氦（拼音：hài，注音：ㄏㄞˋ，粤拼：hoi6；英语：Helium；源于希腊语：ἥλιος，转写为helios，直译为太阳；旧译氜）是一种化学元素，其化学符号为He，原子序数为2，原子量为4.002602 u。是一种无色、无臭、无味、无毒的惰性单原子气体。它也是稀有气体族的第一个元素。[a]熔点和沸点为所有元素中最低的。继氢原子之后，氦是可观宇宙中第二轻且含量第二高的元素，在全宇宙的元素质量中大约占了24%，超过其它原子总和的12倍。它的总含量和太阳或木星内的比例十分相似。这是因为和接下来三个元素比较起来，氦-4有非常高的核结合能（每个核子中）。而它的高结合能也能解释为何它是核聚变与核衰变的产物。氦-4是宇宙中氦最主要的同位素，最广泛的来源形成于大爆炸时期。而新的氦形成于恒星内部的核聚变反应。
氦是以希腊神话中泰坦族的太阳神-赫利奥斯命名。氦的首次发现是由乔治斯·雷页特[10]、C. T. 海格上尉[11]、诺曼·R·波格森[12]和约翰·赫歇尔中尉[12]在1868年的日全食观测到一条未知的黄色光谱，后来被法国的天文学家侏尔斯·詹森[13]证实有这条光谱，同时约瑟夫·诺曼·洛克耶也独力在英国发现一样的结果。人们认为发现氦是侏尔斯·詹森和约瑟夫·诺曼·洛克耶的功劳。而洛克耶也是第一个提出这条光谱是来自一种新的元素，并命名此元素。而正式的发现则是在1895年由瑞典的两位化学家皮·特奥多尔·克利夫和尼尔斯·朗勒特从沥青铀矿中分离出氦。在1903年，在美国发现大存量的天然氦气井，直到现在依旧为氦气的最大供应商。
首个证明氦存在的证据是太阳色球的发射光谱中的一条亮黄色谱线。1868年8月18日，法国天文学家皮埃尔·让森在印度的贡土尔观测日全食时，发现了这条波长为587.49 nm的谱线。[21][22]起初人们推测这条谱线来自钠。同年10月20日，英国天文学家约瑟夫·诺曼·洛克耶在太阳光谱中发现了一条黄线。由于这条谱线的波长和夫朗和斐谱线中钠产生的D1线和D2的波长相似，洛克耶将其命名为D3线。[23]他还提出这条谱线来自太阳上的一种尚未在地球上发现的元素。洛克耶和英国化学爱德华·弗兰克兰（英文：Edward Frankland）以希腊语中的ἥλιος（helios，意为“太阳”）一词，将这一元素命名为Helium.[24][25][26]
1895年3月26日，苏格兰化学家威廉·拉姆齐爵士将钇铀矿（一种沥青铀矿，其质量的10%为稀土元素）用酸处理，首次在地球上分离出氦。拉姆齐当时在寻找氩，他用硫酸处理矿物，分离释放出的气体中的氮和氧。在剩下的气体中，他发现了一条和太阳光谱中的D3线吻合的黄色谱线。[23][28][29][30]洛克耶和英国物理学家威廉·克鲁克斯鉴定了这一气体样品，证明了它是氦气，且氦非金属元素。同一年，两位化学家皮·特奥多尔·克利夫和尼尔斯·朗勒特在瑞典乌普萨拉独立从钇铀矿中分离出氦；他们收集的氦足以测定这一元素的原子量。[22][31][32]在拉姆齐分离氦之前，美国地质化学家威廉·弗朗西斯·希尔布兰德同样注意到一份沥青铀矿样品中的一条不寻常的谱线，并从中分离出氦；但他认为这些谱线来自氮气。他致拉姆齐的贺信是科学史上“发现”和“邻近发现”的一个有趣例子。[33]
1907年，欧内斯特·卢瑟福与托马斯·罗伊兹让α粒子穿透玻璃壁进入真空管，向管中放电后观察管内气体的发射光谱，证明α粒子就是氦核。1908年，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯将氦冷却至不到1K的低温，从而首次制得液态氦。[34]他还试着将氦固化，但是氦没有固、液、气三相平衡的三相点，因此他的尝试没有成功。1926年，昂内斯的学生威廉·亨德里克·科索姆在低温下向氦加压，制得了1 cm3的固态氦。[35]
