有哪些地球上很稀有，在宇宙其他天体却很常见的元素？

幸福侠侣

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前提是：地球上很稀有……
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原文地址：https://www.zhihu.com/question/314665479

继续前进

He啊~它真的特别符合这个条件。
虽然好几位答案里都已经说了He，但因为早就说了要写“He最珍贵”的，还是多啰嗦一点。



自己挖的坑 哭着也要填上

氦（Helium），元素符号为He，元素周期表排名第二，很容易被忽视的位置……其实，氦（He）是一个名副其实的“宝藏男孩”，无论是“想带你去浪漫的土耳其”的热气球填充气体、还是沙巴芭堤雅潜水罐里的气体，都离不开氦气。这些都和氦气本身的特性离不开。



元素周期表排名第二的元素——氦He （来源：视觉中国）

• 来自太阳的神秘588谱线
  

英文中男性第三人称“他”也是He，跟氦一样——这可不是巧合，因为两个He都跟太阳有关。男性自然是阳性，跟太阳有关；氦是从对太阳的研究中发现的。  



法国天文学家Georges Rayet（1839-1906）（图片来源：维基百科）

1868年法国天文学家的杨森（Georges Rayet）利用分光镜观察太阳表面时，发现了新的黄色谱线。这个发现被他的法国同行简森（Pierre Janssen）确证之后写了篇paper提交给法国科学院。与此同时，专业研究太阳的英国科学家洛克耶爵士（Sir Joseph Norman Lockyer）在伦敦也观察到了这条波长为588纳米的谱线。凭借敏锐的洞察力，他推断这是新元素，并以希腊语的Helios（太阳）对其命名为Helium。顺便，这位洛克耶，是《Nature》的创办者和首任编辑。



英国科学家Sir Joseph Norman Lockyer（1836-1920），当时公认的太阳光谱专家，也是He的命名者 （图片来源：大英百科）

看见了，摸不着？这可不行！发现He之后的二十多年里，不同国家的科学家都在想办法从地球上寻找这个元素。1895年春天，苏格兰化学家拉姆西爵士（Sir William Ramsay）从钇铀矿石里首先得到了氦气。当时拉姆西想弄点氩气，他用酸处理矿石后得到些气体，然后他把气体中的氮气和氧气除掉，用光谱法检测剩余的气体，竟然发现了588纳米的谱带。他把这份气体样品交给近水楼台先得月的洛克耶爵士分析，洛克耶确认这就是他命名的He。



苏格兰化学家Sir William Ramsay（1852-1916），曾获1904年诺贝尔化学奖。他是首个发现地球上存在He元素的科学家 （图片来源：维基百科）

差不多相同时间，瑞典一对科研好基友也在研究钇铀矿，克莱夫（Per Teodor Cleve）和兰吉特（Abraham Langlet）一起独立分离了大量高纯度的氦气，并且精确测定了分子量。对了，钇铀矿的英文是cleveite，看来克莱夫命中注定得在He的分离史上记录一笔。   还有个美国人就比较倒霉了。化学家希勒布兰德（William Francis Hillebrand）在研究钠铀矿的时候也得到了氦气，并且还注意到了异常的588纳米谱线。然而他却把谱线归属给了氮气，从而错失氦气分离者的机会。不读文献害死人啊，同志们！当然了，这位希勒布兰德其实也是大牛，家世显赫的他，首次分离了纯铈（Ce，Cerium）。

• 什么？宇宙大爆炸产生了He？
  

细心的小伙伴们一定注意到了，怎么氦气都是从放射性矿物中得到啊？要回答这个问题，就得从氦的特性说起了。 氦是宇宙中第二多也是第二轻的元素，氢是第一多也是第一轻——大约占宇宙总物质的24%。这些氦主要是氦-4，其核子具有比较高的结合能，所以核聚变和放射性衰变都会产生氦-4。从起源上看，绝大部分氦直接产生于宇宙大爆炸的一瞬间，还有少量属于星球核聚变反应的产物，再有少少的一点点来源于放射性α衰变（α粒子就是氦-4的原子核）。正因如此，处理放射性矿物的时候，会得到少量的氦气；还是因为如此，氦气实际上属于不可再生资源。



宇宙大爆炸示意图

虽然在全宇宙中的丰度很高，但地球上的氦气却非常宝贵。同时，由于氦气实在太轻了，地球引力拉不住，一旦被从地壳中释放出来，就会飞快逃逸到太空里。这样只出不进又无法再生，更令地球上的氦显得弥足珍贵。

