惰性气体有哪些神奇的应用？

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鲁超，赛先生

化学家眼里没有无用的元素，惰性气体虽然反应性较弱，但也都有很有意思的应用。我们一个个来说哦。

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一、氦

氦气球、飞艇不多说了。

氦气是最不容易和别的元素化合的元素之一，因此经常用于保护气。一般的保护气体有氮气，但是氮气仍然会一些活泼的金属反应；更加高级的是氩气，比氦气也便宜；氦气的成本比氩气高很多，但它的导电性很强，甚至接近铝和铜，所以经常用于硅片切割、锰等金属的焊接保护气。

【硅片，是太阳能和电子的重要材料，切割的时候要用到氦气保护。】

1908 年，荷兰物理学家奥涅斯把最后一种「永恒气体」——氦气冷却到低于 1K 的温度，终于将它变成了液体。当科学家们对液氦展开研究时，发现低温世界实在是太神奇了。

比如：

【用小勺盛放氦 II，勺底有一滴氦 II，勺里的液体会自动流出来，直至勺里的液体流光。】

【将一个杯子放进液氦 II 里，杯面高于液面，外面的液氦 II 会自动流入杯子里。】

【氦刀喷泉，在液氦 II 中插入一根毛细管，用光照射液氦，会有如喷泉状喷出。光越强喷得越高，可以高达数厘米。光能直接转化成机械能。】

让人印象最深刻的莫过于 1911 年 4 月 8 日，奥涅斯用液氦将汞冷却到 4.2K 时，汞的电阻竟然完全消失，这就是超导现象，后来他又发现了其他金属也会变成超导体，奥涅斯因此而获得了 1913 年诺贝尔物理学奖。

你可能认为，这里的电阻可能只是很小吧，测不出来吧，并不是真正为零吧？

还真有人做了一个实验，从 1955 年开始，英国的柯林斯将电流维持在一个环状超导体里面，过了两年半，电流一直没有衰减。实验最终结束的也非常意外，因为送液氦的卡车出了车祸，无法及时送货，这场耗时良久的实验才只能作罢，但这已经足以证明超导现象是真正的 0 电阻。

【从左到右：艾伦霍斯特、洛伦茨、玻尔和发现超导现象的奥涅斯。】

1933 年，荷兰科学家迈斯纳和奥森菲尔德发现了另一个奇妙的现象，当超导体处于超导状态时，内部的磁感应强度为 0，这被称为「迈斯纳效应」。如果做下面这样的实验，就可以看到神奇的超导悬浮现象。这个效应可以用来判定物质是否称为超导体，再也不用测电流了。

【在液氦的温度下，在一个铅环上放置一块磁铁。磁铁会好像失重而飘浮在环上，与铅环保持一定距离。】

超导现象太过神奇，对「贪婪」的人类文明来说也太具吸引力了。进入电气时代之后，人类一直烦恼于电阻的存在，想尽了办法选择低电阻的材料和高电压进行电力传输，尽管如此，每年还是有巨大的能量损耗在输电线上。现在竟然出现这么个 0 电阻的东西，无损耗电力传输似乎就快梦想成真，这对人类文明的真是具有革命性的意义。

【韩国构想中的超导输电线路。】

【德国也在酝酿超导输电，用液氮（Liquid Nitrogen）做冷却剂。】

磁场一般由电磁铁提供，电流越大，电流热效应带来的发热量也更大，电阻成为建造更强磁场的瓶颈。而超导材料几乎不存在发热的问题，比如在核聚变神器托卡马克用的磁约束材料，线性加速器 LHC 里的加速磁场，都能见到它们的身影。

【托卡马克里用的是铌三锡（Nb3Sn）超导材料，临界温度为 18.3K。】

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二、氖

拉姆赛和特拉弗斯的新发现传出来以后，立马吸引了很多人的眼球，氖那红色的耀眼光芒迅速走出实验室，被一些商家寻觅到商机。

这个时候正是 19-20 世纪之交，约 20 年前，爱迪生发明了白炽灯，1896 年，新式的穆尔放电管被发明出来，最早是用氮气和二氧化碳作为工作气体的。大家发现，如果把氖气放进去，就可以得到稳定的红色光源。但是当时，氖气只有在实验室里才有，价格可是非常昂贵的。

1902 年，法国人乔治 * 克劳德创办了液体空气公司，专门生产液化的氢气、氧气、氮气等等。氖气是他们的副产物，就这样，氖气的成本一下子就低了很多，普遍使用成为可能。

