“輕”氣球是很多孩子喜歡的玩具。公園里,總能看見爸爸媽媽們小心翼翼地把“輕”氣球的繩子系在孩子的手腕上。趕上逢年過節(jié),人們還喜歡放飛氣球,看起來特別有節(jié)日氣氛。
“輕”氣球?yàn)槭裁茨茱w起來呢?原因當(dāng)然是它所受到的空氣浮力比所受到的重力大。中學(xué)物理知識(shí)告訴我們:空氣浮力(F浮)等于空氣平均密度(ρ空氣)×比例系數(shù)g×物體體積(V)。而如果我們?cè)跉馇蛑泄酀M某種氣體,那么這團(tuán)氣體所受的重力G會(huì)等于該氣體的平均密度(ρ氣體)×氣體體積(V)×比例系數(shù)g。
觀察這兩個(gè)式子:
F浮=ρ空氣×g×V
G =ρ氣體×V×g
顯然,只要這團(tuán)氣體的密度比空氣的密度?。?rho;氣體<ρ空氣),那么它所受到的空氣浮力就會(huì)比它的重力大。如果浮力大到,氣體的重力加上氣球本身的重力都無法與之抗衡了,也就是空氣浮力大于整個(gè)氣球的重力了,氣球自然就會(huì)升起來。
所以,讓氣球飛起來的秘訣,就是給它灌滿比空氣密度小的氣體。氫氣的密度就很小,過去有一段時(shí)間人們就用它來填充氣球;但氫氣是個(gè)“暴脾氣”,一言不合就會(huì)燃燒甚至爆炸。給孩子玩的氣球,用氫氣顯然不合適,我們需要更穩(wěn)定、更安全的“輕”氣體。
氦氣就很合適。它是除了氫氣以外密度最小的氣體,密度遠(yuǎn)小于空氣,而且還是一種“沒脾氣”的惰性氣體,很安全。
惰性氣體是一些無色、無味且很難發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的單原子氣體,除了氦氣以外還有氖氣、氬氣、氪氣、氙氣、氡氣等。由于它們很難跟其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),它們自然就很難燃燒起來——畢竟燃燒也是化學(xué)反應(yīng)。不過,惰性氣體中只有氦氣的密度明顯比空氣密度小,所以就只有它適合充氣球。
今天,我們看到的會(huì)飛的“輕”氣球里填充的大都是氦氣。但除了充氣球,氦氣還有很多重要的用途,比如說,氦在極低溫下會(huì)液化,而液氦的用處非常多,醫(yī)院里的很多高級(jí)檢查設(shè)備,都要靠液氦才能正常工作。再比如說,深海作業(yè)使用的潛水氣瓶里也必須用少量氦氣用取代氮?dú)?,以免潛水員發(fā)生“氮醉”而出現(xiàn)危險(xiǎn)。氦氣還是光纖制造過程中最常用的冷卻氣體。如果缺少氦氣,我們生活顯然會(huì)出大問題。
氦氣球是如此的常見和便宜,以至于咱們平時(shí)幾乎不太會(huì)去思考,這些氦氣是從哪來的,會(huì)不會(huì)有用完的一天。但危機(jī)就在眼前了。
舉個(gè)例子吧,近年在日本東京的迪士尼樂園,人們經(jīng)常找不到飄在空中的氣球——想想看,一座迪士尼樂園,竟然常常遭遇氣球缺貨。出現(xiàn)這種情況,正是因?yàn)槿毡镜暮獠粔蛴?,連正常的科研或者工業(yè)用途都難以滿足,更別說給大家充氣球玩兒了。而且不單單是日本,從整個(gè)世界的范圍來看,氦氣都不太夠了。
氦是全宇宙當(dāng)中最多的元素之一,但在地球上,氦氣并不是什么取之不盡、用之不竭的東西。事實(shí)上,我們想要得到氦氣是非常不容易的。
首先,氦氣是由一個(gè)一個(gè)的氦原子組成的,換句話說,它是一種純的化學(xué)元素,所以不存在廉價(jià)人工合成的辦法,必須從自然界提取。
第二,由于氦氣太輕了,地球的引力拉不住它,所以大氣層里的氦氣都跑到外太空去了。咱們無法從大氣層里提取氦氣,就只能從地下開采氦氣。
藏在地下的氦氣,都是混在天然氣礦里的,所以咱們很難直接去尋找氦氣礦藏,只能先找天然氣,再看看天然氣里有沒有足夠的氦。這效率肯定不會(huì)高。
而且,氦氣資源在全世界的分布并不均勻,其中美國(guó)的氦氣礦藏占全球的50%以上,再加上阿爾及利亞、俄羅斯兩國(guó),這三個(gè)國(guó)家的資源占有率就達(dá)全球的90%以上。所以,全世界本來也只有少數(shù)國(guó)家能生產(chǎn)氦氣,這兩年因?yàn)榉N種原因,很多工廠又都停工了,就導(dǎo)致現(xiàn)在全世界都面臨著氦氣短缺問題。
美國(guó)作為氦氣生產(chǎn)大國(guó),他們的國(guó)家氣象局(National Weather Service)在今年6月都不得不減少發(fā)射預(yù)報(bào)天氣的探空氣球。他們的發(fā)言人說:“我們減少在晴朗天氣的發(fā)射次數(shù),以節(jié)省供應(yīng),好在需要預(yù)報(bào)惡劣天氣的情況下發(fā)射,提供支援。”
對(duì)此,有科學(xué)家就呼吁說,游樂園的氦氣還是不要再用了吧。畢竟,地球上的氦氣是有限的,用一點(diǎn)就少一點(diǎn)。比起玩具“輕”氣球,還是探空氣球、醫(yī)療設(shè)備、光纖和電子管、潛水氣瓶和潛水艇等等更需要氦氣呀。