氖

氖nǎi（Neon）是原子序数为10的化学元素，位于元素周期表第二周期的0族，元素符号为Ne，是稀有的惰性气体，无色、无味、无臭，无毒且不可燃。^[3]氖的原子量为20.1797，电子排布为1s22s22p6，化合价为0，^[1]有3种稳定同位素和17种放射性同位素^[4][3]。氖单质由其单原子分子组成，可分布在太阳系天体和大气层中，^[5][6]其相关化合物如[B12(CN)11Ne]−、(N2)6Ne7和NeBeCO3等已被证明可以形成。^[7][8][9]

氖通常用于照明及作为电子工业的填充介质^[10]，最早的霓虹灯便以氖作填充物，可以发出红色光芒^[11]。在工业上，氖被作为一种填充介质应用于激光器中^[12]。此外，氖还可用作低温冷却剂，标准气、特种混合气等，在低温研究、高能物理、水文地质及潜水呼吸方面均有应用。^[13][14][15]

1898年，化学家威廉·拉姆齐爵士（Sir William Ramsay）和化学家莫里斯·威廉·特拉弗斯（Morris William Travers）在分馏液态空气时，通过光谱分析发现了比氩yà轻的氖，拉姆齐也因发现氖等一系列稀有气体而获得了诺贝尔化学奖。^[16]他们将氖这种元素命名为“Neon”。^[17][18]源于希腊语Neos，意为“新的天然气”。^[17][3]

1902年，法国人乔治·克劳德创办了气体液化公司，作为生产液化氢气、氧气、氮气的副产物，氖气成本降低了许多，氖普遍使用的基础由此建立。^[11]到1906年，门捷列夫（Дмитрий Иванович Менделеев）发表出完整的元素周期表，新增了惰性气体元素族0族，氖是一族中第四个被发现的惰性气体。^[19]1909年，法国工程师乔治（Joy）首次对密封的氖气管进行放电，并将其制成电灯。^[17][20]次年，乔治·克劳德（Georges Claude）在法国大皇宫的巴黎车展上展示两根充了氖气的12米长灯管，聚焦世界眼球，那之后他改进技术申请专利，将其取名氖灯，就是现在的“霓虹灯”。^[11]1912年，人类历史上第一个氖气广告牌在一家位于巴黎的理发店出现。^[21]

1913年，汤姆森（Joseph John Thomson）在探索阳极射线组成的过程中，通过磁场和电场引导出了氖离子流。^[17]同年，汤姆孙和阿斯顿（Francis William Aston）用磁分析器发现了20Ne和22Ne两种天然氖的同位素。^[22][23]直到1919年，氖的两种同位素20Ne和22Ne的存在被阿斯顿制成质谱仪的所证明，并指出它们在氖气中的比例约为10:1，（后来的研究又发现了第三种同位素21Ne）。^[19][23]

1928年，赫兹（Gustar Hertz）用多级扩散法分离了氖的同位素。^[24]

氖元素在宇宙中丰度仅次于氢、氦、氧、碳，为1300000ppb（重量），因为氧核和“α粒子”氦核易反应生成氖核，但氖元素在地球上含量稀少^[11]，与宇宙丰度相比，氖在地壳中的丰度仅为3.0ppb，因其与其他元素很难发生反应生成化合物沉淀在地表上，而只在空气里有极微含量的氖。^[25][13][26]

太阳系中的天体基本都能发现氖的构成^[6]。在太阳中，氖的丰度可达1000000ppb。^[25]在金星大气中，除主要化学CO2（约96.5%）、N2（约3.3%）外，氖的含量可达7±3ppm，^[27]火星大气中则含有大量的氩和氖，该结论由1974年苏联火星探测器发现后所得，^[28]木星的上层大气厚度大且密度高，其中包含有水蒸气、氦气、氢气、碳、硫和氖等化学物质。^[29]氦、氖和氩还是月球外逸层的主要成分，^[30]除此之外，天王星大气中也能发现除氢外的少量氖气。^[31]

