氦 α粒子- 大数跨境

中科富海

2023-02-27

对于氦来说，我们必须要用宏大的叙事方式进行。和质子（氢）、中子等一样，氦也是137亿年前宇宙大爆炸的遗留物质。

从核素的角度来说，当我们把目光从最轻的轻元素移到排在其后的氦元素时，会发现p,d,t连续排列的状况发生了断裂。对于氦元素来说，只有氦-3，氦-4，氦-6和氦-8，氦-5和氦-7缺失了，这意味着即使可能氦-5和氦-7存在，它们的寿命也将会是极短极短的，短到了目前在实验上无法发现。氦-3和氦-4都是稳定同位素，但氦-3的丰度非常低，在地球的天然氦中，只占0.000134%，这使得氦-4的丰度几乎可以认为是100%。

氢与氦同位素（灰色底为稳定核，蓝色为中子放射性核）

氦元素的发现。氦元素是J·简森（J.Janssen）和N·洛克耶（N. Lockyer）1968年通过分光镜在太阳光线中发现的，洛克耶因此用古希腊太阳神赫利俄斯（Helios）的名字命名。1895年，拉姆齐（W.Ramsay）爵士在钇铀矿石发现了地球上的氦，同年，克利夫（R.T.Cleve）和朗乐特（N.Langlet）各自独立分离出了氦。这一阶段，人们通过化学方式处理火成岩提取氦元素[1]。

氦元素的化学性质不活泼——它被称为惰性气体（除氦以外，惰性气体还有氖氩氪氙，以及118号元素Og）。由于惰性气体元素的外层电子均是满壳（幻数），所以它们几乎不与其它元素发生化学反应。但是氦气体的密度非常小，是除了氢气以外最轻的气体，但相对氢气球容易爆燃的火爆脾气，氦气的惰性是它非常安全，因此经常被用于充进气球，成为公园中气球小贩谋取营生的重要生产资料。

让我们通过氦元素的视角，一起穿越它带有的宏大宇宙历史，和对我们久远的影响。

一、仰望星空——恒星演化与氦闪

氦是宇宙中含量居第二的元素，在全宇宙中质量占大约24%，但在地球的大气浓度中仅为5.2 ppm （0.00052%）。并且由于氦的密度很小，很容易就上升到大气层的上方，从而被太阳风等高能粒子给吹到宇宙里去，永远逃离地球[2]（与此相比，天王星大气中氦气的体积和质量分数分别为15%和26%，非常接近银河的组成）。相反的是，在地壳深处，却由于大量镭、钍、铀等重元素的衰变，产生了大量的氦气体，这也意味着我们的地球深处，实际上是一个非常缓慢的氦气生产工厂[1]。

恒星中元素形成初级阶段：p-p链/美国西北大学

氦本身除了是宇宙大爆炸的遗迹，还是恒星燃烧的产物，以及放射性核素衰变的产物。在恒星中，宇宙通过聚变的自然法则，将两个质子首先聚变生成氘，然后一个质子再与氘生成氦-3，两个氦-3聚变后生成氦-4。实现从氢到氦的不断转换，从而持续向外输入光和热——我们的太阳即是如此。

太阳年龄演化图/美国西北大学

恒星中合成氦的阶段只是它从生命的起点至中年的主要过程。0.8~2倍太阳质量的中等质量恒星，在主序星阶段后，随着氢元素的不断消耗而膨胀成为红巨星，其核心区域的氦被压缩成为密度巨大的简并物质。在恒星的温度1亿K后，就会打开氦元素聚变（氦燃烧）的通道，通过短时而大量的“氦燃烧”促使恒星进入寿命的末期。

氦燃烧的方式很特别，两个氦-4通过聚变变成铍-8，而铍-8并不能稳定存在，它快速地和另外一个氦-4生成碳-12，从而变成稳定的核素。这就好像是没有经过中间过程，而是三个氦-4直接变成了碳-12，核天体学家称这一过程为3α反应！氦聚变打开后，恒星核心的温度快速升高，这将进一步提升氦聚变速率。3α反应会随着稳定的快速上升急剧增加，最终将导致快速的氦碳反应过程，从而在几秒到几分钟内发生热失控，形成“氦闪”现象。此时恒星本身的引力将难以抵挡如此高的温度，因此恒星的简并核心将最终“蒸发”，如沸腾般逃离恒星，这就形成了恒星的急剧膨胀。

