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從宇宙到地球：氦同位素在地球科學中的奇妙應用
地球上的“稀有珍品氦元素”背后隱藏著怎樣的科學奧秘？
引言：浩瀚宇宙中，各種元素不斷誕生和消亡，其中有一類元素自發現以來就備受關注，這就是稀有氣體。提到稀有氣體，大家可能首先想到的是：元素周期表中第ⅧA族元素，即：氦（He）、氖（Ne）、氬（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe），它們在自然界中非常稀有，不會與其他物質發生反應，又叫惰性氣體等。但你有沒有想過，為什么有的稀有氣體在地球上非常稀少，而在宇宙中卻非常普遍？你知道科學家是如何利用稀有氣體同位素揭示地球演化歷史嗎？稀有氣體同位素比值測量是如何實現？稀有氣體又有哪些應用領域？人類如何獲取這些珍貴的氣體呢？其實每一種稀有氣體都隱藏著神奇奧秘，相信你也好奇了吧！那就讓我們一起走進稀有氣體地球化學的神秘世界，本文我們將共同探討氦同位素地球化學的奧秘！
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1. 氦元素：地球上的“稀有珍品”背后隱藏著怎樣的宇宙秘密？
? ?氦的來歷可以追溯到大約138億年前的宇宙大爆炸。在這個時候，宇宙中只有兩種元素，即氫和少量的氦。這些元素在宇宙空間中被引力聚集在一起形成恒星和星系。當恒星在它們的核心中燃燒氫時，會產生高溫和高壓的環境，這使得氫原子融合成氦原子。在恒星死亡并經歷爆炸時，它們會釋放出大量的氦和其他元素到宇宙空間中。
?放眼整個宇宙，按質量計，“氦”能夠占足足23%，但是在地球大氣層中，氦的濃度十分低，只有體積比百萬分之5.2（5.2ppmv）。這是因為氦的原子量比較小，它的分子速度比大氣層中其他氣體的速度要快，這使得它容易從地球大氣層中逸出。
? 另外，氦氣也是一種非常穩定的氣體，它不易被地球大氣層中的其他氣體化學反應所吸附或轉化，這也導致它不會在大氣層中積聚。相比之下，氫元素雖然更輕，但它可以形成化合物，比如與氧結合形成水，與碳結合形成各種碳氫化合物，所以地球上的氫元素含量較高。
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圖2. 干空氣是由氮氣、氧氣、氬氣和其他幾種少量的氣體組成的混合物
2. 氦同位素比值，探索地球深處的秘密
? ?由于地球上氦-3和氦-4有不同的來源，因此，不同來源的氦氣的3He/4He比值存在顯著差異，因此，通過分析從地球深處升至地表的氦氣中3He/4He的比值，科學家可以了解地球深處的物質組成和運動情況，例如地殼運動、巖石的熱和化學歷史，以及地球演化歷史等。原始的氦，比如來自太陽系物質的氦，其3He/4He比值通常較高。這是因為在宇宙形成時，氦的同位素比例被固定下來，因此可以用其來判斷太陽系物質的起源和演化。放射性成因的氦氣，如地殼中的氦氣，其3He/4He比值通常較低，約為10^-8到10^-7之間。這是因為地殼內部產生的氦氣主要是來自放射性衰變的4He，而放射性同位素的衰變會導致氦同位素比例發生變化。
3. 如何利用氦同位素比值研究地球內部的物質演化和循環？
? ?科學家可以對不同地區來自地幔的樣品中進行氦同位素比值的測量，進而研究地幔物質的來源和演化歷史。如果一個地區的氦同位素比值比平均水平高，那么可能表示該地區測試樣品來自較原始的地幔物質；反之，如果比值較低，那么可能表示該樣品所代表的具體地區經歷了較多的物質混合和再循環作用。
? ?例如，在夏威夷島上，火山巖石中的氦氣同位素比值竟然高達大氣水平的40倍甚至更高，表明夏威夷島的火山巖漿可能是來自地球深層、原始或獨特的地幔物質，并形成獨特的火山巖（科學家稱其為“熱點”）。在大西洋的洋中脊上，海底玄武巖中的氦氣同位素比值只有大氣水平的8倍，可能表示大西洋洋中脊來自一個相對較淺的層位、并伴有混合，或者普通的地幔源頭。
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圖3 利用3He/4 He和40 Ar/ 36Ar比值來演示地幔物質運移和演化
? ?氦同位素連同其他稀有氣體（氖、氬、氪、氙）類似在地球化學研究中的應用已經有了不少進展，但目前仍有很多未知的領域需要我們去探索。例如，科學家仍然不知道地球內部的某些區域的氦同位素組成和分布情況，以及地球演化對它們的影響。此外，氦同位素也可以用于研究地球外的天體，例如太陽系中的行星和隕石，從而更好地理解宇宙的形成和演化過程。氦同位素技術目前廣泛應用于地球科學、宇宙科學和核科學等領域的研究。比如，可以測定巖石、地下水或隕石中的稀有氣體同位素比例，推斷它們的形成年代、來源和演化過程。不同來源的氦有不同的同位素比值，因為它們在地球內部經歷了不同的演化過程。通過測量稀有氣體同位素比值，我們可以探究地球內部的運動和演化，判斷礦床的成因和分布，甚至預測地震和火山噴發的可能性。
作為普通大眾，我們也可以在日常生活中做一些小事來保護氦氣資源。比如少買或不買充滿氦氣的氣球，因為這些氣球一旦飄到空中，就會將寶貴的氦氣釋放到大氣層中，無法回收利用。下次和孩子一起出去時，我們可以嘗試一些更有趣的活動，避免浪費寶貴的氦氣資源。畢竟，氦氣可不是只能用來吹氣球的哦，它還可以讓飛行器升空、讓核磁共振圖掃描更精準、讓射電望遠鏡觀測更清晰。讓我們一起來保護氦氣資源，讓它為科技發展、醫學診斷和空間探索發揮更大的作用吧！
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