物理 [元素周期表] 氦
氦 (Helium)
基本信息
元素符号: He
原子序数: 2
原子量: 4.002602
位置: 位于元素周期表第一周期，0族（第18族），是稀有气体（Noble Gas） 家族的第一个成员。
电子构型: 1s²
原子结构
稳定的电子层: 氦原子核外有两个电子，正好填满第一电子层（K层），形成非常稳定的全满结构。这是其化学惰性的根本原因。
同位素: 氦有两种稳定同位素。
氦-4 (⁴He): 最为常见（占99.99986%），其原子核由两个质子和两个中子组成。
氦-3 (³He): 非常稀有，其原子核由两个质子和一个中子组成。在低温物理、核聚变研究和量子计算等领域有极其重要的应用。
物理性质
状态: 在标准条件下，是无色、无味、无臭的单原子气体。
密度: 仅次于氢，是第二轻的气体。密度远小于空气。
熔点和沸点: 是所有元素中最低的。
熔点: -272.2°C (在25个大气压下)
沸点: -268.93°C (4.22 K)
超流动性: 当液氦温度降至2.17K（λ点）以下时，会变成超流体。它具有零粘度、无限导热性，能够克服重力沿容器壁向上爬升。
临界温度极低: 难以被液化，是所有气体中最难的。
溶解性: 难溶于水。
导热性和声速: 导热性非常高，在气体中声速最快。
化学性质
绝对惰性: 氦是所有元素中化学性质最不活泼的，是真正的“惰性气体”。
不反应性: 迄今为止，在自然条件下未能制得任何氦的稳定化合物。它不燃烧，也不助燃。
原因: 其电子层全满，能量极低，既不易失去电子，也不易得到电子，难以形成化学键。
存在与制备
宇宙中存在: 是宇宙中第二丰富的元素（约占24%），仅次于氢。恒星内部的核聚变（质子-质子链反应）是其主要来源。
地球存在与来源:
在地球上，氦气非常稀少。它主要来源于地下岩石中铀 (U)、钍 (Th) 等放射性元素的α衰变（α粒子就是氦-4的原子核）。
这些氦气会慢慢积累在天然气田中，是工业提取氦气的主要来源。某些天然气田的氦含量可达7%以上。
制备（分离）方法:
低温分离法: 这是工业标准方法。先将天然气压缩冷却，分离出大部分其他成分；然后通过低温分馏和吸附技术，利用氦的极低沸点将其从其他气体（如氮气、甲烷）中纯化提取出来。
其他来源: 从空分装置（液化空气）的尾气中或大型核反应堆的冷却剂中也可以提取少量氦气。
主要用途
氦的用途几乎完全依赖于其独特的物理性质，而非化学性质。
低温冷却剂:
磁共振成像 (MRI): 最重要的用途之一。医院里的MRI超导磁体需要浸泡在-269°C的液氦中才能维持其超导状态。
大型科学装置: 用于粒子加速器（如LHC）、核聚变装置（如ITER）的超导磁体冷却。
科学研究: 用于低温物理、凝聚态物理等前沿领域的实验研究。
加压和吹扫气体:
火箭技术: 用于加压输送液氢燃料，因其化学惰性，极其安全。
深海潜水: 氦气与氧气混合制成“氦氧混合气”（Heliox），代替氮气，可避免潜水员患上“氮麻醉”（深水麻醉）。
保护气体:
焊接: 在电弧焊（如TIG焊）中作为保护气，防止熔融金属与空气中的氧气和氮气发生反应。
半导体制造: 在晶体生长和拉单晶过程中提供惰性保护 atmosphere。
泄漏检测:
由于氦分子小、质量轻、惰性且不易残留，是理想的示踪气体。用氦气质谱检漏仪可以精确检测微小的泄漏。
其他日常用途:
气球和飞艇: 因其密度小且不可燃，比氢气安全得多，用于填充气球和飞艇。
呼吸气体: 用于医疗（治疗呼吸道疾病）和高海拔作业。
