作者：鎖相（科研工作者，凝聚態(tài)物理學(xué)博士）

氦，原子序數(shù)2，宇宙中第二多的元素。氦最常見(jiàn)的同位素是4He和3He，絕大部分的氦是4He，它有兩個(gè)質(zhì)子兩個(gè)中子。3He有兩個(gè)質(zhì)子一個(gè)中子。

氦氣球（圖片來(lái)源：genius.com）

氣態(tài)的氦無(wú)色無(wú)味，它是最簡(jiǎn)單的惰性氣體，非常穩(wěn)定。因?yàn)楹るy跟其他元素反應(yīng)，它可以被作為保護(hù)氣體，讓一些特定材料只與氦氣接觸。例如，在焊接中，氦氣可以保護(hù)高溫下的金屬不被氧化。在與真空密封相關(guān)的產(chǎn)業(yè)中，氦可以用于真空檢漏：氦離子的質(zhì)量小探測(cè)起來(lái)容易，并且氦在空氣中含量很少，檢漏時(shí)不容易被外界環(huán)境干擾。生活中，大部分醫(yī)院里的核磁共振成像設(shè)備通過(guò)液氦維持超導(dǎo)磁體所需的低溫環(huán)境。因?yàn)楹獾拿芏刃∮诳諝獾拿芏龋∨笥褌冞€可以玩氦氣球。美國(guó)大約三成的氦以液體氦形式用于醫(yī)療，三成的氦用于空間項(xiàng)目與國(guó)防，一成的氦用于半導(dǎo)體工藝，一成的氦用于科研（大部分也是以液體的形式）與氣球。

圖一：不同質(zhì)量的離子在磁場(chǎng)下回旋半徑不一樣，質(zhì)量越小的離子探測(cè)起來(lái)越方便。當(dāng)檢漏時(shí)，可以將真空腔體連接到一個(gè)可電離氦并探測(cè)氦離子的裝置，如果真空腔體某個(gè)地方漏氣的話，在該處噴氦氣將讓該裝置探測(cè)到的氦含量上升。現(xiàn)在探測(cè)離子的方法通常不是讓帶電離子在磁場(chǎng)下偏轉(zhuǎn)，而是利用一種叫四極法的技術(shù)。(圖片來(lái)源：http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/maspec.html)

盡管宇宙中的氦很多，地球上的氦卻不多，大氣中78％是氮?dú)狻?1％是氧氣，但是只有百萬(wàn)份之五是氦氣。從空氣中獲得氦氣的成本過(guò)于高昂，氦氣一般是通過(guò)一些富氦的天然氣獲得。氦被認(rèn)為是不可再生的資源，富氦的國(guó)家有美國(guó)、卡塔爾、阿爾及利亞和俄羅斯。這些天然氣中的氦可能來(lái)自巖石中鈾和釷的天然核反應(yīng)，并由一些特殊巖石“拘禁”在地下。與大部分氣體不同，氦氣有非常強(qiáng)的穿透性，在室溫下可以穿透大部分巖石，甚至穿透金屬。因?yàn)楹ご┩附饘俚乃俣冗h(yuǎn)小于人們通常定義的“漏氣”的速度，因此氦依然可以作為真空檢漏時(shí)的標(biāo)識(shí)性氣體。值得一提的是，沒(méi)有絕對(duì)不漏的真空設(shè)備，所謂的水密（water-tight）、氣密（gas-tight）和不漏(leak tight)都對(duì)應(yīng)一定的漏氣率標(biāo)準(zhǔn)（單位是氣壓×體積/時(shí)間），漏氣率低于一定值即可。室溫下，玻璃鋼能較好地防止氦氣穿透。

醫(yī)院的核磁共振成像設(shè)備需要強(qiáng)磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是螺線管，流經(jīng)螺線管的電流越大則磁場(chǎng)越大。在商業(yè)化的高場(chǎng)超導(dǎo)磁體中，產(chǎn)生1特斯拉的磁場(chǎng)大約需要10安培量級(jí)的電流。如果磁體使用普通金屬導(dǎo)線，那么導(dǎo)線會(huì)發(fā)熱，如果使用大口徑的導(dǎo)線減小電阻以減小發(fā)熱量，那么圈密度將會(huì)減少（比如圖二中，所用的導(dǎo)線如果直徑增加，那么電流進(jìn)出口之間的距離能繞的圈數(shù)將減少），從而影響總磁場(chǎng)。而電流流經(jīng)零電阻的超導(dǎo)體時(shí)不會(huì)產(chǎn)生任何熱量，所以超導(dǎo)磁體可以使用非常細(xì)的超導(dǎo)線從而增加圈密度（題外話：即使不考慮工藝問(wèn)題，超導(dǎo)線能維持超導(dǎo)態(tài)的臨界電流也與線粗細(xì)有關(guān)，也不是所有的超導(dǎo)材料都適合做成超導(dǎo)線）。超導(dǎo)體只有在足夠低的溫度下才能維持超導(dǎo)，而液氦在常壓下溫度大約4開(kāi)爾文，這個(gè)溫度對(duì)絕大部分的超導(dǎo)線已經(jīng)足夠低了，所以，液氦的浸泡為超導(dǎo)磁體提供了一個(gè)穩(wěn)定的低溫環(huán)境。現(xiàn)在無(wú)液氦低溫技術(shù)逐漸成熟，很多磁體不需要液氦也能維持超導(dǎo)態(tài)，醫(yī)院對(duì)液氦的需求可能會(huì)慢慢減少。

