第二十八节  为什么氦He4有两套光谱

一、氦原子光谱

氦原子光谱有两套线系，即两个主线系，两个锐线系，两个漫线系等。从对这氦原子光谱些线系的分析得知，氦原子有两套能级，一套是单层的;另一套是三层的。这两套能级之间没有交叉的光谱跃迁。两套能级各自内部的跃迁产生两套光谱。单层能级之间跃迁产生单线结构的光谱，三层能级之间跃迁产生复杂多线结构的光谱。

氦原子光谱就是氦原子能级之间跃迁发射或吸 收的光谱。氦原子核外有2个电子，基态时处于1s1s电子组态;受激发时，通常1个电子被激发到较高能态，另1个电子仍处于1s态。氦原子中2个电子角动量遵从LS耦合，2个电子合成的总自旋S=0和1，能级分成单层结构S=0和3层结构S=1两组。能级之间跃迁遵从LS耦合的选择定则，根据选择定则ΔS=0，不同多重态之间没有跃迁，因此氦原子光谱有2个主线系，2个锐线系和2个漫线系等。单层能级之间的跃迁产生单线结构光谱，3层能级之间跃迁产生复杂多线结构光谱。人们早年对氦的两套能级尚无认识时，曾认为有两种氦，产生复杂多线结构光谱的称为正氦，产生单线结构光谱的称为仲氦;今仍沿用正氦、仲氦分别指称这两套能级和光谱。

二、解释

根据本理论中的“元素形成的中子理论”；氦He4元素的形成可知，氦He4有以下两种：

氦3可以结合一个正中子生成氦4，氦4是四方柱状稳定结构（正氦），也可以结合一个负中子生成氦，氦4是三棱柱状较稳定结构4（仲氦），自然界中氦4有两种结构，因此氦4就有了两套光谱，产生复杂多线结构光谱的称为正氦，产生单线结构光谱的称为仲氦。

氦4（正氦）四方柱状结构比三棱柱状结构稳定，氦4（仲氦）三棱柱状结构易与中子结合，是生成锂的原料，所以在宇宙中氦4（仲氦）三棱柱状结构的含量是很少的。

元素中氦4电离能最高（24.588 eV）的原因：一是氦4外层有两个1S电子，S轨道达到了饱和。二是和其它原子相比氦4原子核对电子的引力最大，使电子不易与其它原子的电子结合成对，体现出了惰性。

氦4在宇宙中的丰度很高，但在地球上的丰度很低？

氦4（正氦）在宇宙中的丰度为24%，在地球上的丰度仅为0.0005%。

氦4在宇宙中的丰度很高的原因是在巨星阶段产生的氦4（正氦）和氢1一起大部分被散失到宇宙空间中去了，即恒星风，因此宇宙中氦4（正氦）的丰度很高，达24%。

氦4（正氦）在地球上的丰度极低的原因是在地球形成过程中的巨星阶段产生的稳定氦4（正氦）大部分随恒星风被散失到宇宙空间中去了，其它的氦4（仲氦）是具有放射性的同位素，用于形成锂元素了。地球现在存在的氦4（正氦），都是元素发生α衰变产生的，因此丰度极低，仅有0.0005%。

第二十九节  宇宙空间中的氢和氦为什么会是3:1

根据目前的观测计算宇宙空间中的氢占75%，氦占24%，其他元素仅占不到1%，如果按大爆炸理论物质是大爆炸崩出来的物质，是不可能崩出一个这样的物质比例，如果按照核聚变理论元素都是由氢聚变来的，那么宇宙中的氢就应该是最少的元素，又怎么会是最多的元素呢？

根据本理论中的“元素形成的中子理论”和星球形成的“双球心理论”可以知道元素的生成是以中子为原料生成的所有元素，在中子星的后期由中子最开始生成的是氢元素，到巨星阶段由中子生成了大量的氢元素和氦元素，向宇宙空间中释放或散失了大量的氢和氦，巨星阶段的氢和氦的比例就是3比1的比例，巨星阶段经过了几十亿年，所以释放到宇宙空间中的比例也是3比1的比例，宇宙中所有的星球形成过程都要经过巨星阶段，都是按照3比1这样的比例向宇宙空间中释放氢和氦，所以宇宙中的氢和氦就是3比1的比例。

宇宙空间中的氢都是H1只含有1质子的氢，宇宙空间中几乎不存在氘和氚，原因很简单，就是氘和氚都用于形成氦了。

宇宙空间中的氦都是氦He4（正氦）并且是四棱柱结构的氦He4，宇宙空间中几乎不存在三棱柱结构的He4，（仲氦）因为它的结构不够稳定。宇宙空间也不存在He5、He6、He7、He8，原因很简单，因为三棱柱结构的He4和He5、He6、He7、He8都用于形成锂等元素了。

