǒng)都不能用精確的解析數(shù)學方法求解，氦也不例外。因此，即使求解一個原子核和兩個電子的系統(tǒng)，也需要數(shù)值數(shù)學方法。這種通過計算的化學方法已用于在很多計算步驟中，以創(chuàng)建氦的量子力學圖像，誤差精確值已小于2％。這樣的模型表明，氦中的每個電子與核互相屏蔽，使得每個電子的有效核電荷Z約為1.69單位，而不是經(jīng)典氦核的2個電荷。

氦-4核與電子層的相關(guān)穩(wěn)定性：

氦-4原子核與α粒子相同。高能電子散射實驗表明，其電荷從中心點的最大值開始呈指數(shù)下降，與氦自身電子云的電荷密度完全相同。這種對稱性反映了類似的物理學潛在效應(yīng)：氦原子核中的一對中子和質(zhì)子遵循與氦的電子對相同的量子力學規(guī)則，所以這些費米子完全占據(jù)1s的成對軌道，沒有一個擁有軌道角動量，每個都抵消了另一個的內(nèi)在旋轉(zhuǎn)。無論添加任何粒子中都會需要將角動量釋放，使得整體能量減少（事實上，具有五個核子的核沒有一個是穩(wěn)定的）。因此，氦原子的這種布置在能量上非常穩(wěn)定，并且可以解釋了氦的許多特性。

例如，氦中電子云狀態(tài)的穩(wěn)定性和低能量解釋了元素的化學惰性，并且導(dǎo)致氦原子彼此之間缺乏相互作用，成為所有元素中熔沸點最低的元素。

同理，由類似效應(yīng)產(chǎn)生的氦-4核的具有特定能量穩(wěn)定性解釋了在涉及重粒子發(fā)射或聚變反應(yīng)中氦-4生成的容易性。雖然氫的聚變反應(yīng)也可以產(chǎn)生一些穩(wěn)定的氦-3（2個質(zhì)子和1個中子），但與非常易生成的氦-4相比，氦-3只占很少的一部分。

氦-4核的異常穩(wěn)定性在宇宙學上也很重要，它解釋了這樣一個事實：在大爆炸后的最初幾分鐘，由于自由質(zhì)子和中子“湯”以大約6：1的比例被冷卻到可進行核合成的程度，幾乎所有化合物原子核都首先形成氦-4核。氦-4結(jié)合得如此緊密，在中子發(fā)生β衰變之前，在幾分鐘內(nèi)產(chǎn)生的氦-4幾乎消耗掉了所有的自由中子，這也導(dǎo)致幾乎沒有留下什么核子來形成較重的原子，如鋰、鈹或硼。每個核子的氦-4核結(jié)合比這些元素中的任何一種都強，因此，一旦形成氦，就沒有能量驅(qū)動來制造元素鋰、鈹和硼。因此，由于缺乏中間元素，形成碳的過程需要三個氦原子核幾乎同時撞擊，這就是三氦過程。因此，在大爆炸后幾分鐘內(nèi)，在早期膨脹的宇宙冷卻到不再可能將氦轉(zhuǎn)化成碳的溫度和壓力之前，并沒有足夠的時間形成碳。這使得早期宇宙的氫/氦比例非常相似，并與現(xiàn)在觀測到的差別不大，宇宙中幾乎所有的中子都被捕獲在氦-4中。

所有較重的元素（包括像地球這樣的巖石行星以及碳基或其他生命所必需的那些元素）都是自大爆炸以來在恒星中產(chǎn)生的，這些恒星的熱度足以使氦發(fā)生聚變。除了氫和氦，其他所有元素只占宇宙中原子物質(zhì)質(zhì)量的2%。相比之下，氦-4約占宇宙普通物質(zhì)的23%，幾乎是所有非氫的普通物質(zhì)。

②氣態(tài)和等離子態(tài)