氖有三种稳定同位素，分别是20Ne、21Ne和22Ne，^[3][32]三者的相对丰度为1：0.0029：0.097，^[15]另还有17种放射性同位素。^[2]其中20Ne是自然界中主要存在的元素，在氖的含量中占91%。^[33]

同位素的物理化学性质相近，所以分离困难，赫兹发明的质量扩散法可用于分离氖同位素，这也是最主要的方法，^[34]同时还可分离氦和氖。^[35]

氖常温下是气体，^[37]无色、无味、无臭且无毒，原子量为20.1797，密度为0.825g/L，熔点-248.59°C，沸点为-246.08°C，微溶于水，^[1][3]水中溶解度为1.47mL/100mL，^[38]每平方米的空气中有18.2mL氖，^[3][32]临界温度-228.75°C，临界压力为2.72×103kPa，^[37]熔化热334.94J/mol，气化热1.696kJ/mol，第一级电离势21.559v。^[38]氖的三相点是24.562K，比正常沸点低2.7K，液氖是无色透明的液体，沸点低、蒸发潜热高。^[37]在液氖上部抽蒸汽很容易就使液氖变为固态。^[39]

氖原子较小，原子核对电子束缚能力强，所以化学性质稳定，^[1]因其性质不活泼，所以不会燃烧和助燃。^[13]氖的相关化合物已有陆续发现，如在低温氖气中通过激光蒸发和共同沉积方式制备的NeBeCO3^[8]，在高压环境下通过范德华力形成(N2)6Ne7，^[7]以及在高温微波反应中生成的[B12(CN)12]2−，^[9]但这些化合物还不能在环境中稳定存在。^[9]

当恒星内的温度T＞1.5×109K时，氖会发生燃烧，其燃烧的核反应式及释放的能量如图所示：^[40]

氖在低压下放电会激发出穿透力极强的红光，可穿透浓雾，所以是制作霓虹灯和指示灯的填充介质，如阴极管、电压调节管、高压氖灯和计数管等，^[13][32]也可用于各种重要航标以及测量仪器的显示器里，^[41][39]与氩气混合可发出亮蓝色光，可用于水银灯和钠蒸汽灯的填充。^[13][32]氖与氩、氮的混合气体广泛用于霓虹灯和气体激光器。^[41][39]氖管是有氖气和两个电极的辉光放电管，与高阻值电阻串联后可制成试电笔，以人体为回路测试市电线路对地是否存在电压，避免触电。^[42]真空避雷器里充有氦气、氩气或氖气，雷电落入到线路上会发出紫色的辉光。^[43]

液氖的沸点低，蒸发潜热高，有极大的惰性，所以被用于26～40K区间的低温冷源，在液化和冷却系统中的应用十分安全。^[32][41][39]液氖作为低温制冷剂，单位体积的制冷量是液氦的40倍以上，是液氢的3倍以上。^[17]在气泡室、^[32]自由基和低温泵的研究和应用中可代替氢成为安全的低温介质。^[44][32]

氖也用于激光技术，激光与光一样都属于电磁波，具有频率和波长。^[45][32]可做激光混合气的成分，氦氖激光器是第一种气体激光器，也是重要的红色放射源，^[11]氦氖混合气体是该激光器的工作物质，氖原子可发射激光，氦气则用来改善混合气体的放电特性，提高激光器的输出功率和能量转换效率，在医学治疗（激光理疗和针灸、弱激光血管内照射等）、植物育种、建筑测量、准直指示、照排印刷和激光陀螺等方面均有应用。^[46]

氦-氖激光对生物体有刺激作用，可刺激皮肤蛋白的合成，影响酶活性，增加红细胞数量，加速血管生长，促进创面愈合；还可作用于神经末稍调节机体状况，有消炎、镇痛和止痒作用。对溃疡、炎症等有一定疗效。^[47]