因此宇宙空间中的氢和氦的比例是3比1。

第三十节  为什么氦-4在低于 2.17 K 时会变成超流体

超流体是一种物质状态，特点是完全缺乏黏性。如果将超流体放置于环状的容器中，由于没有摩擦力，它可以永无止尽地流动。例如液态氦在2.17 K以下时，内摩擦系数变为零，液态氦可以流过半径为十的负五次方厘米的小孔或毛细管，这种现象叫做超流现象(Superfluidity)，这种液体叫做超流体(Superfluid)。

超流体是一种物质状态，特点是完全缺乏黏性。如果将超流体放置于环状的容器中，由于没有摩擦力，它可以永无止尽地流动。例如液态氦在2.17 K以下时，内摩擦系数变为零，液态氦可以流过半径为十的负五次方厘米的小孔或毛细管，这种现象叫做超流现象(Superfluidity)，这种液体叫做超流体(Superfluid)。

超流体是超低温下具有奇特性质的理想流体，即流体内部完全没有粘滞。超流体所需温度比超导体还低，它们都是超低温现象。氦有两种同位素，即由2个质子和2个中子组成的氦4和由2个质子和1个中子组成的氦3。液态氦-4在冷却到2.17 K以下时，开始出现超流体特征， 20世纪30年代末，苏联科学家彼得·卡皮察首先观测到液态氦4的超流体特性。他因此获得1978年诺贝尔物理学奖。这一现象很快被苏联科学家列夫·郎道用凝聚态理论成功解释。不过，科学家直到20世纪70年代末才观测到氦3的超流体现象，因为使氦3出现超流体现象的温度只有氦4的千分之一。

超流体的应用目前尚在研究之中。不过，这一领域已经曙光初现。2002年，德国科学家实现铷原子气体超流体态与绝缘态可逆转换。世界科技界认为该成果将在量子计算机研究方面带来重大突破。这一成果被中国两院院士评为2002年世界十大科技进展之一。

实验发现，液氦能沿极细的毛细管流动而几乎不呈现任何粘滞性，这一现象首先由卡皮查于1937年观察到的，称之为超流性，实验还发现，存在一个临界速度v，在v以上，超流流动被破坏。氦由正常流体和超流体两部分组成，其中超流部分没有粘滞性，熵也为零，而正常流体部分的性质与普通的经典流体一样，具有粘滞性和熵，朗道认为超流成分则是在理想背景流体上的一些元激发。

碳纳米管膜可以形成超流体

于量子液体低于某临界转变温度会形成超流态。比如氦最丰富的同位素，氦-4，在低于 2.17 K(−270.98°C) 时便会变成超流体。氦-4形成超流态的相变称为Lambda相变(Lambda transition)，因它的比热容对温度曲线形状如同希腊字母“λ”一样。凝聚态物理学中一些相近的相变亦因而叫作Lambda相变。氦较贫乏的另一种同位素，氦-3，在更低的 2.6 mK 成为超流体。这个温度只是比绝对零度高几个毫开尔文。

虽然这两个系统的超流体表征很相似，但其本质却是南辕北辙。氦-4是玻色子，其超流性质可以用玻色-爱因斯坦统计解释。可是，氦-3是费米子，其超流性必须用到描述超导体的BCS理论之推广才可了解。其中，原子代替了电子形成库柏对(Cooper pair)，而它们的吸引作用力调控机制由自旋波动 (Spin fluctuation) 代替了声子。详情请参看费米子凝聚态。超流体和超导体的统一理论可以以规范对称破缺(Gauge symmetry breaking) 表达。

超流体，如超冷冻的氦-4，有很多稀奇的性质。它就像一般液体加上超流体的特有的性质，如全无粘性、零熵度，和无限大的热传导率。(故此在超流体中出现温差是不可能的，就如超导体内没有电势差一样。)其中最令人叹为观止的是“热机效应”(Thermomechanical effect)，或称“喷泉效应”(Fountain effect)。如一纤细管放在一池超流氦之中，而纤细管被加热 (如对它照光)，氦便会爬上管顶。 这是克劳修斯-克拉佩龙方程的结果。另一样奇特现象是超流氦可以在任何放置它的容器表面上形成一层单原子厚度的液体薄膜。

一个比零粘性更为基本的性质是超流体在旋转的容器中会有量子化的涡度   ，而不会随容器均匀转动。奇怪的是这个旋转体会相对与恒星保持稳定。

根据本理论中的“元素形成的中子理论”；氦-4在超冷冻的环境中，氦-4核外电子发生了变化，使电子轨道发生了变化，电子种类发生了变化，使氦-4原子之间的距离变短，氦-4原子的震动幅度很低。因此，原子核和电子之间的距离大幅降低，表现出超流体特性。