在很多文獻中，氦是僅次于氖第二惰性的元素。在標準條件下，它呈現(xiàn)單原子性及化學惰性。由于氦相對低的原子質(zhì)量以及氦單原子分子的小尺寸，它的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱和氣相中的聲速都比除氫以外的任何氣體大。氦在固體中傳播速度是空氣的三倍，相當于氫氣的65%。

氦是最難溶于水的單質(zhì)氣體，也是最難溶于水的氣體之一(四氟化碳、六氟化硫和八氟環(huán)丁烷具有更低的摩爾分數(shù)溶解度，分別是0.3802×10??、0.4394×10??和0.2372×10??，而氦是0.70797×10??)，和氦的折射率比任何氣體都接近于真空的基準折射率。在正常環(huán)境溫度下，焦耳-湯姆遜系數(shù)為負，這意味著氦在室溫膨漲時溫度會上升。只有低于焦耳-湯姆遜反轉(zhuǎn)溫度（在1個大氣壓中約為32-50K）時，自由膨脹時它才會冷卻。只有預(yù)冷到低于這個溫度，氦才可以通過膨脹冷卻液化。

在地球之外，大多數(shù)氦都處于等離子體狀態(tài)，其性質(zhì)與原子的氦有很大不同。在等離子體中，氦的電子不與它的原子核結(jié)合，導(dǎo)致其有著非常高的電導(dǎo)率，即使氦只是部分電離。帶電粒子會受到磁場和電場的強烈影響。例如，在太陽風中的等離子體會與地球的磁層相互作用，產(chǎn)生伯克蘭電流和極光。

③固氦

與任何其他元素不同，在常壓下即使降低溫度至接近絕對零度氦也將一直保持液態(tài)。量子力學可以解釋這種狀況，具體而言，氦的零點能太高在常壓下不能凝固。固態(tài)氦只有在約25個大氣壓力下，處于1-1.5K時才會形成。由于固態(tài)氦和液態(tài)氦的折射率幾乎相同，所以通常很難區(qū)分固態(tài)和液態(tài)氦。固態(tài)氦具有明顯的熔點和晶體結(jié)構(gòu)，但它是高度可壓縮的；在實驗室施加壓力可使其體積減少30％以上。氦的體積模量約27兆帕相當于水的100倍。固體氦在1.15K和66個大氣壓下的密度為0.214±0.006g/cm3；通過模擬理論計算在0K和25個大氣壓下的投射密度為0.187±0.009g/cm3。在更高的溫度下，氦需要更高的壓力才會凝固。在室溫下，這需要大約114000個大氣壓。

④液氦

氦I：

在4.22K的沸點以下，在2.1768K的λ點以上，氦-4以正常的無色液體狀態(tài)存在，稱為氦I。和其他低溫液體一樣，氦I在加熱時沸騰，當溫度降低時收縮。然而，在蘭姆達點以下，氦不會沸騰，并且隨著溫度的進一步降低而膨脹。

氦I的類氣體折射率僅為1.026，這使得它的表面很難看到，所以常用泡沫聚苯乙烯的浮子來顯示其位置。這種無色液體的粘度很低，密度為0.145-0.125g/ml，僅為經(jīng)典物理學預(yù)期值的四分之一。這需要量子力學來解釋這種性質(zhì)，因此液態(tài)氦（氦I和氦II）的兩種狀態(tài)都被稱為量子流體，這意味著它們在宏觀尺度上展現(xiàn)出微觀的原子性質(zhì)。這可能是由于氦的沸點如此接近絕對零度，阻止隨機分子熱運動掩蓋原子性質(zhì)。

氦II：

在λ點以下的液態(tài)氦（稱為氦II）表現(xiàn)出非常特殊的特征。由于它的高導(dǎo)熱性，當它沸騰時，它并不會起泡，而是直接從其表面蒸發(fā)。氦-3也同樣具有超流體相，但所需溫度會更低。

