氡与氦：同出异途的稀有气体（上）

当温泉池的氤氲雾气中回响养生传说，当盛大庆典上的气球带着欢乐喜庆飘向天空，很少有人会意识到，这两种看似毫无关联的场景中，藏着一对来自元素周期表的“特殊伙伴”——氡与氦。能让声音变尖的氦气是航天发射不可或缺的“稀有精灵”，在低温领域不可替代的作用使其成为“拯救生命”的“贵族气体”；而藏在建筑地基与岩石缝隙中的氡气却是关乎室内环境安全的“隐形杀手”。它们同属稀有气体家族，共享着化学性质稳定的“家族基因”，却在密度、毒性与应用场景中走向了截然不同的端元。二者“同出异途”的奇妙羁绊，恰是揭开稀有气体神秘面纱的绝佳入口。

 

 

 

氡气（radon，Rn）是一种有害气体，氦气（helium，He）是重要的稀有战略资源，然二者在地球上的生成和迁移关系密切。这两种气体的形成与迁移不仅涉及复杂的地质过程，还在资源勘探中具有重要应用价值。此外，氡及其子体的团簇现象也是一个值得深入研究的重要现象。

氡原子序数为86，其单质形态通常为气态，是无色、无臭、无味的惰性气体（也称稀有气体），具有放射性。氡的化学性质不活泼，难以与其他元素发生反应形成化合物。

氦原子序数为2，是宇宙中较早形成的元素之一，也是仅次于氢的第二轻气体，密度仅为空气的1/7，这一特性使其能轻松带动气球升空。氦气最显著的特点是化学性质极其稳定，几乎不与任何物质发生化学反应，同时具备极低的沸点（-268.9℃），是已知最难液化的气体。

19世纪末，科学家们发现了钍会持续释放一种气态放射性物质，该物质具有化学惰性且原子量较高，因来源于钍而称其为钍射气，符号为 ThEm。1900年，德国物理学家多恩同样发现了镭射气（radium emantion），符号为 RaEm。1903年，又有研究者发现一种锕射气（actinium emantion，AcEm），以及一种名为niton的惰性气体。随后，在1918年，德国化学家施密特对这些发现进行了系统梳理。他参照惰性气体氩、氖等的命名方式，将钍射气更名为thoron，元素符号定为Tn，正式确定其为一种元素；又将镭射气更名为radon，元素符号定为Rn。后来经进一步研究证实，钍射气本质是氡-220，锕射气是氡-219，niton 是氡-222，三者均为氡的天然同位素。

 

 

飞艇曾承载着人类的飞行梦想。德国“兴登堡号”飞艇被誉为“空中泰坦尼克号”，一度是上流社会的象征。1936年，它完成了首次横越大西洋的飞行。这艘长度超过240米的飞艇，是当时世界上建造的最大飞艇。乘客可坐在舒适豪华、设备齐全的机舱内，以每小时135千米的速度飞行。它曾10次安全往返于大西洋两岸，累计载客1002人次。

1937年5月6日下午约7时30分，“兴登堡号”飞艇在美国新泽西州莱克赫斯特海军航空总站上空准备着陆时，一个火花点燃了泄露的氢气，仅用34秒，整艘飞艇便被熊熊烈火吞噬。

事实上，氦气曾是“兴登堡号”飞艇浮力气体的首选——它是当时可用于飞艇的最安全气体。但在建造“兴登堡号”的年代，氦气极为稀有且价格昂贵，当时仅有美国具备氦气生产的能力，而美国因担忧德国可能将氦气用于武器制造，对其实施了出口管制。

尽管氢气易燃易爆，可除了氢气，当时尚无其他可大规模生产的气体能为飞艇提供足够升力。同时，氢气可被任何工业国家以低廉成本大量生产，且比氦气更轻，能提供更强的浮力。因此，“兴登堡号”最终仍选择了氢气作为浮力气体。

然而，外泄的氢气最终引发了这场惨烈火灾。地面上的人们束手无策，只能眼睁睁看着容积将近20万立方米的氢气囊几乎瞬间被烈焰吞没，燃烧的飞艇骨架坠地后摔得粉碎，“兴登堡号”在浓烟中彻底焚毁。经过海军人员与乘务人员的全力营救，97名乘客及乘务人员中虽有多人获救，但仍有约36人不幸遇难。

 

 

 