还记得吴京拍摄的著名科幻电影《流浪地球》吗？地球之所以要流浪，就是要避免太阳末期氦闪造成的巨大灾难。

可以说，氦是恒星演化过程中重要元素，是恒星中形成更重元素的重要中间环节。因此氦是核天体物理研究的重要对象，也是人类实现聚变能源利用的重要参与者。

二、前沿科学中的氦及α粒子

氦的原子核又被称为α粒子。从核物理的开端，到当前的前沿核物理研究，遍布α粒子的身影。我们不计划对相应的事件进行展开讨论，而是以简要列举的方式说明氦及α粒子在核物理中的重要性。

1896年，贝克勒尔发现铀射线及其贯穿辐射性，后来被称为贝克勒尔射线，这是人类第一次发现核现象。随后，施密特发现钍元素能够产生贯穿放射性。
1898年，居里夫妇在研究放射性金属的性质时，发现了钋元素，并在随后的研究中发现镭元素。以上所列铀、钍、钋、镭元素均具有贯穿辐射性。
1899年，28岁的E·卢瑟福发表论文，将已知的两种射线按照贯穿本领，分为α射线和β射线。1900年，维拉德发现γ射线。1902年，31岁的卢瑟福对放射性物质的类型按照贯穿能力和在磁场中的偏转性质，分为α射线、β射线和γ射线。
1903年，老布拉格（W.H.Bragg）和助手研究α射线贯穿本领时，发现了α粒子穿过物质时的“布喇格峰”现象。重带电粒子这种特殊的能量损失方式，后来被发展成为目前肿瘤质量的尖端技术——质子重离子肿瘤治疗技术。2020年，我国中国科学院近代物理研究所团队完成首台重离子治疗装置的建造，使我国成为国际上第四个拥有自主技术的国家。
1904年，卢瑟福用α放射性估算了地球的年龄（5亿年左右），大大提高了地球年龄的估算值。
1906年，尽管还不知道α射线是什么组成的，卢瑟福开始设计利用α射线探测原子的性质。
1909年，卢瑟福通过巧妙的实验证明了α射线就是氦的原子核。同年，马斯登在卢瑟福的建议下利用α射线轰击金属靶，发现了α的大角度散射现象。
1910年，林德通过研究α射线在气体中的离子对数目，首次研究辐射化学效应。
1911年，卢瑟福结合对α散射实验结果的理解，提出了原子的有核模型，并计算出原子核的大小。
1913年，K·法扬斯（K. Fajans）和F·索迪分别独立发现α衰变和β衰变过程中的化学元素变化规律，索迪引入同位素一词。同年，盖革发明了盖革计数管，用以α和β粒子计数。
1919年，卢瑟福通过α与氮-14碰撞，产生并发现质子，首次提出核反应的概念，并实现人工元素转变。1925年，布拉克特（P.M.S.Blackett）利用改进的云室证实卢瑟福的核反应假设，找到8个α粒子撞击氮分子的图像，并发现氮核蜕变和释放质子的证据。
1928年，伽莫夫（G.Gamov）利用量子隧道效应解释α衰变机制，这是量子力学在原子核物理中的第一次成功应用，证明了量子力学的正确性。
1930年，玻特（W.Bothe）率先发表用α轰击Be的实验结果，其中发现了一种传统能力极强的中性射线，但他错误解释了实验结果。这种中性射线实际上是中子。
1934年，小居里夫妇用α射线轰击铝，首次制造出了人工放射性核素磷-30.这也提供了人工产生正电子放射性核的方法。
1936年，罗克（Locher）提出硼中子俘获治疗方法，其主要原理是利用中子与硼-10反应生成硼-11，硼-11衰变中产生的高能α和锂-7，杀死肿瘤细胞。硼中子俘获治疗技术目前已经成为临床应用的肿瘤治疗技术。
1940年，赛格雷等人利用α轰击铋元素，生产出了不稳定的85号元素，并命名为砹。
2011年，我国科学家从相对论金-金原子核碰撞中发现了氦的反物质粒子反氦-4，这是迄今为止最重的反物质原子。与此巧合的是，在100年前的1911年，卢瑟福用α散射的结果发现了原子核的存在。
2015年，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）确认人工合成113、115、117和118号元素，使现有化学元素周期表的空缺全部填满。事实上，超铀人工合成元素的确认，需要利用它们的α等粒子衰变性质来证实。