氦II是一種超流體，是一種具有奇特性質(zhì)的量子力學物質(zhì)狀態(tài)。例如，當它流經(jīng)細至10??到10??米的毛細管時，它將沒有可測量的粘度。然而，當在兩個移動的圓盤之間進行測量時，則會觀察到與氣態(tài)氦相當?shù)恼扯?。目前通過雙流體模型來解釋氦II。在這個模型中，低于λ點的液氦含有一定比例處于基態(tài)的氦原子，它們是超流體，并且流動時粘度近乎為0，但同時其也包含一定比例的處于激發(fā)態(tài)的氦原子，其行為更像普通流體。

如果裝有氦II貯存器通過燒結(jié)圓盤與腔室相連，那么超流氦容易通過該燒結(jié)圓盤泄漏，而非超流氦不能通過該燒結(jié)圓盤。如果容器內(nèi)部被加熱，超流氦就變成非超流氦。為了維持超流氦的平衡分數(shù)，超流氦會溢出并增加壓力，導(dǎo)致液體從容器中噴出，這就是超流氦的噴泉效應(yīng)。

氦II的導(dǎo)熱系數(shù)比其他任何已知物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)都大，是氦I的100萬倍，是銅的幾百倍。這是因為超流氦的熱傳導(dǎo)是通過特殊的量子機制產(chǎn)生的。大多數(shù)導(dǎo)熱良好的材料都有一個自由電子的價帶，用來傳遞熱量，但氦II沒有這樣的價帶，卻同樣有著十分良好的導(dǎo)熱能力。熱量傳遞是由類似于空氣中聲音傳播的波動方程的方程來控制的。當熱被傳入時，它在1.8K以每秒20米的速度通過氦II，這種現(xiàn)象被稱為第二聲。

氦II也顯示出蠕變效應(yīng)，當氦II蔓延至水平面以外時，氦II可以逆著重力沿著表面移動。氦II會沿著未密封容器的兩側(cè)進行爬行從而逸出并蒸發(fā)。無論表面為什么材料，氦都可以在30nm厚的薄膜中移動。這種薄膜被稱為羅林薄膜，是以第一個描述這種特性的伯納德·V·羅林的名字命名的。由于這種蠕變效應(yīng)，氦II可以通過微小開口快速泄漏，很難限制液態(tài)氦的流動。除非容器經(jīng)過特殊構(gòu)造，氦II會一直沿著表面蠕動，直到其到達較熱的地方并蒸發(fā)。在羅林薄膜上傳播的波受與淺水中的重力波相類似，但復(fù)原力并不是重力，而是范德華力，這些在羅林薄膜上傳播的波被稱為第三聲。

2.?同位素

氦有9種已知同位素，但只有氦-3和氦-4是穩(wěn)定的。在地球大氣層中，氦-3含量只有氦-4的百萬分之一。與大多數(shù)元素不同，氦的同位素豐度因成因不同差異十分巨大。地球上最常見的同位素氦-4是由較重的放射性元素進行α衰變產(chǎn)生的；α粒子就是完全電離的氦-4核。氦-4異常穩(wěn)定，主要是來源于大爆炸的核合成過程。

氦-3在地球上僅微量存在。大部分氦-3都是自地球形成之前以來一直存在的，但有些則是由宇宙塵埃帶來的。也有極微量的氦-3是由氚發(fā)生β衰變產(chǎn)生的。地殼巖石中的氦同位素比值是大氣比例的10倍，這可以用于研究巖石的起源和地幔的組成。作為核聚變的產(chǎn)物，氦在恒星中的含量要多得多。因此，在星際介質(zhì)中，氦-3與氦-4的比例約是地球比例100倍。行星以外物質(zhì)，如月球和小行星，由于受到太陽風的轟擊，含有微量的氦-3。月球表面含氦-3的濃度約為十億分之10，遠高于地球大氣中約百億分之5。從1986年起，許多科學家提出探索月球，開采月球碎石，使用氦-3進行核聚變。