1938年，苏联物理学家彼得·列昂尼多维奇·卡皮察发现氦-4在接近绝对零度时几乎没有粘度，从而发现了今天所说的超流体。[36]这一现象和玻色-爱因斯坦凝聚有关。1972年，美国物理学家道格拉斯·奥谢罗夫、戴维·李、以及罗伯特·科尔曼·理查森发现氦-3也有超流体现象，但所需的温度比氦-4低得多。氦-3的超流体现象被认为和氦-3费米子配对形成玻色子有关，这种配对和超导体中电子形成的库珀对类似。[37]
1903年，在德克斯特镇区 （英文：Dexter, Kansas）的一场钻油作业中，产生了一种不会燃烧的气体间歇泉。堪萨斯州的地质学家伊拉斯谟斯·哈沃斯收集了这些溢出气体的样本，并带回劳伦斯郡的堪萨斯大学，在化学家汉密尔顿·卡迪和戴夫·麦可法兰德的协助下，发现这种气体是由72%氮、15%甲烷、1%氢、12%的不明气体所组成。[22][38]进一步的分析后，汉密尔顿·卡迪和戴夫·麦可法兰德发现样本中1.84%是氦。[39][39]这显示了氦气虽然在地球上很罕见，但大量集中在北美大平原地区，可视作天然气的副产品并从中萃取。[40]
这项发现也使美国成为全世界氦气的主要供应者。在理查德·特雷尔福尔理查德·特雷尔福尔爵士的建议下，第一次世界大战中，美国海军赞助了三座小型的氦气实验工厂。工厂的目标是提供比空气轻的不可燃气体供防空气球使用。在这个计划中，尽管先前已经获得了不到一立方米的天然气，但该计划共生产了5,700立方米（200,000立方英尺）的92％氦气。[23]某些部分也运用在全球首艘氦气飞船──美国海军的C-7飞船，在1921年12月1日[41]从维吉尼亚的汉普顿锚地首航至华盛顿哥伦比亚特区的博林地区。比起美国海军飞机工厂制造，在1923年9月启航的第一艘硬式氦气飞艇─雪南多亚号─将近提早了两年。
虽然萃取过程中运用的低温气体液化技术，在第一次世界大战时期间没有及时发展，但生产依然继续进行。氦气主要用于航空器中轻于空气的举升气体。在第二次世界大战中，因为举升气体与氦气屏蔽电弧焊接的用途，氦气的需求逐渐增加，而氦质谱仪在制作原子弹的曼哈顿计划中也非常重要。[42]
1925年，为了供应战争时期军事飞艇、和平时期商业飞艇，美国政府在德克萨斯州的阿马里洛启用了国家氦储备。[23]1925年的氦气法修正案，禁止出口氦气，使美国得以独占氦气生产，随着使用氦气的巨额花费，兴登堡飞船，如同所有的齐柏林飞船，被迫使用氢气当作举升气体。氦气市场在第第二次世界大战之后开始消沉，但为了确保液态氦的供应，储备在1950年代开始扩大，在太空竞赛与冷战当作制作氢氧火箭推进剂（及其他用途）的冷却液。在1965年在美国使用的氦气是战时高峰消耗量的八倍多。[38]
在1960年的氦气法修正案（美国公法86–777）通过后，美国矿业局安排了五间私人工厂从天然气当中提取氦气。因应氦气保存计划，当局在堪萨斯州的布什顿建造了425英里（684公里）的管线，将这些工厂与德克萨斯州阿马里洛附近政府部分耗尽的克利夫塞天然气田连接起来。这些氦-氮混合物被注入并储存在克利夫塞天然气田，直到需要时再进一步的纯化。[43]
到了1995年，收集与保存10亿立方米的气体花费了14亿美元的债务，促使美国国会在1996年淘汰储备。[22][44]1996年的氦气法修正案[45]（美国公法104–273）便针对美国内政部，要求清空储备，并于2005年开始销售。[46]
多年以来，美国生产全球超过90%商业用氦气，其余的是由在加拿大、波兰、俄罗斯和其他国家的萃取工厂制造。在1990年代中期，位于阿尔及利亚阿尔泽的新工厂开始作业后，制造了1700万立方米（6亿立方英尺），足够供应全欧洲的需求。同时，截至2000年，美国国内的氦气消耗量每年已成长超过1500万公斤。[48]在2004至2006年间，在拉斯拉凡、卡塔、阿尔及利亚的斯基克达建立了更多的工厂。阿尔及利亚迅速成为氦气制造的第二大国。[49]透过这次扩建，氦气的消耗量与生产成本都向上提升。[50]从2002到2007年，氦气的价格翻了一倍。[51]
