稀有气体发展史（稀有气体都有哪些应用）

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）。

图1.稀有气体在空气中的含量分布图（来源于搜狐网）

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。

图2.氦氖激光器（来源于微博）

图3.氦氖激光器结构（来源于搜狐网）

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。

图4.城市夜景（来源于百度百科）

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。

图5.稀有气体在高电压下发出的光（来源于知乎）

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”。

图6.潜水图片（来源于新浪网）

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。

二、结语

稀有气体虽然含量很少，但用途十分广泛，文章中所列举的稀有气体用途只是凤毛麟角，实际上在各行各业都可以探寻到稀有气体的用途，不仅仅是稀有气体，在现代社会，化学通过自身的快速发展，渗透并带动着相关的新材料、新能源、环境科学、生命科学等领域取得了令人瞩目的发展成果。因此，作为化学科研者，应该不断探索，为国家科技的发展和人们生活水平的提高做出贡献。

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