2 He 氦 4.003
稀有气体 s区 第1周期 第18族

氦

He · 元素2 · 稀有气体

惰性、无重量感且永远在逸散：氦是唯一一种在普通压力下无论冷却到多低都不会冻结的元素。

20°C时的状态 气态
原子量 4.003 u
电子排布1s²
1H 全部 118 种 3Li

结构

氦原子

这不是环上点阵图，而是对每个已占据亚层的实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号，这正是成键成为可能的原因。

轨道云

测量值

属性表

每个条形图显示氦在全部118种元素中该属性所处的位置。

物理

密度 1.78e-4 g/cm³ 1%
熔点 1 K 0%
沸点 4.2 K 0%
比热容 5.193 J/g·K
热导率 0.151 W/m·K 10%

原子

原子半径 31 pm 0%
共价半径 28 pm
范德华半径 140 pm

电子

电负性 —
电离能 2372.6 kJ/mol 100%
电子亲和能 —

存在情况

地壳中的丰度 0.52 mg/kg 48%

身份

符号He
原子序数2
原子量4.0026 u
类别稀有气体
区s
晶体结构六方密堆积
氧化态0
发现1868
发现者Pierre Janssen & Norman Lockyer

来源：IUPAC 2021标准原子量、CRC《化学与物理手册》、NIST。标有~的数值为预测值，而非测量值。

尺寸，按比例显示

氦的原子有多大？

半径31 pm——即0.031 nm，因此大约16.13百万个这样的原子并排起来才有一毫米长。

温度范围

固态、液态、气态——以及转变时机

氦在3 K的范围内呈液态，温度从1 K到4 K。

所在位置

在表中的位置

氦位于第1周期、第18族。 第18族中的所有元素具有相同的最外层电子数，因此它们的性质非常相似。

其他稀有气体

10Ne 18Ar 36Kr 54Xe 86Rn 118Og
所有稀有气体

背后的故事

氦是什么，以及我们如何发现它

太空时代的元素

氦以希腊太阳神赫利俄斯命名，独特之处在于它是唯一一种在地球之前于太空中被发现的元素。1868年日食期间，科学家首次在太阳光谱中探测到氦。氦是宇宙中丰度第二高的元素，却是地球上最稀有的元素之一。

非凡的物理性质

氦具有超出常规经验的显著性质。在正常压力下，氦是唯一一种无法冻结成固态的元素——即使在绝对零度（-273.15°C）下，除非压力超过25个大气压，否则氦仍保持液态。在2.17K时，氦-4会变成黏度为零的超流体，能够向上流动，并通过分子大小的孔隙。

稀有气体特征

氦是元素周期表中的第一种稀有气体，在所有已知条件下都完全呈化学惰性。其电子排布（1s²）代表一个已填满的电子层，使其成为最稳定的元素。自然界中不存在氦化合物，但在实验室条件下已经制备出奇异的氢化氦离子（HeH⁺）。

同位素性质

氦-4（⁴He）：丰度为99.999863%——由放射性元素的α衰变产生

氦-3（³He）：丰度为0.000137%——极其稀有，具有潜力的聚变燃料，每克价值$15,000

用途

氦的用途

高科技应用与用途

🎈 消费与娱乐

  • 派对气球：由于密度比空气低7倍，能够提供升力
  • 改变声音：吸入氦会改变声带共振，产生高音（注意：可能很危险，会导致窒息）
  • 飞艇与软式飞艇：Goodyear软式飞艇使用超过200,000立方英尺的氦，以获得安全且不可燃的升力

🧪 科学与医疗应用

  • MRI磁体：将超导磁体冷却至4.2K（-269°C）——每台MRI设备需要1,500-1,700升
  • 呼吸混合气：氦氧混合气（80%氦，20%氧）用于治疗严重哮喘和减压病
  • 深海潜水：Trimix混合气（氦、氮、氧）可防止在超过30米深处发生氮麻醉
  • 检漏：氦的原子体积小，非常适合查找真空系统和管道中的微小泄漏
  • 色谱法：由于化学惰性和热导率，氦可用作气相色谱中的载气