截至2012年，美国国家氦储备占了全球30%的氦气[52]，预估在2018年消耗殆尽。[52]尽管如此，美国参议院所提议的法案仍允许继续贩售。其他大型储备位于美国堪萨斯州的休哥顿和附近的天然气田，以及德克萨斯州和奥克拉荷马州的突出部。新的工厂预估在2012年于卡塔、俄罗斯和美国的怀俄明州，但他们不被预期能缓解短缺。[52]
在2013年，卡达启用了全球最大的氦气工厂[53]，虽然2017年卡达外交危机严重影响当地的氦气生产。[54]2014年被广泛认定为氦气贸易供过于求的一年，但随后几年却是明显的短缺。[55]那斯达克报导（2015年）三福气体股份有限公司（Air Products）—— 一家销售工业用气体的国际公司─由于原料供应的限制，氦气量仍然处于经济压力之下。[56]
名称由来
氦气在所有气体中最难液化，沸点仅为4.22K，这源于氦极低的极性。同时，氦是唯一不能在标准大气压下固化的物质，也没有固-液-气三相点。基于类似的原因，氦在水中的溶解度也极小，20°C时每升水中仅能溶解8.61毫升。
液氦在温度降至2.178 K（−271 ℃）时，性质会发生突变，粘度极小，能形成只有几个原子厚度的薄膜，发生无粘度流动，成为一种超流体，称为氦(II)，正常的液氦称作氦(I)。这种氦(II)的表面张力很小，能沿容器壁向上流动，直到两边液面等高。此时的氦热传导性为铜的800倍，成为导热性能极佳的热导体。其比热容、压缩性等都是反常的。液氦的另一重要性质是能穿透许多常见材料，如PVC、橡胶与大部分玻璃，所以玻璃杜瓦瓶无法用于液氦的操作[58]。
同位素
它还可以用作人造大气层和镭射媒体的组成部分。
地层氦的发现者威廉·拉姆齐爵士
一艘内里注满氦的飞船
充满氦气，形似氦化学符号（He）的充气放电管
对声音的影响
因为氦气传播声音的速度差不多为空气的三倍，这会改变人的声带的共振态，于是使得吸入氦气的人说话的声音的频率变高。这个有趣的现象使得吸入氦气的人说话尖声细气，就好像旧时代的卡通人物一样[61]，与吸入六氟化硫后声音变粗正好相反。这种现象经常被错误地解释为音速的提高直接导致声音频率的增加，或者氦气使得声带振动变快。
危害
如果大量吸入氦气，会造成体内氧气被氦取代，因而发生缺氧。[22][62]这样死亡的人数包括2003年在温哥华窒息的一名青年和2006年在南佛罗里达州窒息的两名成年人。[63][64]1998年，来自维多利亚的一名澳大利亚女孩在吸入派对气球的全部氦气后失去知觉并脸色发蓝。[65][66][67]另外，如果是由高压气瓶中直接吸入氦气，那么高流速且高压的氦气会导致气压伤，严重破坏肺部组织。[62][68]
在美国，2000年至2004年间仅报告了两起氦气死亡事件，其中一名男子于2002年在北卡罗来纳州因气压伤死亡。[63][68]2003年，在温哥华有一名青年窒息，而在2000年有一名27岁的澳大利亚男子在吸入氦气瓶的氦气后发生栓塞。[63]2006年，有两名成年人在南佛罗里达窒息。[63][64][69]在2009年和2010年也有案例，一名加利福尼亚青年被发现头上套着一个挂在一个氦气罐上的袋子，[70]而在北爱尔兰的另一名青少年死于氦气导致的窒息。[71]在俄勒冈州鹰角，一名少女于2012年在一次聚会上死于气压伤。[72][73][74]同年，密歇根州的一名女孩因缺氧而死亡。 [75]
据爆料，2015年1月28日日本少女偶像团体3B junior的一名成员在参加BS朝日的综艺节目录影时，因玩变声游戏吸入氦气后失去意识陷入昏迷被送医治疗，[76][77]该事件直到一星期后的2月4日才被公开。[78][79]朝日电视台的工作人员紧急召开记者会，表示该成员已被送往医院，目前出现眼部和四肢活动等康复迹象，但意识尚未完全恢复。由于忽视安全措施，警方已展开调查。[80][81]同年4月21日台湾艺人杨又颖吸入过量氦气自杀身亡。[82]
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