液體氦-4可以通過在1K鍋中蒸發(fā)冷卻冷卻到大約1開爾文。在氦-3制冷機中，沸點較低的氦-3需要冷卻到約0.2開爾文才可完全形成液體。低于0.8K的液體氦-3和氦-4的混合物由于結(jié)構(gòu)的不同而處于不同的兩個非混溶相，這是因為它們遵循不同的量子統(tǒng)計，氦-4原子是玻色子，而氦-3原子是費米子。通過這樣原理可制得相差僅有毫開爾文的稀釋冰箱。

氦也存在其他罕見的同位素，它們會迅速衰變?yōu)槠渌镔|(zhì)。最短壽命的氦同位素是氦-5，半衰期僅為7.6×10?22秒。氦-6可發(fā)射β粒子而衰變，半衰期為0.8秒。氦-7和氦-8可在某些核反應(yīng)中產(chǎn)生。此外，氦-6和氦-8具有核暈。

3.?化合物

一般來說，氦被認為不存在化合物。氦的第一電離能為24.57eV，是元素中最高的。在利蘭·C·艾倫的電負性表里，氦有著極高的電負性，僅次于氖和氟。氦具有完整的電子層，并且在這種形式中，原子不容易接受任何額外的電子或與任何物質(zhì)結(jié)合以制造共價化合物。氦的電子親和能為0.08eV，非常接近于零。氦原子很小，外電子層的半徑為0.29?。在軟硬酸堿理論中，氦的硬度很高，皮爾遜硬度為12.3eV。氦有著原子的最低極化率。然而，在氦和其他原子之間存在非常弱的范德華力，這種力可能會超過其排斥力。因此，在極低的溫度下，氦可能形成范德華分子。而氦和其他原子之間的排斥力也可通過高壓克服。已經(jīng)證明氦在高壓下與鈉形成結(jié)晶化合物。在氣態(tài)行星內(nèi)部有著可使氦成為固體的壓力。加壓氦氣和其他小分子也可形成包合物，如氮氣包合物。通過理論計算化學方法，可以預(yù)測一些含氦的分子或離子，不過它們同樣需要高壓才能得到，有些已被預(yù)測化合物目前仍未制得。

使氦反應(yīng)的其他方法一般是：先將其轉(zhuǎn)化為離子，或?qū)㈦娮蛹ぐl(fā)到更高的水平，使其形成激態(tài)分子。氦離子（He?）是一種能夠從其他原子中提取電子的高能量物質(zhì)。氦離子具有類似氫的電子構(gòu)型，因此理論上它可以形成共價鍵。激態(tài)分子不能持續(xù)很長時間，因為含有較高能級的氦原子的分子會迅速衰變回到基態(tài)。然而，在白矮星之類的高密度天體中，可以快速形成激發(fā)的氦原子。激發(fā)態(tài)的氦原子有一個1s電子變變成2s電子。每克的氦需要1900千焦的能量，這可以通過電子沖擊或輝光放電來提供。2s激發(fā)態(tài)的電子軌道會類似于鋰原子。

①已知固態(tài)

大多數(shù)氦和其他物質(zhì)的結(jié)合需要高壓。氦原子雖不與其他原子結(jié)合，但有些物質(zhì)可以具有明確的晶體結(jié)構(gòu)。

氦化鈉：

氦化鈉是氦和鈉的化合物，在高于113千兆帕的高壓下是穩(wěn)定的。通過X光攝影的通用結(jié)構(gòu)預(yù)測器(USPEX)計算到了氦化鈉的存在，并于2016年首次合成。預(yù)測其熱力學穩(wěn)定性在160GPa以上，動力學穩(wěn)定性在100GPa以上。氦化鈉具有類似螢石的立方晶體結(jié)構(gòu)。在300GPa時，晶體單位晶胞邊緣a=3.95。每個單位晶胞立方體表面和角的中心含有四個氦原子，在頂點處有八個鈉原子，每個面有1/4細胞。雙電子位于單元格的每個邊緣和中心，每對電子都是自旋對，這些孤立電子會幫助結(jié)構(gòu)連接。氦原子本身并不參與成鍵。據(jù)推測，氦化鈉為透明的絕緣體。