【乔治 * 克劳德，他创办的液化空气公司一直延续到现在。】

1910 年，巴黎车展在法国大皇宫举办，乔治 * 克劳德在这里展示了他们公司的新产品：两根充了氖气的灯管，每根灯管足有 12 米长。这种新式的灯成为这次车展的最亮点，吸引了全世界的眼球。

乔治 * 克劳德后来又改进了技术，延长了灯的寿命，申请了专利，他因此赚了一大笔钱，成了百万富翁。这种新式的灯也被成为氖灯（Neon lamp），翻译成中文就是我们现在很熟悉的「霓虹灯」，取自 neon 的发音，这个翻译很美，本身也有彩色的意思。现在你明白了吧，「霓虹灯」这个美丽的名字跟我们一衣带水的友好邻邦可一点关系都没有！

【1910 年巴黎车展是霓虹灯的诞生之年。】

拉姆塞和特拉弗斯在试验过氖气之后，还试验了氦、氩、氪、氙等气体，发现不同的气体可以发出不同的颜色：氦是黄色、氩气是蓝色，氪是深蓝色，氙是白色。霓虹灯制造者有了更多的素材。再往后，人们又发明了荧光粉，不同的气体加上不同的荧光粉就可以组合出更多的颜色。五彩缤纷的霓虹灯被生产制造出来，点缀了我们的城市。

【直到现在，霓虹灯还在我们身边扮演重要角色。图中是上海南京路步行街。】

氖还被用于氦氖激光器，这是第一种气体激光器，也是最重要的红光放射源。

【氦氖激光器曾被广泛使用，上世纪 90 年代之后被成本更低的半导体激光器取代。】

氖和氦一样，都属于惰性气体，化学性质非常不活泼，化学家们做过很多尝试，试图合成氖的化合物，都失败了。直到现在，只在质谱仪和光谱分析中找到过氖氩离子、氖氢离子、氦氖离子等的踪影，这些不是电中性的化合物，所以我们可以说，还没有发现氖的中性化合物。

2014 年 12 月 10 日，德国哥廷根大学宣布，德法研究人员制造出了水的一种新结晶形式——「冰十六」，这是冰的第十七种形态，也是最轻的一种冰，密度仅仅有 0.81 克 / 立方厘米。

他们用这样的方法得到这种新式的冰：先在零下 130 度的低温下制造出氖的笼形水合物，就是水分子组成一个笼子的形状，将氖原子装在「笼子」里。这种水合物不代表发现了氖的化合物，因为这种「笼子」没有化学键的参与，是非常不坚固的，很容易用真空的方法将其中的氖抽出来，剩下仅由水分子形成的晶体结构，这就是「冰十六」。由于氖留下了很多空隙，所以「冰十六」的密度自然就小了很多。

【氖的笼形水合物的球棍示意图。】

这些科学家可不是无聊，去发明这些「松松的冰」。研究人员维尔纳·库斯说，这是科学家首次在实验室中直接量化水分子和气体分子相互作用的影响，有助于进一步了解气体水合物，对地质学和化学研究意义重大。

我们知道，可燃冰在冻土层和海床中大量存在，它就是一种气体水合物，只不过里面的气体不是氖，而是甲烷。如果能将可燃冰中的甲烷释放出来用作能源，同时将二氧化碳固定在气体水合物中，则既可获取能源又能减少大气中的温室气体。类似「冰十六」的各种水合物也许能帮助人们去掌握这项技术。

【「冰十六」的框架结构。】

三、氩

主要用于保护气，不多说了。

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四、氪

氪元素足足有三十多种同位素，自然界常见的有五种：氪 -84（57%）、氪 -86（17.3%）氪 -82（11.6%）、氪 -83（11.5%）、氪 -80（2.25%），他们都是稳定的，半衰期较长，再加上不常见的氪 -78 半衰期长达 9.2×10^21 年，超过宇宙年龄，所以，氪总共有六种稳定的同位素。

在我们身边，氪 -83 常用于核磁共振。

【MRI（核磁共振）。】

而氪 -85 这种放射性同位素来自铀、钚等「核武元素」裂变后的产物，由于核反应堆、核试验经常在北半球发生，所以北极空气里的氪 -85 含量比南极足足高了 30%。美国人也曾用氪 -85 追踪法来核实朝鲜、巴基斯坦是否真的进行了秘密核试验。

