研究历史

威廉·拉姆塞

1868年8月18日，法国天文学家让桑赴印度观察日全食，利用分光镜观察日珥，从黑色月盘背面突出的红色火焰，看见有彩色的彩条，是太阳喷射出来的炽热的光谱。他发现一条黄色谱线，接近钠光谱总的D1和D2线。日蚀后，他同样在太阳光谱中观察到这条黄线，称为D3线。1868年10月20日，英国天文学家洛克耶也发现了这样的一条黄线。[1]

经过进一步研究，认识到是一条不属于任何已知元素的新线，是因一种新的元素产生的，把这个新元素命名为helium，来自希腊文helios（太阳），元素符号定为He。这是第一个在地球以外，在宇宙中发现的元素。为了纪念这件事，当时铸造一块金质纪念牌，一面雕刻着驾着四匹马战车的传说中的太阳神阿波罗（Apollo）像，另一面雕刻着詹森和洛克耶的头像，下面写着：1868年8月18日太阳突出物分析。在詹逊从太阳光谱中发现氦时，英人J. N. Lockyer和E. F. Frankland认为这种物质在地球上还没有发现，因此定名为“氦”（法文为hélium，英文为helium），源自希腊语ήλιος，意为“太阳”。

过了20多年后，拉姆赛在研究钇铀矿时发现了一种神秘的气体。由于他研究了这种气体的光谱，发现可能是詹森和洛克耶发现的那条黄线D3线。但由于他没有仪器测定谱线在光谱中的位置，他只有求助于当时最优秀的光谱学家之一的伦敦物理学家克鲁克斯。克鲁克斯证明了，这种气体就是氦。这样氦在地球上也被发现了。

在二十世纪初的几十年里，世界各国都在寻找氦气资源，在当时主要是为了充飞艇。但是到了二十一世纪，氦不仅用在飞行上，尖端科学研究，现代化工业技术，都离不开氦，而且用的常常是液态的氦，而不是气态的氦。液态氦把人们引到一个新的领域——低温世界。

英国物理学家杜瓦（Dewar）在1898年首先得到了液态氢。就在同一年，荷兰的物理学家卡美林·奥涅斯也得到了液态氢。液态氢的沸点是零下253℃，在这样低的温度下，其他各种气体不仅变成液体，而且都变成了固体。只有氦是最后一个不肯变成液体的气体。包括杜瓦和卡美林·奥涅斯在内的科学家们和决心把氦气也变成液体。

1908年7月13日晚，荷兰物理学家卡美林·奥涅斯（Heike Kamerlingh Onnes昂纳斯）和他的助手们在著名的莱顿实验室取得成功，氦气变成了液体。他第一次得到了320立方厘米的液态氦。

要得到液态氦，必须先把氦气压缩并且冷却到液态空气的温度，然后让它膨胀，使温度进一步下降，氦气就变成了液体。液态氦是一种与众不同的液体，其沸点为零下269℃。在这样低的温度下，氢也变成了固体，与空气接触时，空气会立刻在液态氦的表面上冻结成一层坚硬的盖子。

1934年，在英国卢瑟福那里学习的前苏联科学家卡比查发明了新型的液氦机，每小时可以制造4升液态氦。以后，液态氦才在各国的实验室中得到广泛的研究和应用。

含量分布

氦存在于整个宇宙中，按质量计占23%，仅次于氢。但在自然界中主要存在于天然气体或放射性矿石中。在地球的大气层中，氦的浓度十分低，只有5.2万分之一。在地球上的放射性矿物中所含有的氦是α衰变的产物。氦在某些天然气中含有在经济上值得提取的量，最高可以含有7%，在美国的天然气中氦大约有1%，在地表的空气中每立方米含有4.6立方厘米的氦，大约占整个体积的0.0005%，密度只有空气的7.2分之一，是除了氢以外密度最小的气体。