圖二：螺線管示意圖。中間的磁場(chǎng)跟流經(jīng)導(dǎo)線的電流有關(guān)，也跟單位長(zhǎng)度內(nèi)的圈數(shù)有關(guān)。(圖片來(lái)源：http://www.ency123.com/2013/08/what-is-solenoid.html)

液氦不僅僅能提供低溫環(huán)境，它還具備異常特殊的物理性質(zhì)。通常來(lái)說(shuō)，只要溫度足夠低，常壓下的液體將變成固體，然而即使在絕對(duì)零度下，常壓下的4He依然保持液態(tài)：這是因?yàn)?He的量子效應(yīng)明顯，除非外界壓力大于25個(gè)大氣壓，它不會(huì)輕易形成固體。人們可以用零點(diǎn)能（來(lái)自量子力學(xué)的基態(tài)能量）與粒子間結(jié)合能之比來(lái)描述一個(gè)粒子的量子化程度，比4He更加量子化的粒子僅有3He，排名第三的粒子是H2。液體4He和液體3He常壓下均無(wú)法固化，被稱為量子液體。在更低的溫度環(huán)境下，4He和3He都可以成為超流體，此時(shí)它們能毫無(wú)阻礙地流過(guò)任何管道，不再擁有粘滯力。量子效應(yīng)并不只在微觀尺度下才被觀察到，超流就是因?yàn)榱孔恿W(xué)而出現(xiàn)的宏觀現(xiàn)象。

圖三：4He的相圖。低壓條件下，即使在絕對(duì)零度下4He依然保持液態(tài)。液態(tài)4He可以是普通流體，也可以是超流體（superfluid），兩者之間的相變稱為?相變，名稱來(lái)自于相變時(shí)比熱峰的形狀。(圖片來(lái)源：http://heloisenonne.eu/recherche_eng_helium.html)

圖四：超流體的特殊“爬坡”性質(zhì)。左圖為實(shí)物照片，右圖為示意圖。液氦需要用杜瓦（一種特殊的容器，內(nèi)外壁之間有真空夾層）存放，早期的杜瓦是玻璃做的，可以允許肉眼觀測(cè)。(圖片來(lái)源：http://www.daviddarling.info/encyclopedia/H/helium.html
http://currentearthscience.blogspot.com/2013/05/superfluid-helium-climbs-up-walls.html)

4He被成功液化之后，第一個(gè)超導(dǎo)體（水銀）的零電阻現(xiàn)象在4.2開(kāi)爾文被發(fā)現(xiàn)。基于氦，科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了各種更加極端的低溫環(huán)境以用于與量子力學(xué)有關(guān)的科研。上世紀(jì)六十年代利用3He和4He在低溫下相分離的特性，科學(xué)家發(fā)明了稀釋制冷機(jī)，它可以不間斷地提供毫開(kāi)爾文量級(jí)的低溫環(huán)境，是目前相關(guān)領(lǐng)域科研前沿的常見(jiàn)設(shè)備。現(xiàn)在人類在低溫技術(shù)上走得更遠(yuǎn)了，可以將一個(gè)固體降溫到10微開(kāi)爾文量級(jí)（冷原子技術(shù)能實(shí)現(xiàn)納開(kāi)爾文以下的溫度，但是不能用于給外物降溫）。宇宙的最低溫度在開(kāi)爾文量級(jí)，遠(yuǎn)遜于實(shí)驗(yàn)室能實(shí)現(xiàn)的低溫環(huán)境。人類實(shí)現(xiàn)不了比自然界更高的溫度、更小的尺度、更強(qiáng)的磁場(chǎng)，但是在低溫這個(gè)領(lǐng)域，人類已經(jīng)擊敗了自然界。在低溫條件下，許多未曾預(yù)料的量子現(xiàn)象——如量子霍爾效應(yīng)——被人們觀測(cè)與理解，為物理開(kāi)拓了新的疆土。

氦，原子序數(shù)2，它隱藏在許多與量子力學(xué)相關(guān)的進(jìn)展背后。