氦氣，一種稀缺資源，在地球上儲存量十分稀少。由於製取氦氣過程十分繁瑣，因此把氦氣當作是一種稀缺資源。目前，氦氣的應用面十分廣泛，而國防軍工領域對它的需求更是十分迫切。當今世界美國的氦氣儲量第一，曾擁有全球75%的高濃度氦氣儲備，後來隨著飛艇的退役，美國人直接開倉銷售，一段時間內氦氣價格變得十分廉價。不過21世紀以來，氦氣的價格水漲船翻，漲了20倍都不止，而且這一趨勢還在上升，究其源頭就是美國已不在放量供應了。

這裡我們必須要強調的是中國實際上是個缺少氦氣的國家，在過去一段時間裡中國無法從國外進口氦氣，國內僅有一口天然氣井可供提取出可用的氦氣。如果國外禁止出口，國內會受到極大的限制。其中就包括了中國未來航空母艦或其他部分使用的電磁軌道製冷用氦氣，這一個小氣體或許會制約中國未來電磁彈射器能否量產的關鍵因素之一。

而據英國牛津大學科研人員的最新發現，在非洲的東非大裂谷中富有巨量的氦氣田，此舉會極大的改變未來世界高新科技的發展格局，開採出來可能會讓氦氣資源價格再度降低，如果美國先手搶占相關區域不讓開採，那麼美國會繼續主導全球氦氣市場。當英國研究學者的消息剛發布，美國就有議員聯名提案，建議美國派兵搶占這一稀缺資源。

當然，中國是絕對不可能坐視不管的。非洲是中國友好夥伴，尤其是東非大裂谷極大部分都在坦尚尼亞境內。（坦尚尼亞軍隊被稱為「東非解放軍」）在爭搶這一稀缺資源時，中國更不能落後。未來中國高科技領域的成就，比如電磁軌道炮、電磁彈射器等裝備，以及大批量的國防裝備製造都需要這種稀缺的資源。(武器裝備新視野 )

多用途的氣體—氦氣

作者／古煥球（任教清華大學物理系）

在銀河系中，氦僅次於氫（1H，1質子及1 電子），元素質量占24％之多，因此氦元素是1868 年日全蝕時，透過觀測太陽（希臘名helios）之未知的亮黃色發射光譜線（波長為5587.5奈米）才首次被發現，直到1882 年人類才發現地球上的氦元素。首次大量氦氣的製造則是1903 年美國開發西南部天然氣田時，提煉過程產生之副產品，其來源為重放射性元素的自然放射性α衰變（alpha-decay），例如鈾– 238 會衰變成α粒子（氦– 4 原子核）及釷– 234（反應式為238U 4He＋234Th），氦陷於天然氣中形成。美國西南部天然氣田中有高含量氦，約0.3~2.7％。

中國不產氦氣，所需氦氣及液態化之氦（liquid helium, LHe，簡稱液氦）均由氣體公司，如三福氣體公司（Air Products San Fu）、亞東工業氣體公司（Air Liquide Far E a s t e r n ）等子公司從美國母公司（A i r Products, Air Liquide 等）將氦氣液化後，用液氦低溫儲存槽（LHe cryogenic storage tank）以海運方式進口，每年進口約20萬公升液氦，供醫院、工業界及研究單位使用。

氦氣的基本性質

荷蘭物理學家翁內斯（H. K. Onnes）於1908年首度成功的將氦氣液化，氦氣在1大氣壓（1 atm）時之液化溫度為凱氏絕對溫度4.2 度（4.2K ，即攝氏負269 度），他於1911 年利用液態氦冷卻，以測量元素金屬電阻隨溫度之變化時，發現了汞（Hg）金屬在4.2K的超導性（superconductivity）以及超導體（superconductor）的電流在臨界電流（critical current, Ic）以下時，電阻為零、無能量損耗。翁內斯因此二項貢獻於1913年榮獲諾貝爾物理獎。2011 年是超導體發現100 週年，我國在8 月將舉辦新穎超導國際會議（International Conference on Novel Superconductivity）慶祝，此會議為第二十六屆低溫物理國際會議（26th International

Conference on Low Temperature Physics, LT26, Beijing）之隨辦國際會議。

筆者第一次接觸到液氦，是1975 年在美國聖地牙哥加州大學（UCSD）當博士研究生時，當時液氦低溫保持器（cryostat）仍用玻璃杜爾瓶（glass dewar）製造，可以清楚看到無色透明的液氦。但回台灣後，所有液氦均裝在不透明的無磁不銹鋼低溫保持器內（nonmagnetic stainless steel cryostat），再也無法親眼看到液氦。

用玻璃杜爾瓶裝液氦，可以很容易看到2.17 K 相變，將4.2 K 液氦表面蒸汽用真空泵慢慢抽走，液氦就會因蒸發而冷卻，在正常液體相時因熱傳導率（thermal conductivity）有限，液體內部和表面有溫度梯度，蒸發時會看到液體沸騰。但當溫度降到2.17 K 時，液氦相變為「超流相」，熱傳導率變成無限大，液體內部和表面沒有溫度差，透過玻璃可以很清楚看到沸騰消失，非常有趣。

液氦因質量輕，交互作用弱，基態動能（零點能量）大，在1大氣壓時即使冷到絕對溫度零度（0 K）也不會結晶成固體，必需加壓到34 大氣壓才會結晶為固態。其固體有多種不同的晶體結構，這些固態氦因零點能量仍大，稱為量子固體（quantum solid）。

氦氣的用途

氦– 4 氣體（4He gas）質量輕，且為惰性氣體，密度為0.1786 克∕公升 （0℃， 1大氣壓），雖比氫氣重但接觸空氣不會爆炸，可用於填充氣球及氦氣船（airship），不會發生1 9 3 7 年德國興登堡號（Hindenburg）氫氣船爆炸之危險。反觀目前國內仍有業者使用氫氣來填充氣球，這是不安全的。事實上，氣球填充只是氦氣應用之極小部份，氦氣在醫療或工業上均極有價值，氣球填充則通常使用回收之不純氦氣。

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