地球上的氦主要是放射性元素衰变的产物，α粒子就是氦的原子核。在工业中可由含氦达7%的天然气中提取。也可由液态空气中用分馏法从氦氖混合气体中制得。

物理性质

基本信息

氦的原子光谱

元素符号He，原子序数2，原子量4.002602（氦-4），为稀有气体的一种。元素名来源于希腊文，原意是“太阳”。

通电发光后的氦气

氦有两种天然同位素：氦-3、氦-4，自然界中存在的氦基本上是氦-4。相对原子质量为4.003。1868年有人利用分光镜观察太阳表面，发现一条新的黄色谱线，并认为是属于太阳上的某个未知元素，故名氦。氦在空气中的含量为0.0005%。

氦在通常情况下为无色、无味的气体；熔点-272.2℃（25个大气压），沸点-268.9℃；密度0.1785g/L，临界温度-267.8℃，临界压力2.26大气压；水中溶解度8.61厘米³/千克水。

氦是惰性元素之一，分子式为He，是一种稀有气体，无色、无臭、无味。它在水中的溶解度是已知气体中最小的，也是除氢气以外密度最小的气体。密度0.17847g/L，熔点-272.2℃（25个大气压）。沸点-268.9℃。它是最难液化的一种气体，其临界温度为-267.9℃。临界压力为2.25大气压。当液化后温度降到-270.98℃以下时，具有表面张力很小，导热性很强，几乎不呈现任何粘滞性。液体氦可以用来得到接近绝对零度（-273.15℃）的低温。化学性质十分不活泼，既不能燃烧，也不能助燃。氦也是最难液化的气体。

氦在通常情况下为无色、无味的气体。是唯一不能在标准大气压下固化的物质。液态氦在温度下降至2.18K时，性质发生突变，成为一种超流体，能沿容器壁向上流动，热传导性为铜的800倍，并变成超导体；其比热容、表面张力、压缩性都是反常的。

由于液氦的超低温，在此温度下出现了许多奇妙的物理现象。许多重要的物理实验，都要在低温下进行。世界各国的物理学家都在研究液态氦，希望通过液态氦达到更低的温度，研究各种物质在低温下会发生什么变化，会有什么我们还不知道的性质。这就产生了物理学的一个新的分支——低温物理学。

氦-4

下表为液氦（氦4）的一些基本物理性质（某些参数测定时的状态不详）：

氦-3

氦-3是自然界中氦的稳定同位素，原子量为3.016，原子核由2个质子和一个中子组成。通常情况下，氦-3为无色、无味、无毒、不燃烧的惰性气体。

下表为液氦（氦3）的一些基本物理性质：

超流动性

卡美林·奥涅斯是第一个得到液氦的科学家。他又将温度进一步降低，试图得到固态氦，却并没有成功（固态氦是1926年基索姆用降低温度和增大压力的方法首先得到的）。

对于一般液体来说，随着温度降低，密度会逐渐增加。卡美林·奥涅斯使液态氦的温度下降，液氦的密度增大了。但是，当温度下降到零下271℃的时候，液态氦突然停止起泡，同时密度也突然减小了。

这是另一种液态氦。卡美林·奥涅斯把前一种冒泡的液态氦叫做氦Ⅰ，而把后一种静止的液态氦叫做氦Ⅱ。

把一个小玻璃杯按在氦Ⅱ中。玻璃杯由空的渐渐装满了。把这个盛着液态氦的小玻璃杯提出来，挂在半空时，玻璃杯底下出现了液氦，不一会，杯中的液态氦就“漏”光了。

氦Ⅱ能够倒流，它会沿着玻璃杯的壁向高处倒流。此现象只能在低温状态下才会发生，名为“超流动性”，具有“超流动性”的氦Ⅱ叫做超流体。

后来，许多科学家研究了这种怪现象，又有了许多新的发现。比如1938年阿兰等人发现的氦刀喷泉。在一根玻璃管里，装着很细的金刚砂，上端接出来一根细的喷嘴。将这玻璃管浸到氦Ⅱ中，用光照玻璃管粗的下部，细喷嘴就会喷出氦Ⅱ的喷泉，光越强喷得越高，可以高达数厘米。

