2011年4月1日

多用途的氣體—氦氣

作者/古煥球(任教清華大學物理系)

在銀河系中,氦僅次於氫(1H1質子及1 電子),元素質量占24%之多,因此氦元素是1868 年日全蝕時,透過觀測太陽(希臘名helios)之未知的亮黃色發射光譜線(波長為5587.5奈米)才首次被發現,直到1882 年人類才發現地球上的氦元素。首次大量氦氣的製造則是1903 年美國開發西南部天然氣田時,提煉過程產生之副產品,其來源為重放射性元素的自然放射性α衰變(alpha-decay),例如鈾– 238 會衰變成α粒子(氦– 4 原子核)及釷– 234(反應式為238U 4He234Th),氦陷於天然氣中形成。美國西南部天然氣田中有高含量氦,約0.3~2.7%。

台灣不產氦氣,所需氦氣及液態化之氦(liquid helium, LHe,簡稱液氦)均由氣體公司,如三福氣體公司(Air Products San Fu)、亞東工業氣體公司(Air Liquide Far E a s t e r n )等子公司從美國母公司(A i r Products, Air Liquide 等)將氦氣液化後,用液氦低溫儲存槽(LHe cryogenic storage tank)以海運方式進口,每年進口約20萬公升液氦,供醫院、工業界及研究單位使用。

氦氣的基本性質

荷蘭物理學家翁內斯(H. K. Onnes)於1908年首度成功的將氦氣液化,氦氣在1大氣壓(1 atm)時之液化溫度為凱氏絕對溫度4.2 度(4.2K ,即攝氏負269 度),他於1911 年利用液態氦冷卻,以測量元素金屬電阻隨溫度之變化時,發現了汞(Hg)金屬在4.2K的超導性(superconductivity)以及超導體(superconductor)的電流在臨界電流(critical current, Ic)以下時,電阻為零、無能量損耗。翁內斯因此二項貢獻於1913年榮獲諾貝爾物理獎。2011 年是超導體發現100 週年,我國在8 月將舉辦新穎超導國際會議(International Conference on Novel Superconductivity)慶祝,此會議為第二十六屆低溫物理國際會議(26th International
Conference on Low Temperature Physics, LT26, Beijing)之隨辦國際會議。

筆者第一次接觸到液氦,是1975 年在美國聖地牙哥加州大學(UCSD)當博士研究生時,當時液氦低溫保持器(cryostat)仍用玻璃杜爾瓶(glass dewar)製造,可以清楚看到無色透明的液氦。但回台灣後,所有液氦均裝在不透明的無磁不銹鋼低溫保持器內(nonmagnetic stainless steel cryostat),再也無法親眼看到液氦。

用玻璃杜爾瓶裝液氦,可以很容易看到2.17 K 相變,將4.2 K 液氦表面蒸汽用真空泵慢慢抽走,液氦就會因蒸發而冷卻,在正常液體相時因熱傳導率(thermal conductivity)有限,液體內部和表面有溫度梯度,蒸發時會看到液體沸騰。但當溫度降到2.17 K 時,液氦相變為「超流相」,熱傳導率變成無限大,液體內部和表面沒有溫度差,透過玻璃可以很清楚看到沸騰消失,非常有趣。

液氦因質量輕,交互作用弱,基態動能(零點能量)大,在1大氣壓時即使冷到絕對溫度零度(0 K)也不會結晶成固體,必需加壓到34 大氣壓才會結晶為固態。其固體有多種不同的晶體結構,這些固態氦因零點能量仍大,稱為量子固體(quantum solid)。

氦氣的用途

氦– 4 氣體(4He gas)質量輕,且為惰性氣體,密度為0.1786 克∕公升 (0℃, 1大氣壓),雖比氫氣重但接觸空氣不會爆炸,可用於填充氣球及氦氣船(airship),不會發生1 9 3 7 年德國興登堡號(Hindenburg)氫氣船爆炸之危險。反觀目前國內仍有業者使用氫氣來填充氣球,這是不安全的。事實上,氣球填充只是氦氣應用之極小部份,氦氣在醫療或工業上均極有價值,氣球填充則通常使用回收之不純氦氣。【更詳細的內容,請參閱第496期科學月刊】

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