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为什么宇宙中氦的含量仅次于氢,还说氦是稀有气体?

发布时间:2022/1/11 19:16:13 人气:1

为什么宇宙中氦的含量仅次于氢,还说氦是稀有气体?

答:

氦元素在全宇宙的质量中大约占了24%,但是在地球大气中的浓度为5.2 ppm(1ppm=0.0001%)[1],因此称它为稀有气体。稀有气体也被称为惰性气体,化学反应上的惰性也是造成氦气在地球上含量低的一个原因。接下来我们分析一下为什么氦气在地球上含量比较低。

一个物体要逃离地球,必须克服地球的引力。

为什么宇宙中氦的含量仅次于氢,还说氦是稀有气体?

v₂即为第二宇宙速度,物体要逃离地球,需要达到这个速度。那么大气中的氦原子的速度是多少呢?根据麦克斯韦速率分布函数

为什么宇宙中氦的含量仅次于氢,还说氦是稀有气体?为什么宇宙中氦的含量仅次于氢,还说氦是稀有气体?图源自参考资料2

进一步得到最概然速率

为什么宇宙中氦的含量仅次于氢,还说氦是稀有气体?

代入氦气的原子质量可以得到氦气在室温的最概然速率在1500m/s左右。尽管这个速度仍然小于第二宇宙速度,但是我们从分布曲线可以看到有一部分氦原子的速度是可以超过第二宇宙速度的,这部分氦原子可以逃离地球,特别是位于大气最外层的氦原子更容易逃离地球。另外,我们由最概然速率分布表达式看到,分子质量越大,越不容易逃离,因此水分子相较于氦原子更难逃离。

最后还有一个问题,氢分子质量比氦原子更小,为什么地球上氢元素含量却很丰富呢?这是因为氢元素可以和其他元素结合形成化合物,比如水,然而氦气是惰性气体,难以形成化合物,往往以单质形式存在,因此氦元素很少,氢元素很多。

参考资料:

氦——维基百科

麦克斯韦-玻尔兹曼分布——维基百科

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