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稀有气体的用途有什么?

稀有气体顾名思义,一是稀有,二是气体,因为在空气中含量极其微弱,如图1所示,又都是气体,因此称为稀有气体,也称为惰性气体、贵气体。稀有气体都是无色、无味的气体,一共有7种,依次为:氦气(He)、氖气(Ne)、氩气(Ar)、氪气(Kr)、氙气(Xe)、氡气(Rn)、(气奥)(Og)。

机会总是留给有准备的人,果不其然,氦元素的发现充满偶然性,氦元素是元素周期表中第一个在地球之外被发现的元素。1868年,法国天文学家皮埃尔·让森(Pierre Jules César Janssen)观察日全食,这时候不出意外就该出意外了,让森注意到利用分光镜观察日珥发现一条黄色谱线,接近钠黄光的D1(589.6nm)和D2(589.0nm)线,日蚀后,他同样在太阳光谱中观察到这条黄线,称为D3线,位置在587.49nm。

不同的光谱线是由不同的元素所发射的,科学家也是因此来区分不同元素,而这条黄色光谱线不属于目前已知的元素。后来爱德华·弗兰克兰证实让森的结果,并命名该元素为“氦”,来自希腊文helios(太阳)。

随着科学家们不断探索,在二十年后,科学家拉姆塞在钻探铀矿中发现氦气,这也是人们第一次在地球上发现氦,随后的几十年,拉姆塞依次发现了其他四种稀有元素,分别为氖、氩、氪、氙。因此拉姆塞也有“稀有气体之父”的美誉。

气奥是元素周期表的最后一个缺口,是人类合成的最重元素,对第七周期元素和第18族的稀有气体元素具有重要意义,其命名为Og是为了为向超重元素合成先驱者、俄罗斯物理学家尤里·奥加涅相(Oganesson)致敬。

气奥具放射性,其原子十分不稳定,半衰期短,其性质不可避免地必须来自精确的相对论量子理论。非相对论极限表明,Og是液体或气体在室温下熔化温度≈220K,预期一个典型的稀有气体元素,相对论效应将固液相变约100K,由于相对论性因素,它在标准状况下会是固体。

一、稀有气体的应用

(1)气体激光器

氦氖激光器(Helium-neongaslaser)是研制成功的第一种气体激光器,如图2所示,也是最常用的一种,是以中性原子气体氦和氖作为工作物质的气体激光器。氦氖激光器的结构大体可以分为三部分,放电管、谐振腔和激发的电源,如图3所示

当电磁场频率与双能级原子的跃迁频率相同而产生共振时,处于上能级的原子发生受激辐射,即发射出一个光子并跃迁到下能级,在这过程中所产生的辐射场与其他的原子也是共振的,于是这些原子又会产生受激辐射,即这种雪崩式的受激辐射就会产生激光。

因为氦氖激光器制造方便、价格便宜、可靠性强、使用寿命长等特点,所以用途十分广泛。在医疗上,通过氦氖激光治疗,可以帮助机体清除炎症,并且扩张局部血管,达到止痛的效果,如治疗皮肤病、风湿性关节炎、肺炎、激光手术等。同时氦氖激光器在工农业生产、科研和教学等方面的应用也日趋广泛,尤其在流体的流速流量测量、精密计量、全息照相和准直导向等方面表现着主要作用。

(2)电光源

霓虹灯是应用最广泛的电光源,当夜晚来临时,五彩斑斓的霓虹灯把城市粉饰得熠熠生辉,如图4所示。

霓虹灯是充有稀薄氖气或其他稀有气体的通电玻璃管,是一种冷阴极气体放电灯。霓虹灯管是一个两端有电极的密封玻璃管,其中填充了一些低气压的气体。由于管内的气体是由无数分子构成的,在正常状态下分子与原子呈中性。在高电压作用下,少量自由电子向阳极运动,气体分子的急剧游离激发电子加速运动,使管内气体导电,发出色彩的辉光。管内的气体决定光颜色的不同,如图5所示。

将灯管中充入不同稀有气体混合,就可以得到五颜六色的霓虹灯,氖灯发出橙红色光,若充入不同气体会显示不同颜色,比如二氧化碳(白光)、氦气(粉红色光)、汞蒸气(蓝光)、氢气(红光)等。稀有气体能制成不同电光源应用在生活,如氪灯具有极强的穿透力,可用于机场跑道、港口和车站灯标等;氙灯的发光强度较强,照射距离远,常用在导航灯、探照灯等;把氪气与氙气混合,常用在高强度和短曝光的频闪灯。

(3)人造空气

当我们看到潜水员拿着的氧气瓶,想着里面装着的应该是普通空气,如图6所示,而事实是氧气瓶里装的是“人造空气”。当潜水员潜入深海时,吸入人体的空气中含有较多氮气,随着深海压力的加深大量地溶解在血液里,当潜水员出海时,压力猛然下降,在深海处血液溶解的氮气都往外跑,造成血管堵塞,引起“潜水病”。

因此,科学家想到了难溶于水的氦气。实验测得:在0℃时,每100体积的水中大约仅能溶解1体积的氦气。人体血液的90%都是水,按照一个人的总血量计算,相同条件下溶解在血液中的氦气也是很少的。

科学家把氦气和氧气按一定比例混合,便制成了这种特殊的空气——“人造空气”,并把这种空气装入钢瓶中,专门供潜水员潜入深海作业呼吸时使用,以避免“潜水病”。其次,“人造空气”使用氦气代替了氮气,其密度大幅度减小,仅有普通空气密度的1/3,因此呼吸“人造空气”比呼吸普通空气要轻松得多,可以减轻潜水员的呼吸困难。

(4)其他应用

稀有气体不与大多数物质发生化学反应,可以用作保护气。比如焊接精密零件或镁、铝等活泼金属时用稀有气体来隔绝空气,以及制造半导体晶体管的过程中,常用氩气作保护气。氙气的分子量大,其能溶解在细胞质的油脂中,促使细胞膨胀和麻醉,而暂时停止神经末梢传送,达到麻醉效果。

氙气作为一种理想的麻醉剂,与其他麻醉剂相比状态稳定,具有无毒无害、快速诱导、器官保护等优势。由此可见,氙气在医学上有着良好的应用前景。在所有气体中,氦气是最难液化的,其沸点是-269℃,由此可利用液态氦得到接近绝对零度(-273.15℃)的超低温。氦气作为第二轻的气体,性质稳定,不燃烧也不支持燃烧,可以代替氢气装入在飞艇中,保障飞艇的安全性。


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