稀有氣體的應用

2018-12-17  來自: 百度 瀏覽次數:59

隨著工業生產和科學技術的發展,稀有氣體越來越廣泛地應用在工業、醫學、尖端科學技術以至日常生活里。

利用稀有氣體極不活動的化學性質,有的生產部門常用它們來作保護氣。例如,在焊接精密零件或鎂、鋁等活潑金屬,以及制造半導體晶體管的過程中, 常用氬作保護氣。原子能反應堆的核燃料钚,在空氣里也會迅速氧化,也需要在氬氣保護下進行機械加工。電燈泡里充氬氣可以減少鎢絲的氣化和防止鎢絲氧化,以 延長燈泡的使用壽命。

稀有氣體通電時會發光。世界上第一盞霓虹燈是填充氖氣制成的(霓虹燈的英文原意是"氖燈")。氖燈射出的紅光,在空氣里透射力很強,可以穿過濃霧。因此,氖燈常用在機場、港口、水陸交通線的燈標上。燈管里充入氬氣或氦氣,通電時分別發出淺藍色或淡紅色光。有的燈管里充入了氖、氬、氦、水銀蒸氣等四種氣體(也有三種或兩種的)的混合物。由于各種氣體的相對含量不伺,便制得五光十色的各種霓虹燈。人們常用的熒光燈,是在燈管里充入少量水銀和氬氣,并 在內壁涂熒光物質(如鹵磷酸鈣)而制成的。通電時,管內因水銀蒸氣放電而產生紫外線,激發熒光物質,使它發出近似日光的可見光,所以又叫做日光燈。

利用稀有氣體可以制成多種混合氣體激光器。氦-氖激光器就是其中之一。氦氖混合氣體被密封在一個特制的石英管中,在外界高頻振蕩器的激勵下,混合氣體的原子間發生非彈性碰撞,被激發的原子之間發生能量傳遞,進而產生電子躍遷,并發出與躍遷相對應的受激輻射波,近紅外光。氦-氖激光器可應用于測量和通訊。

氦氣是除了氫氣以外最輕的氣體,可以代替氫氣裝在飛艇里,不會著火和發生爆炸。

液態氦的沸點為-269℃,是所有氣體中最難液化的,利用液態氦可獲得接近絕對零度(-273.15℃)的超低溫。氦氣還用來代替氮氣作人造空氣,供探海潛水員呼吸,因為在壓強較大的深海里,用普通空氣呼吸,會有較多的氮氣溶解在血液里。當潛水員從深海處上升,體內逐漸恢復常壓時,溶解在血液里的氮氣要放出來形成氣泡, 對微血管起阻塞作用,引起"氣塞癥"。氦氣在血液里的溶解度比氮氣小得多,用氦跟氧的混合氣體(人造空氣)代替普通空氣,就不會發生上述現象。溫度在2.2K以上的液氦是一種正常液態,具有一般液體的通性。溫度在2.2K以下的液氦則是一種超流體,具有許多反常的性質。例如具有超導性、低粘滯性等。它的粘度變得為氫氣粘度的百分之一,并且這種液氦能沿著容器的內壁向上流動,再沿著容器的外壁往下慢慢流下來。這種現象對于研究和驗證量子理論很有意義。

氬氣經高能的宇宙射線照射后會發生電離。利用這個原理,可以在人造地球衛星里設置充有氬氣的計數器。當人造衛星在宇宙空間飛行時,氬氣受到宇宙射線的照射。照射得越厲害,氬氣發生電離也越強烈。衛星上的無線電機把這些電離信號自動地送回地球,人們就可根據信號的大小來判定空間宇宙輻射帶的位置和 強度。

氪能吸收X射線,可用作X射線工作時的遮光材料。

氙燈還具有高度的紫外光輻射,可用于醫療技術方面。氙能溶于細胞質的油脂里,引起細胞的麻醉和膨脹,從而使神經末梢作用暫時停止。人們曾試用80%氙和20%氧組成的混合氣體,作為無副作用的麻醉劑。在原子能工業上,氙可以用來檢驗高速粒子、粒子、介子等的存在。

氪、氙的同位素還被用來測量腦血流量等。

氡是自然界唯一的天然放射性氣體,氡在作用于人體的同時會很快衰變成人體能吸收的氡子體,進入人體的呼吸系統造成輻射損傷,誘發肺癌。一般在劣質裝修材料中的釷雜質會衰變釋放氡氣體,從而對人體造成傷害。體外輻射主要是指天然石材中的輻射體直接照射人體后產生一種生物效果,會對人體內的造血器官、神經系統、生殖系統和消化系統造成損傷。

然而,氡也有著它的用途,將鈹粉和氡密封在管子內,氡衰變時放出的α粒子與鈹原子核進行核反應,產生的中子可用作實驗室的中子源。氡還可用作氣體示蹤劑,用于檢測管道泄漏和研究氣體運動。

稀有氣體在許多場合中用于提供惰性氣氛。氬在化學合成時常用于保護對氮氣敏感的化合物。固態氬也用于研究反應中間體等非常不穩定的化合物,方法是在超低溫下將其隔離在固態氬構成的基質中。氦是氣相色譜法中的載色劑、溫度計的填充氣,并用于蓋革計數器和氣泡室等輻射測量設備中。氦和氬都用作焊接電弧的保護氣和賤金屬的焊接及切割的惰性保護氣。它們在其他冶金過程和半導體工業中硅的生產中同樣有著廣泛應用。

由于化學活性很低,稀有氣體廣泛的應用于照明領域。氬和氮的混合氣體是白熾燈中填充的保護氣。氪可降低燈絲的蒸發率而常用于色溫和效率更高性能白熾燈,特別在鹵素燈中可將氪與少量碘或溴的化合物混合充入。此外,在放電燈中填充不同的稀有氣體,可以產生不同顏色的光,如霓虹燈中常見的氖燈。盡管稱為氖燈,其中通常含有其他氣體和磷,它們在氖發出的橙紅色光的基礎上加入了其他顏色。氙通常用于氙弧燈,因為它們的近連續光譜與日光相似。這種燈可用于電影放映機和汽車前燈等 。

稀有氣體可用于準分子激光器,這是因為它們可形成短暫存在的電子激發態受激子(英語:excimer)。這些用于激光器的受激子可能是稀有氣體二聚體,例如Ar2、Kr2或Xe2,更有可能是與鹵素結合的受激子,例如ArF、KrF、XeF或XeCl。這些激光器產生波長較短的紫外線,其中ArF產生的紫外線波長為193納米,而KrF為248納米。這種高頻率的激光使高精密成像成為現實。準分子激光有諸多工業、醫藥和科學用途。集成電路制造過程中的顯微光刻法和微制造必須用到準分子激光。激光手術,例如血管再成形術和眼部手術也需用到準分子激光。

一些稀有氣體有直接的醫學用途,如:氦有時用于改善哮喘患者的呼吸;氙則因為在脂質中的高溶解度成為一種麻醉劑,比常用的一氧化二氮(俗稱笑氣)更為有效,且容易從體內排出而麻醉后蘇醒也較快。氙在超極化核磁共振成像中用于拍攝肺的醫學影像。具有強輻射性的氡只能微量制取,可用于放射線療法

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