• 元素周期兄弟中最高(duo)冷(xing)的大哥
  

好像该聊聊氦的化学性质。
作为惰性气体排名第一的带头大哥，氦相当高(duo)冷(xing)，是所有已知元素中最不活泼的。原因很简单，因为氦原子实在太小了，原子核到稳定电子层的距离非常短，所以氦拥有最大的电离能和零亲和能，电子得失极不容易发生。没有得失心，那就自然稳如泰山喽～大家要向氦多多学习。   凭借范德华力，氦能形成一些短命的化合物，比如LiHe和He2。如果考虑到带电粒子，HeH⁺可是目前人类已知的最强酸，可惜这里的氦只能以离子形式存在。



南开大学王慧田、周向锋团队合成Na₂He的论文发表在《自然·化学》上

2017年2月6日，中国南开大学的王慧田、周向锋团队及其合作者在《自然·化学》上发表了有关在高压条件下合成氦钠化合物——Na₂He的论文，结束了氦元素无稳定化合物的历史，标志着我国在稀有气体化学领域走到了最前沿。他们在110万倍大气压下得到了该化合物，并且用单晶衍射证明其结构。该工作证实了高压下He会具有弱的化学活性能够与在高压下还原性显著增强的Na形成化合物。

• 低温凝固？不存在的
  

其实，用低冷来形容氦恐怕更加合适。
氦的沸点是所有人类已知物质中最低的，所以常常被用来制造超低温环境。靠氦的帮助来研究低温下不同物质的性质，就产生了物理学的新分支——低温物理学。   不跑题，咱只说说氦的低温性质。   对氦的超低温研究追溯到一百多年前。1907年德国物理学家海克·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）把氦气一直冷至不到1 K（低于零下272.15℃），得到了液氦——还买一赠一：在氦沸点4.22 K到2.18 K之间，液氦是看上去正常的无色液体氦 I，跟其他低温液体比如液氮一样，此时的液氦遇热也会沸腾冒泡；温度更低的时候，液氦就变成另一种形态——氦 II。



液氮工作温度范围 （图片来源：http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu）

氦 II有一些好玩的性质。首先它遇热不再沸腾，而是直接从表面蒸发。这是因为氦 II的导热性是人类已知物质中最强的。一般物体的导热依靠的是价电子，氦 II压根儿没这玩意儿，在量子机制下，热流只能以波的形式在其中传导，类似于声波在空气中的传播。所以这种现象也叫第二声音（second sound）。



流体He （图片来源：维基百科）

超流体（superfluid）恐怕是氦 II最广为人知的标签了——除了低温之外。氦 II的黏度为零，很惯性地想，氦 II可以流动通过极细孔径的管道。海克在一百年前还发现超流体氦 II的另一个现象：把一个小玻璃杯按在氦Ⅱ中。玻璃杯由空的渐渐装满了。把这个盛着液态氦的小玻璃杯提出来，挂在半空时，玻璃杯底下出现了液氦，不一会，杯中的液态氦就“漏”光了——这就是超流体的超流动性（superfluidity）。   液氦这么有趣，是不是固氦会更好玩啊？对这个问题，海克也特别想知道，尽管后来拿到诺奖，但很可惜，他没能拿到固氦。这不能怪他手艺不精，到目前为止，在人类能达到的极限低温0.000001 K下，常压氦仍然是液体。幸亏海克有个好学生基萨摩（Willem Hendrik Keesom），小伙在1926年给低温液氦加上压力，终于拿到了1立方厘米的固氦。学术薪火相传，可喜可叹！

• 超低温下大显身手
  

聊了半天，氦到底有什么用啊？ 氦的化学性质很不活泼，所以对它的利用，都是应用其物理性质。氦很轻，又惰性，可以用来填充气球和飞艇，安全可靠；惰性气体都可以用来填充霓虹灯管，氦也不例外；各种需要保护气的地方，氦也能大显身手；还有，氦气是人类已知在水中溶解性最差的气体，可以用来加到潜水员的氧气罐里代替氮气，防止减压病；……当然，如今利用最多的，还是液氦。