无需多言，自从卢瑟福敏锐地意识到α粒子在微观研究中的重要作用，它就不仅仅在核物理中是科学研究与科学发现的工具，更发展成为科技应用的利器。

三、特别冷酷的液氦

我们知道，绝对零度（-273.15 ℃，0 K）是理想零度，在物理上是个数值，而在实现上只能无限逼近。让我们能无限逼近绝对零度的环境，只能通过液氦实现。

液氦可以提供接近热力学温度（0 K）极限的极低温环境。液态氦于1908年7月由卡美林·奥涅斯成功实现，但液态氦在世界各国实验室的推广使用则是在1934年，由前苏联科学家卡必查在卢瑟福实验室学习期间发明了新型液氦机之后才开始的。

吴实验(图中卡通人物为吴健雄)[3]

除了在低温超导技术、超导体设备的常规应用之外，在核物理的重大科学发现中也作出了突出的贡献。1956年5月，吴健雄先生提出在液态氦极低温度环境中进行了衰变的实验，从而通过⁶⁰Co-β衰变过程检验宇称是否守恒。实验于1957年1月成功，以实验支持了杨振宁-李政道所提出的宇称不守恒理论 [3]。

通过对液氦的科学处理，目前可以达到2.1×10²¹ K的极低温，这已经无限接近绝对零度了。

液氦提供了超导磁铁所需要的极低温环境，因此是大科学装置（例如加速器）和大型医疗（例如核磁共振）装置的重要保障。但由于液氦的稀缺性，我国95%的氦需要进口，处于战略性氦资源短缺，极容易被卡脖子。

四、生活中的α放射性与放射防护

生活中的氦，应用广泛。从我们的日常家居、呼吸饮食、生产生活、火灾报警，到医学放射治疗等等，都有氦和α粒子的身影。

离子型烟雾报警器的离子室

（1）烟雾报警器

生活中常见的产品之一是离子型烟雾报警器，这是光电型火灾报警器出现之前最常用的火灾报警器。离子型烟雾报警器主要利用α粒子对空气中颗粒物的敏感度探测火灾并发出警报。

（2）避免α粒子内照射

放射性核素被吸入人体后，会产生内照射效应，对于日常生活环境中的α放射性核素，应避免过多摄入。氡普遍存在于我们的生活环境，由于氡-222（Rn-222）等重核衰变过程中会产生α粒子，需要对氡气等进行适当防护。统计指出，氡对人体的辐射伤害占人体全部环境辐射的55%以上。1994年以来，我国调查14座城市的1524个写字楼和居室，有6.8%的场所每立方米氡含量超过国家标准，氡含量最高的达到596 Bq，是国家标准的6倍[4]。

生活中的氡主要来自房基土壤析出（北京地区地质断裂带上检测表明，三层以下住房室内氡含量较高）、建筑材料（花岗岩、砖砂、水泥等）、天然石材、户外进入室内的氡聚集（氡气密度大，容易在地表沉积），此外还会通过地下水、天然气使用过程中的载带进入生活空间。对于生活中的氡防护，可应根据不同的成因采取措施，例如封堵地板和墙体裂缝等 [4,5]。经常做好室内通风换气可以有效降低室内氡气浓度。有数据表明，一间氡浓度为151Bq/m³的房间，开窗通风1小时后，室内氡浓度就降为48 Bq/m³。

（3）辐照产生的金属材料氦泡损伤

在太空和核电站等环境中的金属材料受到高能粒子辐照作用后，会在内部形成一系列辐照缺陷。其中氦泡是一种典型的辐照缺陷，会引起金属构件性能的显著恶化，导致构件肿胀、表面鼓泡和高温脆化。氦泡形成的主要原因是辐照导致金属原子核发射反应产生氦原子，而氦原子很容易被金属中的空位捕获形成氦-空位团簇。随着团簇中氦原子的增加，团簇挤压并挤出基体原子形成缺陷对，新形成的空位继续捕获氦原子，促进氦泡成核[6]。

金属中氦-空位团簇示意图[6]

（4）避免购买未知α放射材料

此外，人们还可能由于各种不知情情况下的放射性接触造成意外辐射。例如央视新闻曾报道网上销售的负离子粉，实际上具有很强的放射性。网络上曾经有文章介绍“负离子粉”是什么的文章，详细介绍了网络销售的各种负离子粉及其衍生产品的真相[7]。央视也曾报道网上销售的许多五花八门的能量石有严重的辐射超标。这些大部分都是钍-232等具有α放射性的核素造成的。希望读者们不要误听误信网络或其它途径销售的一些不合规产品。