硅酸鹽包合物：

2007年有報道稱，氦原子可與硅酸鹽結(jié)合。硅方英石是一種天然二氧化硅包合物，通常含有二氧化碳，甲烷或氮。通過壓縮將氦原子擠入其結(jié)構(gòu)會形成新的包合物。這種物質(zhì)有著很高的體積模量，并且不能結(jié)晶化。在17GPa下氦會進入原本結(jié)構(gòu)，并使晶胞擴大，而在11GPa以下氦會自動脫離包合物結(jié)構(gòu)。

砷酸鹽包合物：

砷酸鹽氦包合物As?O?·2He在3-30GPa的壓力下是穩(wěn)定的。砷華是最軟和最易壓縮的礦物之一。氦可以防止高壓力下在砷酸鹽的晶體發(fā)生解離。含有氦的固體比普通砷酸鹽有著更高的硬度和聲速。包含在晶體中的氦會對As?O?分子產(chǎn)生更均勻的應(yīng)力。雖然砷仍有可用的孤對電子，但砷和氦之間同樣并沒有形成實際的鍵。氦原子擴散到砷酸鹽中是一個緩慢的過程，但如果晶體上的壓力太高超過13GPa，則氦就不會發(fā)生滲透，這是因為由于壓力過高砷酸鹽分子之間的間隙會被擠壓的過小。因此，原子半徑更大的氖并不能擴散到砷中。

鈣鈦礦包合物：

氦也可插入受熱膨脹鈣鈦礦內(nèi)。在室溫下，六氟鋯酸鈣可以在350Mpa下吸入氦以使其晶胞膨脹，產(chǎn)生HeCaZrF?。室溫下，如果降低壓強，幾分鐘內(nèi)氦就會脫離，但在低于130K時，它在減壓時仍可保留氦。

甲酸酯包合物：

在高壓下，氦可以滲透二甲基鐵胺甲酸鹽。并在較低壓力（約4GPa）下形成單斜有序結(jié)構(gòu)。

氣體小分子包合物：

通過在金剛石壓砧中壓縮氮和氦至10GPa-15GPa下，氦和氮可形成He(N?)??，它是具有六方晶體的范德華分子。

在13.7GPa下，氖可和氦形成NeHe?，它有著類似鋅鎂合金的六方結(jié)構(gòu)。每個晶胞中有四個原子。在12.8GPa時會熔化，穩(wěn)定存在需要在90GPa以上。

其他包合物：

氦包合物僅在高壓下形成。在280-480MPa之間，氦和水可形成比例為1：6的固體氦水合物。由于氫和氦的分子大小相似，氦籠形水合物應(yīng)與氫籠形水合物類似。

氦可以在壓力下進入其他的分子固體晶體，以改變它們的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。例如在超過0.3GPa以上氯磺丙脲可和氦結(jié)合變?yōu)閱涡本到Y(jié)構(gòu)，并且在為1.0GPa變?yōu)檎痪怠?/span>

富勒烯層間物：

氦可以形成與富勒烯形成層間結(jié)構(gòu)，如C60和C70。在固體C60中，在C60球之間存在著四面體或八面體的空間，即使在一個大氣壓下，氦也可以擴散到固體富勒體中。由于氦位于富勒烯之間的層狀結(jié)構(gòu)內(nèi)而不是富勒烯本身結(jié)構(gòu)內(nèi)，因此其結(jié)構(gòu)式一般寫成如C60?3He的形式。氦分兩個階段進入晶格。第一個快速階段需要幾天時間，并且將晶格擴展0.16％，填充大部分八面體的位置。第二階段需要數(shù)千小時才能吸收更多的氦并使晶格膨脹兩倍（0.32％）填充四面體位置。而當固體C60不處于氦氣氛下時，固態(tài)富勒烯會在340小時的內(nèi)迅速失去氦。由于氦的空隙占據(jù)的變化，高溫時體積變化較小，但是在轉(zhuǎn)變溫度附近則快速的變化。