液氦为核磁共振提供超低温工作环境 （图源：视觉中国）

咱们前面提到过液氦带来的低温物理学，这门学问的一大分支就是研究超导。依靠液氦提供的超导环境，其最大用途是支持医学成像产业，特别是磁共振成像MRI，以及化学生物材料方面的高端分析。这些分析手段在技术上都需要非常强的磁场，一般导体在高电流下产生强磁场是无法实现的，而超导体对电子的流动没有阻力，有能力产生巨大的磁场，从而实现高分辨率的成像。如果没有液氦提供的低达4.2K的超低温度，超导体就不可能产生。（相关链接：人类的超导发现史）   最近几十年，医疗技术飞速提高，科研手段也日新月异，全世界对核磁共振的需求呈指数级增加。相应的，对液氦的需求也暴增。然而氦气的开采却产能不足，人类在疯狂吃老本。2016年中的数据显示，氦的全球消耗量大约是每年80亿立方英尺，但在全球氦气的最大供应国美国，现有的国家储备仅剩下242亿立方英尺。美国探明的总储量也只有大约1530亿立方英尺。氦气的短缺，比石油短缺来的还会快。更让人心忧的是，氦气几乎是无法替代的。

• 到月球去——踏上寻找氦气之旅
  

氦在热核物理方面还存在理论上非常巨大的应用前景。当温度达到1亿K时，氦就被“点燃”：三个氦原子核聚合成一个碳原子核；生成的碳原子核又可吸收一个氦原子核，变为氧原子核：氧原子核还可吸收一个氦原子核，生成氖原子核，不过发生这一反应的概率很低；氖原子核进一步吸收氦原子核的概率就更低至忽略不计。  太阳上的氢被消耗完后，核心将发生坍缩导致温度上升，当核心的温度达到1亿K时，氦聚变将开始进行并生成大量碳。由于此时的氦核心已经相当于一个小型“白矮星”（电子简并态），热失控的氦聚变将导致氦闪。贺岁档大热影片《流浪地球》的原著小说里，基础设定就是人类面临太阳氦闪。当然，太阳真正氦闪得要等至少60亿年，小说里显然把这个时间提前了。



2019年贺岁档影片《流浪地球》中人类面临太阳氦闪

五十年又五十年，可控核聚变的应用已经成为核物理领域的老段子。其技术难点之一就是氢核氘氚的聚变虽然原料便宜，但是会产生大量高能中子，对反应装置产生严重的放射性损伤。如果能用氦的同位素He-3作为核聚变原料，将会有更多好处：反应产生的能量更大；聚变产生质子而不是中子，原料He-3本身没有放射性，更安全更环保；反应过程易于控制。He-3的核聚变，也被称为终极聚变。
但问题是，氦本身已经很稀有，He-3就更少了。全球可提取的He-3总量大约只有15-20吨。不过，月球地壳浅层中He-3储量极为丰富，保守估计在100万吨以上。以人类目前的能量消耗，100吨He-3足够全世界使用一年，8-10吨就够我国使用一年。嫦娥四号探月的目的之一就是了解月球上He-3的详细情况。理论上来说，月球背面更容易产生He-3，所以咱们的探测器在月球背面着陆。人类在太阳中发现了氦，却到月亮上继续寻找它。
不过，距离人类能够利用月球的He-3，恐怕还有很长一段时间——希望不是五十年又五十年——所以，在此之前，我们除了仰望明月之外，还得要注意善待氦气，珍惜氦气。这话似乎说了也白说……毕竟一般人也几乎没机会接触氦气。但白说我也得说，因为不说白不说。这意思，你懂的。
作者：望曦
出品：科学大院
科学大院是由博览运营的中科院官方科普微信公众号，欢迎订阅（ID： kexuedayuan），记住了吗，He最珍贵~

队长是我

2019-03-09
要知道地球上很稀有，在宇宙其他天体却很常见的元素很简单，就是把两者的数据摊开来比较，当然，就跟大部分作者所说的是氦（He），那还有哪些元素也入选了呢？
答案揭晓～氖（Ne）
从宇宙中最普通的十种元素看地球地壳的元素丰度可以看出，两者有较多元素丰度的是氢、氧、碳、铁、氮、硅、镁及硫，只有氦（He）及氖（Ne）在地球上的丰度少很多。