氦Ⅱ喷泉也是超流体的特殊性质。在这个实验中，光能直接变成了机械能。

超导现象

在液氦的温度下，在一个铅环上放置一个铅球。铅球会好像失重而飘浮在环上，与环保持一定距离。在同样的温度下，用细链子系着磁铁，慢慢放到一个金属盘子里去。当磁铁快要碰到盘子的时候，可以观察到，链子松了，磁铁浮在盘子上，若此时轻轻拍打磁铁，它会自行旋转。这种现象只能在低温观察到，高温下不会产生。

这是低温下的超导现象。有些金属在液态氦的温度下，原子核的运动几乎停止，对电子的阻碍变得极小，因此电阻会消失，成为超导体；由于磁力线不可能穿过超导体，于是在超导体与磁体中间形成了较大的磁场，磁场的斥力托住了铅球和磁铁，使它们浮在半空中。这就是迈斯纳效应（Meissner Effect），这一效应可以被利用来制造磁悬浮列车。

化学性质

氦是所有元素中最不活泼的元素，极难形成化合物，这是因为氦的原子核到电子层距离很小，并且达到了稳定结构。它的性质便决定了用途，氦的应用主要是作为保护气体、气冷式核反应堆的工作流体和超低温冷冻剂等等。

2017年2月6日，中国南开大学的王慧田、周向锋团队及其合作者在《Nature Chemistry》上发表了有关在高压条件下合成氦钠化合物——Na2He的论文，结束了氦元素无化合物的历史，标志着我国在稀有气体化学领域走到了最前沿。

氟化物制取猜想

Pimental等根据HeF₂的电子排布同稳定的HF₂⁻相似，提出了利用核转变制备HeF2的三种方法。

1.氚的β衰变法

氚经过β衰变后应变成氦。这样，氚的化合物经β衰变后，就有可能成为氦化合物。为了便于进行反应，首先通过氘和氢的同位素交还，将氘固定在KHF₂的固体晶格中。俘集在晶格中的TF₂⁻发生核反应后，便会生成HeF₂。

TF2⁻ → HeF2 +β⁻

氘在衰变过程中的反冲能量，不致使新生成的二氟化氦断链。氘衰变的半衰期为12.25年，估计¹⁰Ci的氚，经4～5个月，仅能生成10μmol的HeF2。

2.热中子辐照法

用热中子辐照LiF来产生核反应：

Li（n,α）反应后，生成的氦核同母体晶格中的F-相结合而生成HeF2。

3.直接用α粒子轰击固态氟来制备HeF₂

由此看来，这三种方法中，以第一种方法制成HeF₂的可能性最大，但至今还没有见到已制成的报告。Malm等认为HeF₂和HF₂⁻的电子排布虽然相似，但HF₂⁻是H⁻同两个F原子相作用而生成化合物，H⁻的电离势仅为0.7eV，而氦的电离势高达25eV，因此对HeF₂是否存在是值得怀疑的。

离子化合物

亚晶格分析

氦合氢离子，化学式为HeH⁺，是一个带正电的离子。它首次发现于1925年，通过质子和氦原子在气相中反应制得。它是已知最强的酸，质子亲和能为177.8 kJ/mol。这种离子也被称为氦氢分子离子。有人认为，这种物质可以存在于自然星际物质中。这是最简单的异核离子，可以与同核的氢分子离子H2相比较。与H2不同的是，它有一个永久的键偶极矩，使它更容易表现出光谱特征。

HeH+不能在凝聚相中制备，因为这会使它与任何阴离子、分子、原子发生作用。但是，可以用盖斯定律预测它在水溶液中的酸性。

电离过程-360 kJ/mol的自由能变化相当于pKa为-63。

HeH中共价键的长度是0.772Å。

其他氦氢离子已经知道或者在理论上研究。HeH₂，已经被微波光谱观测到，科学家计算出它的亲和能为6 kcal/mol，而HeH3为0.1 kcal/mol。

中性分子

不同于氦合氢离子，氢和氦构成的中性分子在一般情况下是很不稳定的。但是，它作为一个准分子在激发态是稳定的，于20世纪80年代中期首次在光谱中观测到。

pKa：－63（推测），比氟锑酸强得多。

即便如此，这些离子或分子仅出现于“瞬间”，或者仅通过计算得出，故它们尚且难以认为是存在的“化合物”。

氦钠化合物

2017年2月6日，中国南开大学的王慧田、周向锋团队及其合作者在《Nature Chemistry》上发表了有关在高压条件下合成氦钠化合物——Na2He的论文，结束了氦元素无化合物的历史，标志着我国在稀有气体化学领域走到了最前沿。

