新聞中的科學～惰性氣體家族第一名：氦

氣球常被用來烘托歡樂氣氛，但前一陣子東京迪士尼樂園宣布了讓小朋友笑不起來的消息：

因為氦氣供應來源不穩定，將停止販售氣球。原來氣球充什麼氣，也有學問。

清華大學理學院院長、物理系教授古煥球指出，氦氣是惰性氣體家族的第一名，雖是氣體，但因重量比空氣輕，只要一進入大氣，很快就會往上逸散，所以難以從空氣中濃縮出氦氣。

全球氦氣供應短缺，影響較大的是焊接、潛水、醫療和超導體的研究等。

他說，氦氣的最主要來源是天然氣。氦氣在乾燥空氣中的含量平均只有百萬分之五，有些天然氣中測到的氦最高可達7.5%，是空氣中的15000倍，但這種含高量氦的天然氣礦也不多。

氦氣雖然是放射性元素衰變的產物，卻極度不活潑，不和其他元素起作用，所以是測漏儀器愛用的介質。 （路透）

古煥球解釋，天然氣中的氦氣是放射性元素衰變的產物，例如鈾。只有在天然氣礦附近有這些物質，氦氣才能在天然氣中匯集。現在大家用的氦，八成產自美國。

他說明，氦氣有兩種同位素成分：氦3（He-3）及氦4（He-4），前者來自核子彈，幾十年前美蘇冷戰和解，蘇俄拆解不少核子彈，當時的氦3氣體全來自於此，但當後續沒有核彈可拆解，氦3就此斷了供應。

至於氦4，就是天然氣生產的附加品。有趣的是，早些年氦氣的應用較不普遍，美國從天然氣分離出來的氦沒地方用，於是在德州地底挖了洞，把氦氣存進去，但這些設備也需要花成本維護，於是美國國會在1996年要求這些氣體必須處理掉，十多年下來，已賣掉四、五成。

古煥球表示，氦氣的應用，最主要的是利用它的「惰性」，其次則是利用它的「超低溫凝結點」。

舉例來說，氦氧混合氣體被用於在高壓環境的工作，如深水用潛水氣瓶。這是因為在水下時，氮氣會溶解在血液中，但當潛水者上浮時，壓力變小，血中氮氣會形成氣泡，有時會堵塞血管，造成減壓症；但若是使用氦氣，因它的「不活潑」，在血液中的溶解力比氮氣小，但擴散速度是氮氣的2.5倍。所以在潛水氣筒中加入氦，不但可以減少潛水人員減壓時間，也可解決氣泡在體內聚集的問題。

另一個使用氦氣的大宗，是電焊及矽鍺晶片生產，原理就是它的「惰性」可以隔絕氧氣，避免生鏽或出現氧化作用。美國2000年時曾做統計，18%的氦氣是用在焊接，另有16%用作工業保護氣。

此外，有些大氣研究、軍隊偵察、廣告用大氣球、核子反應器的冷卻劑、氣相色譜、超音速風洞的氣體等都會用到氦。

古煥球說，如果地球上沒有氦，多數人的生活不會受到影響。因為潛水混合氣中的氦，可以用氖氣取代，它在高壓下也難溶於水。至於電焊，則可以改用氬氣，而且便宜得多。

但醫院的核磁共振儀若沒有氦氣可用，問題就大了，因為它們就是靠液態氦形成的超低溫環境，讓超導材料產生強磁場。若不能用核磁共振儀，包括腦瘤或內臟病變等的診斷，又會變得棘手。

古煥球表示，缺乏氦氣另一個影響較大的是低溫超導研究。現在已知所有的超導材料都要在攝氏-130度以下，才能表現出超導特性。雖然現在的技術也可以用別的辦法實現低溫，但都不如液氦實惠。

古煥球的實驗工作，也深受氦價節節高升之苦。他說，超導實驗等用的都是高純度的氦氣，一桶6公升、純度99.97%，兩年前是2200元台幣，今年五月是2350元，十月漲到3200元。因為氦氣愈來愈珍貴，實驗室會把用過氦回收，再回賣給氣體業者，這些純度不高的氦氣就可用來為氣球充氣。

這幾年全球石油價格高漲，美國海岸巡防署和太空總署合作研究如何把氦氣飛船擴充成交通工具。 （路透）

現在市售氣球會灌入含氦混合氣，其實是從重大空難事件學得的教訓。

在20世紀初，歐美對於飛行的方式做了許多嘗試，飛船就是其中一種，當時甚至有空運業者發展了奢華版飛艇旅行，有香檳和空姐的服務，當時的飛船是灌入氫氣，當時並不知道太活潑的氫氣，會因氣體混合、丁點火花就造成爆炸。

但在1937年時，德國「興登堡號」飛船在美國降落時，起火爆炸，因當時舉辦了盛大歡迎活動，造成重大傷亡，飛船的發展從此跌入谷底。

歐美國家現在還是可以看到飛船，這些飛船都是使用氦混合氣，大多是用來當飛行廣告看板，少當交通工具。但近幾年因石油價格高漲，包括美國太空總署、美國海岸防衛隊等，又回頭開始研究能否把氦氣飛船應用在大眾運輸工具。

在台灣，近年流行的熱氣球活動，靠的是把空氣加熱才能往上飛，國外有些熱氣飛船也是利用熱氣飛行，和氦氣飛船靠氦氣密度比空氣輕飛行，應用原理不一樣。

國內有些夜店提供笑氣、氦氣讓酒客吸入，

前者號稱會讓酒客覺得HIGH，後者則會讓人變聲，發出像唐老鴨的聲音。

不過專家警告，這些吸氣行為其實都潛藏健康風險。

但為什麼，吸入氦氣後會讓人發出類似唐老鴨的聲音？

耳鼻喉科醫師表示，人的聲音與喉嚨形態及聲帶振動的快慢有關，聲帶振動時，嘴和喉嚨內的空氣會快速運動，配上不同的喉嚨形態就會產生出不同聲音；聲音的高低也與傳播速度有關。

在一般的環境下，聲音的速度是每秒340公尺，但若是氦氣環境下，聲音傳播速度可達每秒900公尺。在氦氣中聲帶比在空氣中振動得快，喉嚨發出聲音的峰值會比正常狀況高2.5倍，聽起來就會像是卡通人物發出的聲音。

醫師警告，若吸入過多氦氣，氦氣會破壞肺部氧氮平衡，會使過多氧氣排出肺部，甚至造成窒息。

至於笑氣，有些人誤以為就是氦氣，其實這是兩種完全不同的氣體。笑氣是氧化亞氮（N2O）的俗稱，通常是當作吸入性麻醉鎮痛劑，醫療使用會混合適量空氣。

氧化亞氮所以被稱笑氣，有一說是，18世紀時即發現這種氣體有讓人放鬆的作用，歐洲的貴族會在宴會上施放，讓參加的來賓有欣快感，所以被稱為笑氣。

但笑氣若吹入太多，可是會讓人笑不出來。醫師表示，如果吸入太多高濃度的笑氣，會造成缺氧，過去即有濫用笑氣，造成發紺、痙攣等現象，就算低濃度，長期使用也可能會形成造血機能障礙等問題。