地球的地壳元素丰度

如果反过来从地球地壳元素丰度倒数几位去比对宇宙中元素丰度来看，铁以上原子序的金属不仅在地球丰度少，连宇宙里也是，包括铱（Ir）、锇（Os）、铑（Rh）、铼（Re）、钯（Pd）、钌（Ru）等稀有元素。这里我们探讨两个问题，第一，为何宇宙里氦、氖的丰度多，而地球却很少？第二，为何铱这类稀有元素在宇宙及地球的丰度都很少？



以值量计在宇宙中最普通的 10 种元素

先来谈下为何宇宙里氦及氖的丰度多，而地球却很少？所有的轻元素的丰度可以依循标准宇宙模型来预测，因为都是在 Big bang 之后很短的时间（在几百秒钟）内，经由现在所认知的太初核合成的程序产生的；重元素则是在之后很久才在恒星内部产生的。 在地球上很罕见（全球仅有 500 千克左右），并且仅出现在核融合的研究中，但认为 的丰度在月球上会较高（估计约 100 万吨）。额外的氦来自于恒星内部进行的氢融合成氦的质子-质子链反应和碳氮氧循环。第一个问题的答案就很明显了，因为宇宙里的轻元素都拿来当作燃料或衰变掉了，会释放到宇宙，但只有极少部分到得了地球。
为什么光速慢一点点，就不会有碳元素；让光速快一点点，就不会有氧元素？除了氦 为大家所习知拿来灌气球外，氖 也是在太阳系常见却在地球上很罕见的第二名元素。這就要谈到上面连结处的“三氦过程”了，氖燃烧过程是在碳燃烧过程之后。大质量恒星内进行的核融合反应，因为氖燃烧需要高温和高密度，在如此的高温下，有一些氖核会分解，释放出 α 粒子：这些 α 粒子可以被回收产生镁 ，或者二选一：


此处，在第一阶段消耗的中子，在第二阶段又再重生了。在碳聚变过程会将核心所有的碳几乎都耗尽，产生氧／氖／镁的核心。核心冷却会造成重力的再压缩，使密度增加和温度上升达到氖燃烧的燃点。当氖燃烧时，氖会被耗尽使核心只剩下氧和镁堆积着。在氖被耗尽的数年之后，核心逐步降温、已趋于平静，接着重力将再度挤压核心，使密度和温度上升直到后面的氧融合再被启动。



3氦过程是3个氦原子核（α粒子）转换成碳原子核的过程。

又为何铱（Ir）这类稀有元素在宇宙及地球的丰度都很少？前面提到重元素则是在 Big bang 之后很久才在恒星内部产生的，不过，有个有趣现象是这六个元素都分布在元素表的 8-10 贵金属族，钌（ ）-铑（ ）-钯（ ）-铼（ ）-锇（ ）-铱（ ），而且近似于越后面的元素越稀少。



元素周期表

这也跟第一个连结处提到了“核聚变”（nuclear fusion）的概念有关，先卖个关子，在后面我再来进一步说明。基本上，一般而言，当原子序越大，其半衰期越短，就代表其原子越不稳定，每颗原子发生衰变的概率也越高。核聚变又称核融合、融合反应或聚变反应，是指将两个较轻的核结合而形成一个较重的核和一个极轻的核（或粒子）的一种核反应形式。在此过程中，物质没有守恒，因为有一部分正在聚变的原子核的物质被转化为光子（能量）。从周期表可以看出越后面的元素越难生成，这是因为原子序逐渐增加时，因为质子之间的排斥力增强，需要更多的中子来平衡质子间的电磁作用力，所以周期表最后发现的那些元素都是在不稳定的状态下。
原子量特别大的原子（例如 500 以上）可能存在吗？会有什么特性？恒星内部通过核聚变反应生成铁后，核聚变反应就停止了，因为在所有元素中，铁原子核的内能是最低的，既不能通过聚变反应生成更重的元素，也不能通过裂变反应变成更轻的元素。恒星中的核聚变反应一旦停止，向外的辐射压没有了，向内的引力会把外面所有的物质都拉向内部，但恒星的中央是一个巨大的铁核，当外面的物质撞到铁核时，会向外反弹回去产生无比强烈的内爆，把除铁核以外的所有物质都抛向宇宙空间。这就是所謂的“超新星爆发”。物质撞击内核的动能使星核表面的温度急剧升高，给了铁原子核巨大的能量，比铁重的元素就在这时生成了，如铜、铱、铂、银、铅等。但元素越重（原子序数越大），生成时所需要的能量就越大，这就是氧、碳、矽、铝、氮等元素多，而金、银、铂、铀等元素少的原因。
所以说铱在地球稀少，其实宇宙相对地也很少。



