自太阳系诞生以来,地球上几乎就没有氦了。(更准确地说,氦只占地球大气体积的0.00052%。)那说明还是有的,我们知道地球的大气层总量很大,我们是否可以尝试从大气中开采氦呢?肯定可以,不过这个过程非常困难,而且非常昂贵,并不能大量的制备氦气。这个路行不通,如果我们不说大气,在地球上确实还有很多氦,不过它与大气中的氦无关,也与宇宙其他地方的氦无关。
现在,我们“制造”氢气完全没有问题,因为海洋中充满了2/3的氢。但是氦呢?
上图中是铀和钍的一些放射性样本,它们是自然界中最稀有的两种元素。最常见的同位素铀238和钍232都具有放射性,其中铀-238(半衰期= 45亿年),钍-232(半衰期= 140亿年)。
铀-238(45亿年),相当于地球年龄的时间尺度。半衰期短得多的放射性重元素都早已经已衰变为其他元素了;这就是为什么铀(或者钍)是地球上自然存在的最重元素。
但是当铀238和钍232衰变时,它们会以一种非常特殊和重要的方式衰变。这也是我们地球氦气的唯一来源。
它们的衰变过程属于α衰变,在这个过程中,重元素会释放出一个α粒子,最终形成一个更稳定的原子核。但是“α粒子”有两个质子和两个中子,实际上就是氦原子的原子核!氦原子核会在几微秒内快速得到电子,变成一个中性氦原子,由于氦原子不与任何元素发生反应,它的唯一要做的事就是一直往大气层最高处窜。
但是世界上大部分的铀和钍埋藏在地下深处,所以地壳中只要有存在了几十亿年的铀或钍的矿床,我们就一定会发现大量的含有氦气的天然气矿床。世界上最大的含氦天然气矿床位于美国中部附近的地下。
我们现在知道了地球上的氦属于不可再生资源,如果我们从地下开采氦气,地球则需要数亿年的时间才会通过重元素衰变产生氦,所以我们就必须找到新的氦源,比如通过掌握核聚变技术,或者去月球开采氦的同位素氦-3,这两个方案短时间内是无法实现的。
现在我们应该意识到,我们每次充满一个氦气球,就意味着把地球整个自然史创造出来的东西白白送入了大气层,然后被太阳风吹到星际空间。
最后的一些想法
氦是一种稀有而独特的元素,并且具有一些惊人的物理特性。当温度降至4K时,氦才会变成液体,当温度降至2k时,氦会变成了超流体,具有神奇的无摩擦特性。
世界上最大的粒子加速器大型强子对撞机的超冷系统就是通过液氦的循环来实现的,并在创造地球上有史以来最强的磁场方面发挥了重要作用。
如果我们不保存和循环利用地球上的氦,在未来氦将会严重短缺,氦在大气中只占0.00052%,你觉得未来我们人类的科技能从大气中开采出