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氦气是什么?液氦你了解多少?氦气的同位素有哪些?
发布日期:2023-07-25 来源:氦气 同位素 氦3 稀有气体

说到氦气我们首先要先了解下氦是怎么来的。

这种元素都属于“轻气体”,似乎和氢相似,但氦这种惰性元素几乎不和任何其他元素发生反应,一旦从地表溢出就会上升大气顶层,然后在太阳风的高能粒子轰击下逃逸,所以地球大气层中几乎没有氦。

而它的产出更是让人抓狂,地下岩层中的放射性元素阿尔法衰变产生,一千克铀矿物衰变一年,才能得到大约0.1立方毫米的氦,这个小气泡只有0.00000002克,一吨铀每年也只能产生0.00002克的氦气,当然钍和氡的衰变也会产生氦,但数量太少了。

当然如果说整个宇宙中的话那么氦气的含量是很高的,占星系星体大约24%的质量。

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那么这么稀有的气体它到底有什么用呢?

氦气是做为核磁共振设备的重要材料之一,核磁共振设备的检测原理是是利用的是氢原子核在超强磁场中的变化,施加一个电磁波,改变氢原子在磁场中旋转排列方向,让其发生共振,然后再分析发射出的电磁波:这是原子核在进动中,吸收与原子核进动频率相同的射频脉冲,即外加交变磁场的频率等于拉莫频率,原子核就发生共振吸收,去掉射频脉冲后,原子核磁矩又把所吸收的能量中的一部分以电磁波的形式发射出来,称为共振发射。

简单点说就是需要一个强大的磁场做为核磁共振的基础。而氦气可以液化,然后用液氦来产生大约4K的低温来让其超导,进而产生超强磁场。所有这就是氦气在医疗行业为什么如此重要的原因之一。


同时氦气还有以下的重要用途

1、氦气可作为火箭液体燃料的压送剂和增压剂,大量用于导弹、宇宙飞船和超音速飞机上。

2、氦用作冶炼及焊接时的保护气体,这在造船以及飞机、宇宙飞船、火箭和武器的制造等方面非常重要。 

3、氦气有优良的渗透性用于核反应堆的冷却,火箭和核反应堆的一些管道及电子和电气装置等的检漏。 

4、氦气是具有理想气体性质的气体,是极低温度下蒸气压温度计的理想用气。 

5、氦气的质量密度、重量密度都低,且不易燃,可用来填充灯泡、霓虹灯管,也是理想的气球及飞艇用气。 

6、液体氦可获得接近绝对温度(-273℃)的低温,用于制造超导设备。 

7、氦气惰性气体的一种,在血液中的溶解度较氮气低,因而其麻醉性低于氮气,所以常将氦气与氧气混合,作为潜水员的呼吸用气体。

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讲完了氦气,我们来说它的同位素氦3

-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。在温度低于3.2K(-269.8°C)时变为超流体。

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-3在地球上极为稀缺,因为它很难从自然界中产生或分离。地球上的氦-3主要来源于以下途径:宇宙射线轰击:当高能宇宙射线与大气中的原子核碰撞时,会产生一系列的核反应,其中一些会生成氦-3。然而,这个过程非常低效,每年只能产生约300克的氦-3。           

三氚衰变:三氚是一种放射性同位素,有两个质子和一个中子,在12.3年的半衰期内衰变为氦-3和电子。三氚可以在自然界中由锂、硼等元素的中子俘获产生,也可以在人工核反应堆中由锂或重水的中子俘获产生。然而,三氚的总储量也很有限,估计只有约20吨。

原子弹爆炸:在原子弹爆炸时,会产生大量的中子和高温高压的环境,有利于氦-3的生成。据估计,在20世纪进行的核试验中,共产生了约230吨的氦-3。然而,这些氦-3大部分散失在大气中,只有少部分被收集和储存。

因此,地球上的氦-3总储量非常有限,估计只有约30吨。如果要用它作为热核能源,就需要寻找其他来源。而最有可能的来源就是月球。

-3可以作为一种强大而清洁的能源,为太空探索和地球发展提供动力。

太空飞行器的推进:使用氦-3和氘的热核反应,可以为太空飞行器提供高效而持久的推进力。相比于化学火箭发动机,氦-3热核发动机可以大大降低质量比和比冲,从而提高有效载荷和飞行速度。例如,使用氦-3热核发动机,可以在几天内从地球飞到火星,而不是几个月.

地球的供电:使用氦-3和氘的热核反应,可以为地球提供清洁而安全的电力。相比于传统的裂变或聚变反应堆,氦-3热核反应堆不会产生放射性废物,也不会造成核泄漏或核扩散的风险。例如,使用1吨的氦-3和0.67吨的氘,可以产生19.6吉焦(5.4兆瓦时)的能量,足以满足100万人一年的用电需求。

可是就目前世界上的技术而言,对于开发氦3储存和利用氦3的技术都有待提高,让我们拭目以待我们国家用更高端的技术来实现对氦3的利用和储存。