【用氪 85 来判断朝鲜是否真的进行了核试验。】

真正让氪氏家族祖坟上冒青烟的是氪 86，这得说一个很长的故事——长度单位。

我们知道秦始皇的伟大，书同文车同轨，统一了度量衡，但他毕竟只统一了华夏的尺，全球的长度单位——米要则等到法国大革命。

话说法国大革命后，全新的共和国百废待兴，新建的法国科学院认为他们有义务统一全世界的度量衡，建立一个普适的十进制的长度单位。他们认为地球是无论如何都不会发生变化的，所以应该选择地球作为标准，他们取从北极点到赤道的千万分之一，作为一个「metre」，翻译成中文就是「米」，「坐地日行八万里」，地球一周是四万公里，就是这么来的。1797 年，英国也接受了法国人的创造，其他国家也都跟着引进了这一标准。

【地球真的不会变化吗？】

问题很快来了，不可能每次核准的时候都把地球量一遍啊，1874 年，国际计量局制造了一把含 90% 铂和 10% 铱的米尺，它在 0 度的时候长度是一米，被称为「国际米原器」。

但问题还是很多，金属会热胀冷缩的，金属还会破损，万一这把米原器磨损了，我们到哪儿说理去？搞一个金属棒也非常不便，难道每个国家要干点啥研究都要去国际计量局对标去吗？或者每个国家自己都要搞一把尺吗？要是两个国家的标准尺有少许偏差，两个国家生产的精密仪器还能互相使用吗？

所以科学家们开始想，有没有一种不会变化的事物可以作为长度标准呢？

【铂铱合金的米原器。】

科学家很快发现，氪 86 的橙色光，具有很好的清晰度和再现性，1960 年，在第十一届国际计量大会上，把米的定义改为：「米的长度等于氪 86 原子的 2P10 和 5d1 能级之间跃迁的辐射在真空中波长的 1650763.73 倍」。这个标准实在太好了，在任何地方，氪 86 的橙色光波都完全一样，从这以后，哪个国家想对标，再也不用跑到国际计量局去了，只要分析本国空气里稀有的氪光波就可以了。

【上面是氪的光谱，下面是氖的光谱。】

随着激光技术的发展，人们可以得到自己想要的单色光，光速的测量变得容易多了。按照相对论，长度、质量、时间都是可变的，唯有光速不变，在 1983 年国际度量衡大会上重新制定米的定义：「光在真空中行进 1/299，792，458 秒的距离」为一标准米。氪 86 终于履行完了它的使命。

【一切皆可变，唯有光速不变。】

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五、氙

我们知道氖是霓虹元素，将它加入灯管，通电以后会显示红光，氙也有这本事，只是它释放出来的是强烈的蓝白色光。这种蓝白色光和太阳光非常接近，因而广受人们青睐。

20 世纪 30 年代，美国工程师哈罗德 * 艾格顿在开发高速摄影技术，需要配套特制的闪光灯。在开发过程中，他将氙气装入一根玻璃管，两头通上频率很高、时间间隔极短的电流，发出强烈的蓝白色光的高频闪光灯被发明出来了。艾格顿依靠这根「氙闪光灯」，成功的将曝光时间缩短到一微秒，高速摄影技术迎来了新的里程碑。

【艾格顿发明的「氙闪光灯」。】

二战结束之后，氙灯得到了更广泛的用途，1954 年，德国科隆世界照明和电影博览会上，蔡司 - 依康公司展出了第一只作为电影放映光源的氙灯，这一发明立刻传遍全球。在以前的电影院里，那放映机投射出的蓝白色光就来自氙灯，现在氙灯已经逐渐被激光技术所取代。

以前的汽车灯也用的氙灯，现在也逐渐被更廉价的卤素碱金属化合物所取代。

索尼和诺基亚的一些手机闪光灯也用过氙灯，超薄手机成为时尚之后，略显笨重的氙灯力有不逮，逐渐被 LED 取代。

【沐浴着氙灯辉光的「亚特兰蒂斯」号航天飞机。】

1939 年，美国医师贝恩克受命对深海潜水员一种奇怪的病展开调查，潜水员在极限深度下，会头晕目眩，好像「醉酒」一样。他研究后发现，这种怪病竟然来自空气里极低含量的氙气，潜水越深，氙气的麻醉效果越明显。

1941 年，苏联毒理学家拉扎列夫也发现了这一现象。1946 年，美国药物研究员劳伦斯用小老鼠做实验，并发表了论文，指出了氙气的麻醉特性。

1951 年，美国首次用 1/5 氙气和 4/5 氧气混合，作为麻醉剂成功的在两个病人身上实验，效果非常好，不仅对神经系统没有伤害，还对大脑有保护作用。但是氙气还是太贵，这种麻醉剂没有推广开。

