氦（英文名稱：氦氣），稀有氣體元素，位于元素周期表的第一周期零族，元素符號為He，原子序數為2，摩爾質量為4.00260g/摩爾，是一種無色無味的氣體。氦元素在地球的含量并不多，但是在宇宙是第二豐度的元素，僅次于氫元素。氦屬于最輕的惰性元素，在自然界中有最穩定的3He和4He兩種同位素，還有壽命很短的人造放射性同位素5He~10He。氦氣常壓下的沸點為-268.93℃，熔點為-272.2℃，是最難液化的氣體。氦氣在低溫超導、醫學成像、半導體、設備檢漏以及焊接等領域被廣泛使用。
相關歷史
1868年8月18日，法國天文學家皮埃爾·讓森（Pierre-Jules-César Janssen）在印度觀察日全食時，發現在太陽光譜中觀察到一條黃線D3（587.49nm）和鈉光譜的D1（589.6nm）和D2（589.0nm）兩條線不相同。1868年10月20日，英國天文學家約瑟夫·洛克耶（Norman Lockyer）也觀測到這條黃線D3。洛克耶和英國科學家愛德華·弗蘭克蘭（E. F. Frankland）認為這條線只有太陽才有，并且還認為是一種金屬元素。所以把這個元素取名為氦氣（元素符號為He，helio希臘文是太陽神的意思，后綴-ium是指金屬元素而言。中譯名為氦）。
1881年，意大利物理學家路易吉·帕爾米耶里（Luigi Palmieri）在分析維蘇威火山的巖漿時發現了氦的D3線，這是氦在地球上的首次發現記錄。
1895年，蘇格蘭化學家威廉·拉姆塞（William Ramsay）將含氧化鈾(UO2)的礦 石放入硫酸中時，產生了一種神秘的氣體。 但是由于他沒有更精密的儀器測定譜線在光譜中的位置，于是將這種氣體樣品送給了英國倫敦物理學家威廉·克魯克斯（William Crookes）做進一步的鑒定，威廉·克魯克斯通過更精確的光譜實驗后，證實了這種氣體就是氦，并證實了氦元素也是一種稀有氣體。這也是首次在地球上分離出氦。
十九世紀、二十世紀之交，低溫研究在整個科壇中影響很大。1908年7月13日晚，荷蘭物理學家卡美林·奧涅斯（Heike Kamerlingh Onnes）和他的助手們第一次得到了320cm3的液態氦，并且達到了4.3K的低溫。直到1934年，在英國歐內斯特·盧瑟福那里學習的前蘇聯科學家卡比查發明了新型的液氦機。上世紀70年代初，美國康奈爾大學教授戴維·李和羅伯特·理查森，斯坦福大學教授道格拉斯·奧謝羅夫發現在0.002K的溫度時3He能變成超流體，這與30年代發現的氦的另一同位素4He有很大區別。這三人于1996年被授予了諾貝爾物理學獎，以表彰他們發現了的同位素3He的超流體現象。
2017年2月6日，南開大學的王慧田、周向鋒團隊及其合作者在《Nature Chemistry》上發表了有關在高壓條件下合成氦鈉化合物，結束了氦元素無穩定化合物的歷史。
分布情況
氦元素在地球的含量并不多，但在宇宙是第二豐度的元素，僅次于氫。氦在整個宇宙按質量計算占23%。氦在地球的主要來源并不是空氣，而是來自于天然氣。氦在天然氣中的含量是在空氣中含量的1.5萬倍，但是這種高氦的天然氣礦藏并不多，因為天然氣中的氦氣是之類的放射性元素衰變的產物，一般認為天然氣中氦含量達到0.1%即可以被工業利用，一般只有在天然氣礦附近有鈾礦時，氦氣才能在天然氣中匯集。
同位素
