2 He 氦 孤家寡人

氦是元素周期表的壁花[1]。大多數(shù)元素都會相互作用形成化合物，只是元素的活躍度各不相同。但氦與其他任何元素，甚至是其本身都不會發(fā)生反應(yīng)。有些元素在誕生后就會自發(fā)衰變成其他元素，以至于它們存在的時間還不足以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但氦從宇宙誕生之日起就存在了，宇宙大爆炸后30萬年左右，熾熱的物質(zhì)和能量冷卻下來，凝結(jié)而成的物質(zhì)中就有氦。即使宇宙給了這么長時間，在數(shù)十億年甚至更長的年代里，這些氦原子仍然形單影只，從未與其他原子生成過化學(xué)鍵[2]。

氦在第八主族——稀有氣體元素中居于首位。說它們是“稀有氣體”，似乎給了它們一種自命不凡的優(yōu)越感，但有些名不副實，因為它們并不稀有。它們還有一個名字叫作“惰性氣體”，因為它們很不喜歡跟其他元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。但氦并不是真的懶惰，它并不是輕視其他元素，而是因為自己孑然一身就很滿足，所以沒必要跟其他元素出雙入對。

在你的生日氣球里，就有大約99.9998%的物質(zhì)是氦。氦原子里有兩個質(zhì)子，另外還有兩個中子，幫助這兩個質(zhì)子結(jié)合起來，形成原子核。核外有兩個電子繞核旋轉(zhuǎn)，填滿了s電子層，這正是氦原子如此“自滿”的原因。

所有原子的電子都位于原子核外的電子殼層里，每個電子“坐”在哪里有嚴(yán)格的規(guī)定。就像老師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入禮堂一樣，電子從最里面開始填充，首先占據(jù)最靠近原子核的殼層，然后向外擴(kuò)展，在電子開始占據(jù)下一個殼層之前，必須把上一個殼層填滿，保證沒有空隙，但也不能過度填充。一個完美填充的殼層比凌亂或者過度填充的殼層在美學(xué)上更加令人愉悅，從化學(xué)角度說，叫作“在能量上更穩(wěn)定”。

殼層未填滿的原子會想方設(shè)法貢獻(xiàn)出多余的電子，或者竊取或共享其他原子的電子，來填補(bǔ)自身殼層里的空隙。這就是化學(xué)反應(yīng)的實質(zhì)：試圖與其他原子成鍵來實現(xiàn)最穩(wěn)定的電子排列。

第一殼層離原子核很近，“座位”也是最少的，只能容納兩個電子。氦是二號元素，恰好有兩個電子，因此，氦有一個完美的第一層，增加或減少一個電子都會破壞這種完美。需要極大的能量，比如高溫或高壓，才能將這些電子從舒適的位置挪出來，這可比化學(xué)反應(yīng)所能提供的能量高多了。人們一般認(rèn)為不存在氦的化合物。它很少與其他原子互動，也就意味著它的存在很難被注意到。氦在地球上非常不活躍，很晚才被人類發(fā)現(xiàn)，這并不奇怪。實際上，當(dāng)有人注視太陽的時候，氦才偶然被發(fā)現(xiàn)。

1868年，天文學(xué)家皮埃爾·朱爾斯·讓森為了觀測日食跋涉了半個地球。在印度東部貢土爾(Guntur)的一座信號塔的頂端，他安裝了一臺分光鏡，這臺儀器可以將光線的顏色分解成極其精細(xì)的彩虹狀光譜。這種光譜來自原子中的電子，這些電子吸收了能量，從它們的常規(guī)殼層中跳到更高能量的能級，然后再回落到它們原來舒適的位置，同時釋放出它們之前吸收的能量，這就是我們眼中五顏六色的光。每個元素的殼層階梯高度略有不同，所以它們發(fā)出的光線也有所不同，最終形成了一個顏色鮮艷的條形碼——光譜，每種元素都有其獨(dú)特的光譜。在讓森記錄的太陽光譜中，出現(xiàn)了一條亮黃色的光譜，跟當(dāng)時已知的任何元素都不對應(yīng)，但他沒有在意。

幾個月后，另一位科學(xué)家諾曼·洛克耶也對太陽進(jìn)行了類似的觀察，他沒有像讓森那樣繞道大半個地球，而是在自己的花園里。他觀察到同樣的亮黃色光譜，卻沒有已知的元素能夠?qū)?yīng)。因此，洛克耶宣稱太陽上存在一種新元素，并將其命名為氦(helium)，以希臘太陽神(helios)的名字命名，他認(rèn)為這種元素可能不存在于地球上。盡管讓森的觀察記錄可以佐證，但在當(dāng)時，大多數(shù)人都對這個神奇的發(fā)現(xiàn)嗤之以鼻——誰聽說過外星元素？但到了1895年，人們在地球上找到了氦，它被囚禁在一種釔鈾礦里，最終被威廉姆·拉姆塞用分光鏡發(fā)現(xiàn)。

[1]　Walllower，指舞場里無人邀請的孤獨(dú)者。

[2]　2017年，一個多國科研團(tuán)隊成功合成了Na2He，相關(guān)成果發(fā)表于當(dāng)年的《自然科學(xué)》(Nature Chemistry)上。