經歷45億年漫長半衰期才產生的元素,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,然後在不經意間就會把氣球放入空中,這些都是我們習以為常的事情,那麼我們今天要聊的是:我們熟悉的氦是怎麼來的,我們釋放的每一個氣球里的氦氣,都是我們地球經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。

氦氣的性質決定了地球形成初期就留不住它

曉得元素周期表的夥伴們都知道,氦是一種比空氣輕比氫氣略重的氣體,它經常被用來填充氣球、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(N₂)和氧氣(O₂)混合而成,平均分子量為29。而氦氣的分子量只有4,僅次於分子量為2的氫氣(H₂)。

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從低密度到高密度層層分佈,對於大氣來說,經過足夠長的時間,也會出現這樣的分佈。

 

在固體中,例如在地球內部,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。對於像木星這樣的氣態巨行星來說,因為它的質量是地球的數百倍,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量太小,重力無法留住任何氣體,由於來自太陽的強烈輻射,即使是最重的氣體也會被太陽風完全剝離。

 

太陽系初期,我們的地球就已經沒有氦了

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,我們會發現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。

 

在地球形成初期絕大多數的氫和氦會被暫時束縛在大氣層中,並迅速上升到大氣的最上層。地球上的其他原子,例如:碳、氮和氧會與氫結合生成甲烷、氨和水/水蒸氣,這就為我們地球保留了大量的氫,但其他元素不會與氦(惰性)發生反應。隨後絕大多數的氫和氦會被太陽風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。

 

自太陽系誕生以來,地球上幾乎就沒有氦了。(更準確地說,氦只佔地球大氣體積的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採氦呢?肯定可以,不過這個過程非常困難,而且非常昂貴,並不能大量的製備氦氣。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,也與宇宙其他地方的氦無關。

現在,我們「製造」氫氣完全沒有問題,因為海洋中充滿了2/3的氫。但是氦呢?

 

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),相當於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已衰變為其他元素了;這就是為什麼鈾(或者釷)是地球上自然存在的最重元素。

但是當鈾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。

 

它們的衰變過程屬於α衰變,在這個過程中,重元素會釋放出一個α粒子,最終形成一個更穩定的原子核。但是「α粒子」有兩個質子和兩個中子,實際上就是氦原子的原子核!氦原子核會在幾微秒內快速得到電子,變成一個中性氦原子,由於氦原子不與任何元素髮生反應,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,我們就一定會發現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於美國中部附近的地下。

 

我們現在知道了地球上的氦屬於不可再生資源,如果我們從地下開採氦氣,地球則需要數億年的時間才會通過重元素衰變產生氦,所以我們就必須找到新的氦源,比如通過掌握核聚變技術,或者去月球開採氦的同位素氦-3,這兩個方案短時間內是無法實現的。

現在我們應該意識到,我們每次充滿一個氦氣球,就意味著把地球整個自然史創造出來的東西白白送入了大氣層,然後被太陽風吹到星際空間。

 

最後的一些想法

氦是一種稀有而獨特的元素,並且具有一些驚人的物理特性。當溫度降至4K時,氦才會變成液體,當溫度降至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子對撞機的超冷系統就是通過液氦的循環來實現的,並在創造地球上有史以來最強的磁場方面發揮了重要作用。

如果我們不保存和循環利用地球上的氦,在未來氦將會嚴重短缺,氦在大氣中只佔0.00052%,你覺得未來我們人類的科技能從大氣中開採出氦嗎?

目前我國工業製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過億萬年的衰變產生的,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歷了45億年才開始製備的稀有資源。