氦共有8種同位素的同位素，5He~10He為壽命很短的人造放射性同位素，在自然界中最穩定的是3He和4He。3He在地球上集中于地球內部，是地球形成時從宇宙星云中吸聚的氦，稱為原始氦、捕獲氦或地慢氦；3He在宇宙中是宇宙射線轟擊大氣圈中的氮產3H，由3H轉化來的3He稱為宇宙成因氦。4He是由U和Th等元素放射性元素衰變而得到的。
由于在地球的各個端元中氦同位素之間的比值（3He/4He）具有不同的特征值，彼此間3He/4He比值相差較大，所以氦的同位素比值可以成為判斷流體來源較直觀的地球化學證據。研究表明氦同位素比值在各個地質端元中相對穩定，大氣中的3He/4He比值為1.4x10-6，地幔中的3He/4He比值為n×10-6，地殼中的3He/4He比值n×10-8。
理化性質
物理性質
氦氣（He）為元素周期表0族元素中的稀有氣體，原子序數為2，原子量4.00260，原子半徑為140pm。在自然界中穩定存在的同位素為3He和4He。氦氣為無色氣體，是所有氣體中最難液化的氣體，其臨界溫度267.9℃，臨界壓力約0.225MPa。氦氣的密度為0.0001785g/cm3，熔點為-272.2℃（0.95K），沸點為-268.93℃（4.22K），沸點時的蒸發熱為1kJ/kg，熔點時的溶解熱熱為5.72kJ/kg、15℃定壓比熱容為1.25kJ/千克℃。
液態氦在溫度下降至2.18K時，性質發生突變，成為一種超流體，能沒有粘滯力地流動，熱導率變得非常高，約為銅的800倍；其比熱容、表面張力和壓縮性都變得反常。因此在元素單質中，氦不僅是溫度最低的流體，也基本不參與其他元素的化學反應。
氦具有異常的穿透力，能迅速地穿透某些有機聚合物、陶瓷、石英玻璃和硼硅玻璃這些材料制的薄板。氦穿透磷硅玻璃漫射比穿過軟玻璃快99倍。氦能穿過多種金屬，但不能穿透鐵和鉑族金屬。從天然氣回收氦的方法之一就是根據選擇穿透性原理。
化學性質
氦屬于最輕的惰性元素。在高壓下，氦能與其他物質形成衍生物，如富勒烯；在極度的壓力之下，氦可以與其他元素形成化合物，如氦鈉化合物（Na2He）。
結構
氦原子核外只有一個軌道，并且被兩個電子完全占據，沒有額外的電子可以參與成鍵。
氦原子的光譜比較復雜，但有著與堿金屬原子類似的光譜線系，其光譜都可以歸類到S、P、D等光譜線系。對光譜進行分析，發現每一個線系都有兩套，就是有兩套S線系、兩套P線系、兩套D線系等，其中的一套是單重的，而另一套是三重的。
氦有兩套不同的能級。一套是單層的，另一套是三層的。正是由于這個原因，起初認為有兩種氦：正氦和仲氦。正氦具有三重態能級，而仲氦具有單重態能級。在這兩套能級內部的躍遷產生了兩套相互獨立的光譜。而且，這兩套能級之間沒有輻射躍遷。
除了能量最低的、比較穩定的基態和能量較高的、不穩定的激發態之外，氦原子中存在幾個亞穩態，所謂亞穩態是指這樣一些激發態，原子可以在這樣的狀態存在較長的時間，不容易很快退激發而躍遷到基態。氦原子的21S0、23S1等都是亞穩態，實驗測得21S0的壽命為19.5ms。
氦原子的基態11S0與第一激發態23S1之間的能量差很大，達到了19.77eV；電離電勢也是所有元素中最大的，達到了25.48eV。
單重態中最低的能級是基態11S0，主量子數n=1；而三重態中，沒有主量子數n=1的能級，最低能級23S1的主量子數n=2。
屬于三重漫線系的D3線，所對應的輻射躍遷為：
587.5963nm 33D1→23P0 相對強度1
587.5643 nm 33D1，2→23P1 相對強度3