🚀 航空航天与技术

  • 火箭发动机冷却：SpaceX Falcon 9使用氦为燃料箱加压并冷却发动机
  • 卫星姿态控制：冷气推进器使用加压氦，以精确操控航天器
  • 望远镜冷却：James Webb Space Telescope仪器使用液氦冷却至7K，以进行红外探测
  • 半导体制造：在硅芯片生产和离子注入过程中形成惰性气氛

🔬 研究应用

  • 粒子加速器：Large Hadron Collider使用130吨液氦冷却超导磁体
  • 核研究：氦-3用于中子探测和潜在的聚变反应堆
  • 低温学研究：为量子实验实现接近绝对零度的温度

处理

安全

安全信息与操作

⚠️ 主要危害

单纯窒息性气体——氧气置换危害

  • 窒息风险：浓度超过20%时可能置换氧气
  • 无警示特性：无色、无味——不借助仪器无法察觉
  • 快速扩散：氦比空气轻，会向上升并可能在高处积聚

🛡️ OSHA指南

  • 无规定的允许暴露限值：氦在生理上呈惰性
  • 受限空间规定：受限空间应遵守29 CFR 1910.146
  • 氧气监测：工作区域应保持氧气含量超过19.5%
  • 通风要求：应保持充分通风，防止气体积聚

🧤 个人防护装备

  • 呼吸防护：在低氧环境中使用自给式呼吸器
  • 眼部防护：操作加压系统时佩戴安全眼镜
  • 低温防护：处理液氦时佩戴隔热手套和面罩
  • 服装：穿长袖衣物和长裤，防止皮肤接触冷气体或液体

📦 储存与操作

  • 气瓶：直立存放并固定在通风良好的区域
  • 压力：通常储存在200-300 bar（3000-4500 psi）
  • 温度：保持气瓶温度低于50°C（122°F）
  • 液氦：储存在配有泄压系统的专用杜瓦瓶中
  • 操作：使用适当的起重设备——绝不能滚动或拖拽气瓶

🚨 应急程序

气体泄漏：

  • 立即疏散至新鲜空气处
  • 从上到下对区域进行通风（氦会向上升）
  • 重新进入前监测氧气含量
  • 使用肥皂溶液或超声波探测器检查泄漏

吸入事故：

  • 立即将受害者转移至新鲜空气处
  • 监测呼吸和意识状态
  • 在具备氧气且受过培训的情况下给予氧气
  • 受害者失去意识时呼叫急救服务

低温暴露：

  • 立即使其脱离低温源
  • 用温水逐渐温暖受影响部位
  • 不要揉搓或按摩冻伤组织
  • 严重冻伤应立即就医

⚠️ 特别注意事项

  • 绝不要吸入纯氦：可能导致迅速失去意识
  • 气球警告：多次吸入气球中的氦可能致命
  • 受限空间：使用连续大气监测
  • 压力系统：遵守ASME压力容器规范

快速解答

氦：常见问题

氦是什么？

氦（符号He）是元素周期表中的第2号元素，属于1周期18族的稀有气体。 惰性、无重量感且永远在逸散：氦是唯一一种在普通压力下无论冷却到多低都不会冻结的元素。 在室温下为气态。

氦的电子排布是什么？

氦的基态电子排布为1s²，共有1个已占据的电子层，电子分布为2。 它的最外层有8个电子，这决定了它的成键行为。

氦的熔点和沸点是多少？

氦在1 K（-272.2 °C）熔化，在4.2 K（-268.9 °C）沸腾。

氦的原子量是多少？

氦的标准原子量为4.003 u。这是其自然存在的同位素的加权平均值，因此通常不是整数。

氦的密度是多少？

氦在室温下为气态；在0 °C和1 atm下，其密度约为0.178 g/L，大致比空气轻。

谁发现了氦，是在什么时候？

氦由Pierre Janssen & Norman Lockyer于1868年发现。 它以希腊语helios，意为太阳——在地球上发现它之前，人们先在太阳中发现了它命名。

氦在地球上有多常见？

氦约占地壳的0.52 mg/kg——确实很稀有，因此价格昂贵。

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