氡是地壳中放射性铀、镭和钍的蜕变产物，是一种放射性稀有气体，地壳中含有放射性元素的岩石总是不断向四周扩散氡气，使得空气和地下水中始终含有一定量的氡气。在氡的 3 种天然同位素中，只有氡-222的半衰期略长（3.825天），这使其有足够的时间从土壤和岩石中释放出来，穿过地面向上传播并扩散到空气中。氡-219和氡-220的半衰期均以秒计，在空气中含量甚微。此外，氡-222也可能存在于地下水中，会在人们使用地下水时，释放到空气中。

氦也是一种稀有气体，主要通过两种途径生成：放射性衰变和宇宙射线作用。氦-4是由铀-238、铀-235、钍-232等重元素通过α衰变产生，每个α粒子实际上是一个氦-4原子核。因此，在铀、钍的衰变链中，氦会持续生成。氦-3则主要是宇宙射线与大气中的氮、氧原子核相互作用的产物。

氡和氦的生成关系紧密，在富铀地区，氡的生成过程会伴随大量氦的产生。地表和大气中主要存在的是氡-222，氡-222主要来源于放射性同位素镭-226的衰变，而镭-226是铀-238衰变链中的一员，在这个衰变链中，铀-238衰变形成1个氡-222时，会伴随4个α粒子的释放，而1个氡-222的衰变最终又可释放4个α粒子。由于铀钍元素密切伴生，铀-238衰变形成氡-222的过程中，必然伴随有铀-235、钍-232等衰变，同时生成更多的α粒子。

正因为氡和氦的生成关系密切，富含氡的地区往往也是氦资源富集区。通过勘探氡的浓度，可以间接推测该地区氦的储存量，这对氦气资源的勘探具有重要指导意义。例如，在寻找氦气资源时，可先检测地下氡气浓度，氡气浓度高的区域，往往预示着氦气的潜在富集。

氡气的迁移主要依靠扩散和对流机制，在地下环境中，氡气先从岩石或土壤的微小裂缝和孔隙中释放出来，随后通过扩散作用，或被地下水携带，逐步向上移动。扩散是指氡气分子从高浓度区域向低浓度区域迁移，这种机制在多孔介质中起主要作用；对流则是地下水流动、温度变化等因素导致氡气随流体一起运动。裂隙、断层等地质构造也为氡气提供了快速向上迁移的通道。岩石和土壤的孔隙度决定了氡气的运移路径和速度，孔隙度高的介质（如沙土）有利于氡气的快速迁移，而孔隙度低的介质（如黏土）则会限制氡气的移动；断层活动可以使深部的氡气沿着这些构造带快速上升，甚至到达地表。这些构造为氡气从深层到表层的快速上升提供了通道。地下的温度和压力变化也会影响氡气的运移，温度升高通常会加速氡气的扩散速度，而压力的变化则会影响氡气的释放和迁移路径，例如，地震活动可以导致地下压力的急剧变化，从而加速氡气的释放和迁移。

氦气由于其惰性和低溶解度，能够在地壳中积累并通过扩散和对流的方式迁移。氦气比氡气更轻，因此更容易通过扩散机制向上迁移。它在岩石和土壤中的迁移路径与氡相似，但由于氦的惰性，不容易与其他元素或矿物发生反应，因此迁移路径相对简单。此外，氦气可以溶解于地下水中并随水流动，但其溶解度比氡气低。

氡和氦均是气态，虽然氡与氦的成因和化学性质不同，但它们在地壳中的迁移路径却有一定相似之处。二者都可以通过扩散和对流机制迁移，也都能够沿着裂隙和断层等通道快速向上迁移。然而，氡与氦在迁移过程中存在显著差异。由于氡在水中溶解度高，而氦的溶解度低，所以地下水流动对它们的迁移影响有所不同。另外，由于氡具有放射性，会在迁移过程中不断衰变，其子体也具有放射性并可能吸附在土壤和岩石颗粒上，影响其迁移行为；氦则不具有放射性，其惰性特质使其迁移路径更加简单和直接，不会受到物理作用的影响。

总结来说，氡和氦的生成过程有着密切关系，在地下的迁移路径也有相似之处，但由于放射性和溶解度的差异，它们的迁移行为存在显著不同。了解这些差异有助于预测和解释地质过程中氡与氦的行为和分布，为资源勘探提供重要线索。