587.5601nm 33D1，2，3→23P2 相對強度5
實際上，33D1，2，3態中三個能級的間隔很小，實驗上不容易測出，上述躍遷的結果是依據光譜線的強度合躍遷的選擇定則進行分析而得到的。
制備方法
天然氣分離法
天然氣是最重要的氦資源，工業上生產的氦氣基本上是從天然氣中提取的，主要以含有氦的天然氣為原料，反復進行液化分餾，然后利用活性炭進行吸附提純，最后得到純氦。其提氦技術一般需經過三個工藝步驟：
①含氦天然氣的預凈化。
②粗氦的制取。
③氦的精制。
合成氨法
以含氦的天然氣為原料的合成氨裝置中，合成循環氣中逐步得到濃縮，在其弛放氣中氦的含量是天然氣中十倍左右，其提氦包括三個步驟：
①弛放氣凈化：主要是指脫除其所含的氨和水分。
②粗氦的提?。褐饕怯?a href="/hebeideji/7158714377398468615.html">化學燃燒法、凍結法、甲烷洗滌吸收法和變壓吸附法等脫除大部分所含的氫、氮、氬和甲烷等雜質，獲得濃度50%以上的粗氦氣體。
③粗氦的精制：在工業上一般采用直接加氧燃燒法、純氦稀釋后加氧催化法除氫和低溫吸附法除氫等方法獲得90%以上氦氣；再通過加壓、冷卻至77K以下脫除其中大部分雜質氣體，然后在低溫下用活性炭吸附脫除微量氖等雜質，獲得99.99%以上的純氦。
空氣法
由于空氣中約含有5.24×10-6的氦氣，可以通過大型深冷空分裝置分離氧、氮和等后得到副產物純氦。主要包括以下三個步驟：
①粗氦混合氣的提取。
②純氖氦混合氣的制備。
③氖氦分離制備純氦。
其中，氖氦分離是以液氖為冷源、2.5MPa壓力和接近氖沸點的溫度下，使氖氦混合氣中大部分氖冷凝下來，然后在低于77K溫度下，用活性炭去除殘余的氖而獲得純氦。
鈾礦石法
將含氦的鈾礦石經過焙燒，分離出氣體，再經過化學方法，除去蒸汽、氫氣和二氧化碳等雜質提純出氦。
應用領域
氦氣
用作提升氣
氦氣的相對密度較空氣小，在標準狀態下1m3氦氣的浮力為1.1kg，是氫氣浮力的93%，氦又是惰性氣體，因此是比氫氣更為可靠的提升氣，用于充氣球和飛艇。
合成呼吸氣
由于氦在血液和細胞組織中溶解度很小，氧氣和氦氣可以以1:4的比例混合成呼吸氣，代替空氣供深水潛水員呼吸用，還可以縮短潛水后減壓時間。氦氣滲透性很強，可以較快的滲透肺部。
壓送和吹掃氣
由于氦氣的化學惰性和沸點低，在航天發射中用作燃燒系統吹掃氣和各種燃料及氧化劑（如氫氣、液氧）等壓送。還可以給火箭助推器和宇宙飛船上氣動機構加壓，給高空飛行器某些電子部件加壓。
焊接和保護氣
與通常氬弧焊相比較，氦弧或氦－氬弧焊具有熔深大、速度快、焊縫中氣孔少、熱影響區過熱現象輕、焊接部位低溫塑性好等優點，已廣泛用于不銹鋼、銅、鎂、鋯、鈦等金屬或合金的焊接。氦氣還可用作半導體、光導纖維等生產過程的保護氣。
傳熱介質
由于氦不與原子反應堆的燃料和其他物質起化學反應，故氦氣可用作原子反應堆冷卻和熱交換的傳熱介質。
光學儀器填充氣
由于氦氣的性質與理想氣體十分接近，折射率又小，因此可用作光學儀器的填充氣，使光學儀器獲得很高靈敏度。
人造空氣
將氦氣和氧氣按一定比例混合，便制成了特殊的空氣——“人造空氣”，并把這種空氣裝入鋼瓶中，可以供潛水員潛入深海作業呼吸時使用，以避免“潛水病”。其次，“人造空氣”使用氦氣代替了氮氣，其密度大幅度減小，僅有普通空氣密度的1/3，因此呼吸“人造空氣”比呼吸普通空氣要輕松得多，可以減輕潛水員的呼吸困難。
氣體激光器