此前，研究人员已经找到其他元素与氦进行配对的方法。但一直以来，都没有形成什么能够稳定存在的物质。最常见的例子就是氦与其他元素的范德华力，无需共价键或者离子键就可以存在。在极低的温度下，氦确实可以形成范德华力，但极其微弱，无法长久保持。

氦元素坚固的稳定力源于其闭壳层电子组态：其外壳层是完满的状态，没有空间和其他原子通过共用电子进行结合。不过这是地球表面环境中的情况。

作为宇宙中第二丰富的元素，氦在恒星和巨型气体行星的构成中起着重要作用。在外太空或者地球深处的极端条件下，它可能遵循着不同寻常的规律。如今，研究人员刚刚验证这种奇异的现象。

犹他州立大学的文章共同作者Alex Boldyrev说：“极高的压力，比如在地球的核心或者其他巨型星体中，能够完全改变氦的化学特性。”

研究人员通过“晶体结构预测”模型进行演算发现，在极度的压力之下，一种稳定的氦钠化合物能够形成。然后他们在金刚石压腔实验中真的创造出了前所未见的化合物：Na2He。实验可以为氦和钠原子提供相当于110万倍地球大气压的条件。 

这一结果太出人意料，因此发表的时候遇到了巨大的困难，研究人员花了两年多的时间去说服审稿人和编辑。

基于这些结果，研究团队预测，如果压力达到他们实验水平的一千万倍，那么钠将可以很容易地和氦气反应生成稳定的Na2He。更为奇妙的是，这种化合物的构成并不需要任何化学键。

南开大学王慧田教授是本次研究的共同通讯作者，据他介绍：“所发现的化合物非常奇特：氦原子通常不会形成任何化学键，而新物质的存在从根本上改变了钠原子间的化学相互作用，迫使电子集中在该结构的立方空间内，同时具有绝缘能力。”

Na2He的晶体结构，由钠原子（紫色）和氦原子（绿色）交替，共用电子（红色）存在于其间的区域。

“这并不是真的化学键，”Popov说，“但是氦能够使这一结构稳定存在。如果你把氦原子挪走，该结构将无法保持稳定。”

下面是该化合物的其他表现形式，左图中粉色为钠，白色为氦；右图中钠和氦成立方体状，红色的点则是电子。

亚晶格分析表明，He的占位导致电子被局域到了原子缝隙中并在Na原子核的引力下形成多中心键，从而整个体系变成了电子盐体系。该过程中，孤立电子，Na的内层电子与He的内层1s电子和外层的2s，2p轨道产生强烈的交叠。受泡利不相容原理的影响，He的1s电子密度和外层电子轨道的分布被迫发生变化导致在Na2He形成过程中He得到了0.15个电子。该工作证实了高压下He会具有弱的化学活性能够与在高压下还原性显著增强的Na形成化合物。

虽然最近关于金属氢的突破研究遇到很大的质疑，但这篇文章的数据要扎实很多。来自伦敦帝国学院的物理学家Henry Rzepa在把这项研究和金属氢的发现对比时表示：“这是更为可靠的科学，氦化合物是一项重大突破。”

这一研究涉及中、美、俄、意、德五国学者。参与的中国研究单位还有北京高压科学研究中心、西北工业大学、中国科学院固态物理研究所和南京大学。特别值得一提的是，这一研究开始于南开大学研究生Xiao Dong在美国交换访问期间，根据作者贡献介绍，Xiao Dong设计了研究工作、并展开了相关计算。Xiao Dong已经在上海高压科学研究中心工作。