【这种昂贵的氙气麻醉系统很少见。】

拉姆塞发现惰性气体之后的很长一段时间里，惰性气体被认为是高冷的冰美人，根本看不上其他元素，死活也不会跟它们结合。但这一「铁律」在 1962 年被打破了，在化学家「媒婆」的撮合下，终于有惰性气体春心荡漾了。

巴特莱特是加拿大英属哥伦比亚大学的一位讲师，他的研究方向是氟元素的化合物。他发现六氟化铂的氧化性能特别强，甚至能氧化氧气，得到六氟合铂酸氧。他看到氧气和氙气的电离电位非常接近，于是突发奇想，是不是可以用六氟化铂去检验一下氙这种传说中的冰美人呢？

他果然获得成功，第一种惰性气体的化合物——六氟合铂酸氙——诞生了。

【第一个得到惰性气体化合物的化学家：巴特莱特。】

在这之后，化学家这些「媒婆」们发现原来惰性气体这些冰美人也并非无孔不入，于是都来撮合其他元素和惰性气体谈婚论嫁。氡、氪、氩的防线轮番被破，截至 1971 年，化学家已经发现了 80 种氙的化合物，原来，在冰美人的外表下，氙元素其实也很「水性杨花」。

氙的氟化物就有二氟化氙、四氟化氙和六氟化氙三种，后来甚至还发现了二氯化氙，但也有质疑表明这其实是氯原子和氙原子依靠范德华力结合在一起，并不是共价键结合的二氯化氙分子。

【四氟化氙晶体。】

将六氟化氙和水反应，就可以得到氙的氧化物三氧化氙。除此之外，还有二氧化氙、四氧化氙。

用二氟化氧和氙反应，可以得到各种各样的氟氧化氙：XeOF2, XeOF4, XeO2F2, XeO3F2。

氙甚至可以生成有机物，比如[C6F5]2Xe，[C6F5]是氟代苯基。

还有一种奇异的化合物氟锑酸氙：Xe2Sb2F11，其中竟然有 Xe–Xe 键，这是最长的同元素化学键。

氙是惰性气体，金是不活跃的金属，但氙的冰冷竟然让金也动了凡心，金和氙竟然可以形成四氙合金离子。

【四氙合金离子。】

氙元素还有一件小轶事，1989 年，IBM 公司的科学家们展示了一种移动原子的技术，用扫描隧道显微镜将 35 个氙原子在镍晶体表面排布成 IBM 的名称。「氙」元素见证了纳米技术的诞生！

其实，「奇异」的氙元素魅力远不止如此，下面我们继续看看它如何帮助我们走向太空。

【35 个氙原子排列成 IBM。】

在「液氧」的篇章里，我们介绍了火箭技术的成长史，目前大多数火箭依靠液氧煤油、液氧液氢或者四氧化二氮 + 偏二甲肼。但要这种技术如果应用到未来漫长的太空航行，则相当于背着一个巨大的水袋去跑马拉松。

有一个衡量发动机的重要参数：比冲，它指的是发动机单位重量推进剂产生的冲量，又称比推力，单位是秒。化学火箭的推进剂的比冲大约在 200-500 秒，对于需要长期在太空工作的航行器来说，这个数字太小了。然而，从化学能角度来说，目前的化学燃料已接近极限了，需要有新的思路。

【目前火箭的推进工质主要是化学燃料。】

1911 年，俄国科学家齐奥尔科夫斯基提出了离子推进器的概念，原理是：将工质气体进行离子化，在静电场的作用下加速喷出，产生推力。

1923 年，现代航天学的奠基人奥伯特在他那影响冯 * 布劳恩和钱学森的巨著——《通向航天之路》中也提到了这种离子推进器，他大胆预言，由于离子推进器可以有效节省重量，必将成为未来航天器推进、变轨的利器。

【纪念现代航天之父奥伯特的邮票。】

1965 年，第一个离子推进器在美国的 SERT-Ⅰ空间飞行试验中崭露头角，它的工质是汞。

汞有毒，溅射到卫星的热控材料和太阳电池表面会使它们的性能变差；后来也有用铯做工质，但铯的化学活性也太强，不宜存放。最终，人们选择了氙。

【1964 年 1 月，美国展示的第一代离子推进器。】

氙的化学性质很稳定，储存方便，也很容易被离子化。在氙离子推进器里，用电子将氙原子核周围的部分电子击开，使得氙原子被电离，带上正电的氙离子在静电场的加速下从尾部喷射而出，形成一道神秘而柔和的蓝白色离子火焰。众多科幻作品中，我们常常看到宇宙飞船喷射出蓝白色火焰，可以想象这些很可能是氙离子推进器。