在醫療上，通過氦氖激光治療，可以幫助機體清除炎癥，并且擴張局部血管，達到止痛的效果，如治療皮膚病、風濕性關節炎、肺炎、激光手術等。同時氦氖激光器在工農業生產、科研和教學等方面的應用也很廣泛，尤其在流體的流速流量測量、精密計量、全息攝影和準直導向等方面表現著主要作用。
泄露檢測
氦氣可以用于泄露檢測，它被用作示蹤氣體來檢測高真空設備和高壓容器中的是否有泄漏。采用氦氣為示蹤氣體的氦質頻儀，借助質譜的分析方法，通過測定真空系統中氦氣壓強的變化來檢查封裝結構的細微漏孔。測試時首先向封裝焊好的器件內壓入氦氣，然后在真空狀態下抽出氦氣，測定所抽出氦氣的量來判斷氣密性。
液氦
超導冷卻
液氦在超導冷卻方面廣泛應用于核磁共振設備、超導量子干涉器、粒子加速器、磁浮列車、電能的存儲等，其中的最大消費群體是醫院的核磁共振設備。缺乏氦氣最嚴重的后果，是嚴重阻礙低溫技術的應用，其中受到最大影響的就是低溫超導技術。現在已知所有的超導體都要在-130℃以下的低溫中才能表現出超導特性，其中應用最廣泛的幾種（如Nb3Sn）更是需要比液氫的沸點還低的轉變溫度，這時候只有液氦能比較簡便地實現這樣的極低溫。醫院的核磁共振成像儀的核心大都是超導磁體，只有在液氦的低溫下才能穩定運行，產生穩定的磁場，保證高分辨率的成像。
超低溫冷卻
液氦在超低溫冷卻方面廣泛應用于核反應堆的冷卻介質和清洗劑，第一代氣冷裂變反應堆利用僅400℃左右的制冷劑溫度，采用價廉的二氧化碳作為冷媒氣體。為了改善熱效率，第二代反應堆設計采用高達790℃的氣體冷媒溫度。在此溫度下，只有氦（4He）具有必需的化學穩定性、惰性、高傳熱速率、低動力學壓力損失和低中子有效截面，因此，只能用氦作為冷媒氣體。
同位素
3He可以作為非常理想的聚變反應材料。以D-3He為燃料的聚變反應堆可以產生潔凈和安全的聚變能，該反應的過程為：
安全事宜
安全標識
GHS分類
健康危害
氦本身無毒的，但它可以通過置換空氣中的氧氣而造成窒息危險。吸入純氦氣易出現疲倦無力、昏迷、惡心、煩躁不安、嘔吐、抽搐，以致死亡，所以在大量使用氣態氦或液氦時，應在通風良好的地方進行，以避免形成缺氧空氣。
氦氣傳播聲音的速度差不多為空氣的三倍，這會改變人的聲帶的共振態，于是使得吸入氦氣的人說話的聲音的頻率變高，使得聲音發生變化。
貯存與運輸
氦可以用氣態和液態方式貯存，氣瓶應貯存于陰涼、通風的倉庫內，溫度不宜超過30℃，遠離火種和熱源，避免陽光直射，應與易燃易爆、可燃物分開存放。既可用管道輸送也可用運輸式罐裝容器直接輸送，其罐裝容器為1L~30000L。液氦在工業上使用液氦運輸貯槽或固定貯罐來運輸和長期貯存，其容積一般100L~500L。
參考資料 >
Periodic Table of Elements.PubChem.2023-01-03
Helium.PubChem.2023-01-03
元素課堂|氦：宇宙中最高冷的元素.微信公眾平臺.2023-05-03
Helium | He (Element) - PubChem.PubChem.2023-01-26
中國學者發現穩定氦鈉化合物，惰性氣體氦He成功脫單!.微信公眾平臺.2023-05-03
科普 | 稀有氣體的應用.微信公眾平臺.2023-05-03
Helium | He - PubChem.PubChem.2023-02-05
搞笑諾獎:在充滿氦氣的房間里來上一段B-BOX會怎樣?.中國科普博覽.2023-05-03