內(nèi)形物：

氦原子可以被捕獲在分子籠內(nèi)，例如富勒烯C60和C70，可由氦和富勒烯壓縮制成，這與層間化合物不同，氦原子會被困在碳骨架內(nèi)，其結(jié)構(gòu)式一般會用一個帶@的符號來表示，如He@C60或He?@C70。直接高溫高壓C60和氦反應(yīng)率不足1％，通過破壞和重整富勒烯結(jié)構(gòu)，才可反應(yīng)率提高。高效液相色譜可用于濃縮氦，由于原子被聚在一起，因此它們具有較低的對稱性，其結(jié)構(gòu)易延直線擴展延長。

其他籠狀無機或有機分子也可能捕獲氦，但反應(yīng)速率不及富勒烯。

②不純氦冷凝物

當各種原子或分子被吸收在超流氦的表面上時，就會形成不純氦冷凝物（IHCs），其在液氦中沉積會呈現(xiàn)類似雪的凝膠狀態(tài)。原子可包括H，N，Na，Ne，Ar，Kr，Xe，堿金屬以及堿土金屬。雜質(zhì)原子會形成具有由范德華力的納米顆粒簇來保持物質(zhì)表面。氦原子不能朝向或遠離其他原子移動，但可以在其他原子周圍垂直移動。這種雪狀固體的結(jié)構(gòu)就像氣凝膠，當自由原子包含在冷凝物中時，可以實現(xiàn)高能量密度，可作為潛在的火箭燃料。這類混合物需用一個涉及方括號的符號來表示，如：[N]/[He]代表氦中的氮原子雜質(zhì)。

③不純氦固體

將雜質(zhì)原子引入固體氦產(chǎn)生藍色固體，其會比純氦更易熔化。液氦中的中性金屬原子也被由電子排斥引起的氣泡包圍。如果提高壓強，電子氣泡半徑會減小，更易使不純氦固體形成。

④溶解物

氦氣可以極少的溶解在鐵、鉍、鋰、鉀、鎳等金屬的液態(tài)物中。金屬的熔點越高，氦溶解的越少。然而，當淬火液態(tài)金屬時，可以使更高濃度的氦氣溶解。這是因為氦原子進入金屬晶格，形成孔狀物。

⑤納米線

當金，銅，銣，銫或鋇等金屬蒸發(fā)成液態(tài)氦形式可以形成蜘蛛網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以更好的與超流體的氦相結(jié)合形成納米線合成物。

⑥二維離子晶體

當被電場吸引時，液氦中的氦離子（He?）可以在低于100mK的溫度下形成二維晶體。在氦表面下方每平方米有大約半萬億個離子。自由電子漂浮在氦表面之上。

⑦范德華分子

范德華分子是由范德華力或氫鍵等分子間吸引力結(jié)合在一起的原子或分子的弱結(jié)合復(fù)合物。氦可以形成多種范德華分子，如：LiHe(這是一種冷低密度氣體，可用于研究二聚體，埃菲莫夫態(tài)等)、二聚氦、三聚氦、四氟甲烷氦等等

⑧離子

氦具有最高的電離能，因此氦離子可以剝離任何其他中性原子或分子的電子。然而，它也可以與產(chǎn)生的離子結(jié)合?？梢杂脷怏w或液氦研究。常見有以下分類：電離團簇氦、氦合氫離子、稀有氣體團簇離子、部分金屬-氦離子、部分非金屬氦離子等等