【氙离子推进器的机理：在中间蓝色箱体内，氙气被电子轰击，变成带正电的氙离子，受静电力作用，从尾部喷射而出。】

其实，没等到科幻，现在的氙离子推进器已经开始建功立业了。

1998 年发射升空的美国深空 -1 号飞行器第一次使用了 NSTAR 氙离子推进器作为主推进器，它携带 82 公斤氙，比冲达到 1000-3000 秒，较之前传统的化学火箭发动机高了一个数量级。虽然它在启动后 4.5 分钟后就遇到了故障，在重启之后却表现优异。可惜的是，2001 年 12 月关闭之后，2002 年 3 月重启未能成功，深空 -1 号只能成为一颗环绕太阳的人造卫星，也许直到永远。

深空 -1 号这三年的持续工作还告诉我们一个宝贵经验，氙离子推进器对宇宙飞船里的其他设备没有任何干扰和影响，从此以后，氙离子推进器更受航天事业的青睐。

【深空 -1 号飞行器，目标是一颗小行星和彗星，已经完成使命。尾部的蓝色火焰来自氙离子推进器。】

这里需要提到，氙离子推进器的比冲很大，但这并不意味着它会像一些科幻电影里表现的那样，会产生超级推力，让飞船一下子以很大的加速度开始运动。相反，它却是很温和的，难以想象的温和。深空 -1 号里的氙离子推进器的推力只有 92 毫牛，比地球上一张纸的压力还要轻，几乎令人感觉不到。但它却是在一直工作，经过足够长的时间，飞行器就可以获得足够的速度进入轨道。

所以，比冲和推力是两个概念，在漫长的太空航行中，我们需要的不是「其疾如风」，而是「其徐如林」！

【喷气式飞机的比冲大约 300 秒，固体火箭是 250 秒，双组份液体火箭是 450 秒，离子推进器达到 3000 秒，后面我们将介绍未来新一代的 VASIMR 离子推进器，比冲将达到 30000 秒。】

2007 年发射升空的黎明号航天探测器也使用了这一技术。它的目标是位于木星与火星之间的小行星带，重点考察两颗小行星：灶神星和谷神星。为了完成任务，它携带了三台氙离子推进器和 425 公斤氙，比冲达到 3100 秒。

【黎明号航天探测器。】

经过 4 年的漫长航行，2011 年 7 月 16 日，黎明号抵达灶神星的引力范围，开始使用马力强劲的氙离子推进器进行变轨，成为灶神星的一颗卫星。一年以后，2012 年 9 月 5 日，黎明号再次变轨，离开灶神星前往下一站。

【黎明号的轨迹图，2007 年从地球出发（绿色轨道为地球轨道），2009 年 2 月借助火星（Mars，红色轨道）的引力加速，2011 年到达灶神星（Vesta，深绿色轨道），2015 年到达谷神星（Ceres，紫色轨道）。】

又是两年半的漫长旅行，2015 年 3 月 6 日，经过一系列的精准调控，黎明号终于到达谷神星，成为第一个环绕两颗不同天体运行的探测器。可以想象，没有轻巧的氙离子推进器，使用传统的化学燃料不可能完成这样的壮举。

2017 年 2 月，黎明号在谷神星上发现有机分子，看来，宇宙还有太多未解之谜等待我们去发掘。

【2017 年 9 月 20 日，黎明号拍摄的谷神星高清全貌，连同早先发现的有机分子，正中发亮的白点也引起广泛猜测，谷神星这颗普通的小行星就有如此多的奥秘，我们还有什么理由不对广袤无垠的宇宙产生兴趣？】

在不远的将来，最有希望成为更远外太空旅行飞船推进器的是 VASIMR 等离子火箭（可变比冲磁等离子体火箭），它最早由华裔航天员张福林于上世纪 70 年代提出，它不依靠静电场加速离子，而是先将推进剂（氩或氙）加热到 100 万度，将它们变成离子，再将它们压缩进一个回旋加速器中，这些离子受磁场的洛伦兹力而转圈，调整磁场的方向和频率，给离子不断加速，最终以极大的速度从尾部喷出。