NASA 首次捕抓到超新星爆炸与爆炸冲击波，产生的闪光约为太阳亮度的 1.3 亿倍。

轻元素都是在 Big bang 之后很短的时间内，经由现在所认知的太初核合成的程序产生的，不过只有极少部分到得了地球；重元素则是在之后很久才在恒星内部产生的，也已经在地球形成过程中送给了我们，所以，钌、铑、钯、铼、锇及铱现在是用掉多少，地球存量就少多少，不会自己再去生成。但宇宙中随时都有超新星爆炸，所以还是有机会生成这些贵金属，不会这些都是在转变成新星时就蕴藏好的，不会从太空中飘过来送给我们，除非是以陨石撞上地球的模式，不过这种暴力的方式还是不要的比较好。

卡卡

因宇宙中磷元素含量极低，外星人或比预料中还少

近日一项研究表明支持宇宙中磷元素的含量极为稀少。作为形成生命并参与生理化学反应的重要元素，磷元素的缺失意味着外星人存在的可能性大大降低。


卡迪夫大学的天文学家Jane Greaves博士表示，他们的研究团队通过观测"两颗超新星“残余物”——Cassiopeia A（Cas A）和螃蟹星云得出，宇宙中磷元素的含量比我们预期要少得多。
他们认为，磷元素含量低的直接结果是，外星生命的存在的可能性大大降低，即便是存在生命条件最理想的行星上。
磷元素人体中重要的元素，并且是骨骼和牙齿的构成材料之一。磷能保持使心脏规律跳动、并发挥着维持人体器官正常运转功能等重要作用。磷与生命起源有着重要关联。
恒星在生命尽头爆炸时（即超新星阶段）会形成磷。但是典型的超新星可能没有合适的环境来创造生命。而地球可能是非常幸运的，因为它碰巧与合适的超新星相距足够近。
From @杨建东 东哥微信更新的的《东方奇谈录》

感恩由您

铱
铱属于重金属，密度为22.42克/立方厘米。从理论上讲，地球整体的平均铱含量与陨石的平均铱含量相近。但地球形成初期处于熔融状态，铱因密度大而很容易沉入地核之中，由此导致铱在地壳中的含量非常低。
地壳中某一岩层的铱含量高，可能指示该岩层形成时有地球之外的星体撞击地球。
人们发现白垩系地层中存在恐龙化石，其上的第三系地层中则无恐龙化石。二者之间的分界称为K-T界线。


20世纪70年代中期，美国地质学家沃尔特·阿尔瓦雷斯（Walter Alvarez）在意大利古比奥研究地层剖面时，发现K-T界线上有一层厚约1厘米的不含化石的黏土层，在其父亲的指导下，他对这一黏土层的样品进行了铱元素的含量测定。1978年6月，测定结果出来，结论是样品中铱含量异常，比正常值高出30倍。之后又有丹麦、西班牙、新西兰、北美等地相同层位的样品经测定发现铱异常，数值甚至高于正常值上百倍。
1950年，墨西哥石油公司（PEMEX）为勘探石油而在尤卡坦半岛及邻近海域进行了重力普查，发现一个环形重力异常，认为地下存在一个环形构造


根据这两个发现，推断出恐龙灭绝于6500w年一次小行星撞击地球。

大力水手

氦气，就是常被拿来灌气球的。
由于原子序数太小，重量太轻，又不跟其他物质化合，地球上的氦气基本都逃逸掉了。现在开采的氦气，基本是从铀矿伴生的天然气里面提取的，由铀的衰变产生。铀作为超重放射性元素，本身在地球上的含量已经极为稀少了，氦还得靠它衰变，那就更是少上加少。
本来美国因为军事目的屯了很多氦气，拿出来卖之后价格降低了很多，所以被拿来充气球。但是由于产量少，现在价格又暴涨了。中国没什么氦资源，基本都得靠进口，未来还是一个比较大的风险。
但是在宇宙中就不一样了，氦作为仅次于氢的轻元素，在宇宙中的比重也仅次于氢。很多气态行星氦含量高达百分之20，某些老年恒星的氦含量更是可以高达百分之40以上。流浪地球计划的原因，就是太阳核心的氢已经全部变成了氦，引发氦闪，导致人类不得不出逃。