⑨激發(fā)態(tài)氦原子

二聚氦離子可形成霍普菲爾德連續(xù)體。氦也可以與鋇形成Ba?He*準分子。

4.?天然分布

雖然氦在地球上很罕見，但氦是已知宇宙中第二豐富的元素（在氫之后），占其重子質(zhì)量的23％。絕大多數(shù)氦是在大爆炸后一到三分鐘由大爆炸原初核合成形成的。因此，氦豐度的測量有助于修正宇宙學模型。在恒星中，它是由氫在質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)中的核聚變和碳氮氧循環(huán)形成的，這是恒星核合成的一部分。

在地球大氣中，氦氣的濃度僅為百萬分之5.2。盡管有新的氦繼續(xù)產(chǎn)生，但氦總體濃度很低并且相當穩(wěn)定，這是因外地球大氣中的大多數(shù)氦會逸散到太空中。在高層大氣中，氦氣的含量會有所增加。

地球上大多數(shù)氦氣是放射性衰變的結(jié)果。在含鈾和釷的礦物中會存在一些氦氣，包括釔鈾礦，瀝青鈾礦，釩酸鉀鈾礦和獨居石，因為它們發(fā)射α粒子（氦-4原子核），只要α粒子被巖石阻擋，電子就會立即與α粒子上結(jié)合成為氦氣。通過這種方式，整個巖石圈每年產(chǎn)生約3000公噸的氦。在地殼中，氦的濃度為十億分之八。在海水中，濃度僅為萬億分之四。礦物泉，火山氣和隕鐵也有少量的氦。由于氦氣同天然氣一起被困在地下，因此大部分商業(yè)氦氣都是從天然氣中提取出來的。

5.?應(yīng)用

雖然氦氣最知名的用途是用于氣球，但它們只占氦氣使用的一小部分。由于氦氣的一些獨特性質(zhì)，如低沸點，低密度，低溶解度，高導(dǎo)熱性或惰性，氦常應(yīng)用在一些專屬領(lǐng)域。2014年全球氦氣最大的用途（約占32％）屬于低溫應(yīng)用，其中大部分用于醫(yī)用MRI掃描儀和核磁共振光譜儀冷卻超導(dǎo)磁體。其他主要用途包括加壓和吹掃系統(tǒng)、焊接、保護氣和泄漏檢測。

①可控氣氛

由于氦的惰性，氦可用于保護氣，氦主要應(yīng)用于硅鍺半導(dǎo)體制造、鈦和鋯的生產(chǎn)以及氣相色譜法中。另外由于氦高導(dǎo)熱性、高比熱容以及高聲音傳播速度，氦也可用于超音速風洞和脈沖設(shè)施。

②鎢極氣體保護電弧焊

氦常用在電弧焊過程中用作保護氣體，這是因為有些電焊材料可能在高溫下與空氣中的氧氣和氮氣發(fā)生反應(yīng)。在鎢極氣體保護電弧焊中稀有氣體會經(jīng)常被用到，但之所以使用比氬更貴的氦，是因外氦有著較高導(dǎo)熱率，適用于那些同樣有著高導(dǎo)熱率的材料如鋁、鈰、銅等。

③工業(yè)檢漏

工業(yè)上氦常見的應(yīng)用是泄漏檢測。由于氦在固體中的擴散速度比在空氣快3倍，因此氦被用作示蹤氣體，以檢測高真空設(shè)備（如低溫罐）和高壓容器中的泄漏。在檢測時會把被檢測對象置于一個腔室中，然后會將腔室抽至真空再充滿氦氣，然后使用氦質(zhì)譜儀檢漏儀是否有氦泄漏即可。測量過程通常是自動的，稱為氦氣累積測試。更簡單的方法是用氦氣填充被測物體，并用手持設(shè)備手動搜索泄漏。