据了解，这一工作2013年就投稿Nature，但作者与评审人就Na2He成健性质无法达成一致，最后改投Nature Chemistry发表。当然，并不是所有人都被说服。爱丁堡大学Eugene Gregoryanz就认为XRD数据有待提高，最终还要看这一工作是否能被其他团队所重复。不过，具备条件的实验室全世界没有几家。

同位素

已知的氦同位素有八种，包括氦-3、氦-4、氦-5、氦-6、氦-8等，但只有氦-3和氦-4是稳定的，其余的均带有放射性。在自然界中，氦同位素中以氦-4占最多，多是从其他放射性物质的α衰变，放出氦-4原子核而来。而在地球上，氦-3的含量极少，它们均是由超重氢（氚）的β衰变所产生。

氦-2：它的原子核只有2个质子，只是假想粒子，但如果强核力增强2%，它就有可能存在。

氦-5：是氦的同位素之一，元素符号为He。它的原子核由二颗质子和三颗中子所组成。并带有放射性，会放出中子，其半衰期为0.6 MeV。

氦-6：原子核包含2个质子和4个中子，非常不稳定。

氦-7：原子核包含2个质子和5个中子，会衰变成氦-6，非常不稳定。

氦-8：原子核包含2个质子和6个中子，非常不稳定。

氦-9：原子核包含2个质子和7个中子，非常不稳定。

氦-10：原子核包含2个质子和8个中子，非常不稳定。

备注：画上#号的数据代表没有经过实验的证明，只是理论推测，而用括号括起来的代表数据不确定性。

用途

由于氦很轻，而且不易燃，因此它可用于填充飞艇、气球、温度计、电子管、潜水服等。也可用于原子反应堆和加速器、激光器、火箭、冶炼和焊接时的保护气体，还可用来填充灯泡和霓虹灯管，也用来制造泡沫塑料。

由于氦在血液中的溶解度很低，因此可以加到氧气中防止减压病，作为潜水员的呼吸用气体，或用于治疗气喘和窒息。

液体氦的温度（-268.93 ℃）接近绝对零度（-273℃），因此它在超导研究中用作超流体，制造超导材料。液态氦还常用做冷却剂和制冷剂。在医学中，用于氩氦刀以治疗癌症。它还可以用作人造大气层和镭射媒体的组成部分。 

危险性

引起窒息

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（呼吸反射是受体内过量二氧化碳驱动，而对缺氧并不敏感），严重的甚至会死亡。 另外，如果是由高压气瓶中直接吸入氦气，那么其高流速就会严重地破坏肺部组织。大量而高压的氦和氧会造成高压紧张症状High pressure nervous syndrome（HPNS），不过少量的氮就能够处理这个问题。而空气中百分之七十八都是氮气，所以不用担心。据介绍，大量及长时间吸入氦气可导致脑损伤甚至死亡。在大部分薯条类包装袋里也含有少量氦气，不过不必担心，没有危害。

安全事项-氦气瓶

1、压力通常有15MPa，使用时应用YQY-12或152IN-125等减压器减压后使用，使用前应用肥皂水检漏气体管道，确保气体管道不漏气。

2、确保氦气不泄露、工作场所保持通风。

3、包装的气瓶上均应记上生产日期、包括使用年限，凡到期的气瓶必须送往有部门进行安全检验，方能继续使用。

4、每瓶氦气在使用到尾气时，应保留瓶内余压在0.5MPa，最小不得低于0.25MPa余压，应将瓶阀关闭，以保证气体质量和使用安全。

5、瓶装氦气在运输储存、使用时都应分类堆放。

6、不准靠近明火和热源，应做到勿近火、勿沾油腊、勿爆晒、勿重抛、勿撞击，严禁在气瓶身上进行引弧或电弧。

7、严禁野蛮装卸，短距离移动氦气钢瓶应使用钢瓶专用手推车，长距离移动钢瓶应用危险品运输车辆运输。

8、液氦的温度为－268.9℃，与皮肤接触能引起严重冻伤。