④飛行用途：

由于氦密度比空氣小，因此飛艇和氣球中都會用氦氣填充。雖然氫氣的密度更低，并有著更低的濾膜速度，但氫氣高度易燃，而氦并不支持燃燒。氦的另一個飛行用途是在火箭中，氦會幫助用于火箭燃料的氫氣和氧氣進行凝結(jié)。

⑤商業(yè)和娛樂用途：

氦氣可作為呼吸氣體中的稀釋氣體，用于將氧氣稀釋到適當?shù)臐舛?。由于氦沒有麻醉效應(yīng)，因此在深潛中常使用含有氦氣的混合氣體如氦氧氮混合氣，氦氧混合氣或氦氣空氣混合氣。但由于壓強隨深度的增加而增加，在深處時雷諾數(shù)會減少，低分子量的氦反而會使有效呼吸減少。在150米以下，潛水員使用氦氧混合氣可能會出現(xiàn)震顫和精神運動功能下降的高壓神經(jīng)綜合癥癥狀。如果向氦氧混合氣中加入一定量的麻醉氣體如氫氣或氮氣，可以在一定程度上抵消這種影響。

氦氖激光器是一種產(chǎn)生紅光束的低功率氣體激光器，曾用于條形碼讀取器和激光指示器，但后來幾乎全部被更便宜的二極管激光器所取代。

由于氦的惰性、高導(dǎo)熱性以及中子穿透性，氦可用于核反應(yīng)堆中的傳熱介質(zhì)。

由于氦的高熱容比和低普蘭特數(shù)，氦可與較重的氣體如氙混合，用于熱聲制冷。與傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng)相比，氦氣的惰性使得氦更加環(huán)保，不會產(chǎn)生嚴重的臭氧消耗及全球變暖。

氦氣也用于某些硬盤驅(qū)動器。但是過量氦氣滲入可能損害如手機內(nèi)部等微機電系統(tǒng)的運作。

⑥科學用途：

由于氦的折射率極低，所以在某些望遠鏡中，氦可以減少透鏡間空間溫度變化造成的扭曲效應(yīng)。這種方法尤其適用于有著較重真空密閉望遠鏡管的太陽能望遠鏡。

氦氣是氣相色譜常用的載氣。

含有鈾和釷的礦物年齡可以通過測量氦的水平來估計，這個過程稱為氦定年法。

液氦也可用于某些低溫應(yīng)用中。例如，液氦可將用于磁共振成像的超導(dǎo)磁體冷卻到超導(dǎo)所需的極低溫度。

6.?吸入與安全

①效果

在標準條件下，氦是無毒的，也沒有任何生物學作用。

聲音在氦氣中的速度幾乎是在空氣中速度的三倍。由于充氣腔的基本頻率與氣體中的聲速成正比，所以當吸入氦氣時，聲道的共振頻率會相應(yīng)增加。較高的共振頻率導(dǎo)致音色的變化，導(dǎo)致發(fā)出的聲音會變得尖細。相反地，如果吸入六氟化硫或氙氣等高密度氣體，共振頻率就會下降，發(fā)出的聲音就會變得更低沉。

②危害

吸入過量的氦氣會很危險，因為氦氣不支持呼吸，可能會導(dǎo)致窒息。直接從加壓氣瓶或甚至氣球填充閥吸入氦氣是極其危險的，因為高流速和高壓力會導(dǎo)致嚴重破壞肺組織。

低溫氦和液氮有著相似的風險，直接接觸可能會導(dǎo)致嚴重的凍傷。當?shù)陀?0K的氦氣被加熱到室溫時發(fā)生的快速和顯著的熱膨脹，裝有氦氣的容器需要進行特殊處理。

在高壓（超過20大氣壓）下，氦氧混合氣可導(dǎo)致高壓神經(jīng)綜合征，如果向氦氧混合氣中加入一定量的麻醉氣體如氫氣或氮氣，可以在一定程度上抵消這種影響。