用于高能物理研究用气，火花室内充满氖可探测核微粒的行径。^[37][48]氖闪光管室可用于宇宙线稀有事例和中微子相互作用的研究，还可以用来寻找核子衰变。^[49]高线性能传递粒子辐射化学研究中用20Ne作为加速粒子可提高产品的得率。^[50]

氖可用作潜水呼吸气源，^[51]有导热系数低、热散失较小等优点，同时无类似氦气引起的语言问题，也无类似氨气引起的麻醉问题。^[52]深海作业时可用氖配置合成呼吸气，^[44]也可用于深海潜水或宇航中的呼吸混合器。^[37]但使用氖气的不足在于其价格昂贵，且呼吸阻力较大。^[52]

氖可用来矫正3H-3He的年龄，根据地下水中溶解的氖浓度确定古温度，估算冰川融水流量和计算地幔及地壳释放的He数量。^[14]

空气是工业生产氖的唯一原料源，^[53]采用空气分离塔在制氧气、氮气的同时提取氦和氖的混合气体，再经液氢冷凝法或活性炭硅胶吸附作用，可分离制得氖。^[32]

大体分为三个步骤：第一步从空气中制备粗氖、氦气，在空分装置主冷凝器氖氦抽口引出的气相混合物，经氖氦浓缩塔分离之后，可得到含Ne-He 50%-60%的粗氖氦混合气；第二步制取纯氖、氦混合气，将粗氖、氦气用加氧催化法脱氢，然后负压下用液氮冷凝和低温吸附法除去氮即可得到纯氖、氦的混合气；第三步将氖与氦分离，制得纯品。^[54][44]

冷凝法可用氢循环、氖循环或氦的气冷循环来提供冷量，将氖由气态转变为液态和固态以达到分离目的。^[44]氖和氦的沸点相差23K左右，所以可以控制温度使高沸点的氖冷凝，氦保持气态不变来进行分离。此方法能得到高纯度的氖，最高纯度可达99.9%。^[44][55]

按照解吸方法的不同有变温吸附法和变压吸附法。^[55]变温吸附是在高压、低温的条件下进行吸附，在低压、高温下进行解吸，吸附剂通常使用活性炭。此方法制得的氖纯度可达99.9%，提取率为82%，解吸彻底且提取率高，但操作复杂，能耗高。^[44][55]变压吸附法吸附床层的温度几乎不变，只利用压力效应进行解吸。分两阶段提取氖和氦，先将氦、氖混合气在液氮温度下吸附分离得到粗氖和氦，再进一步加压进行第二次吸附得到纯氖和纯氦。^[55]

氖有一个封闭壳结构^[56]氖原子有10个核外电子，在正常情况下，有两个电子处于1s态，两个电子处于2s态，六个电子处于2p态，电子排布1s22s22p6，有3个壳层，即1s，2s和2p层，1s和2s层的电子云呈球形对称分布, 2p层呈纺锤形，^[4]这就是氖原子的基态。^[57]

其基态为1s0，具有零自旋和轨道角动量，n=2外层充满2个s电子和6个p电子。^[56]当氖原子受激时，通常只有一个2p电子会被激发到较高能态，其余电子仍保留在原态。所以氖原子可能会形成1s22s22p53S，1s22s22p53p，1s22s22p54s，1s22s22p55s等一些受激态。^[57]激发原子需要改变主量子数至n=3层，因此需要大量能量，以上事实和零角动量说明氖具有情性。^[56]

氖是面心立方晶体结构，^[58]晶格常数为a=4.52Å(-253℃)，^[59]晶体为A1型密堆积，因为沸点较低，所以氖晶体一般只在低温下存在。^[60]

氖气无毒，但浓度过高会导致窒息，^[37]表现为呼吸加快，注意力不集中、共济失调，随后出现疲倦、乏力、烦躁不安、恶心、呕吐、昏迷、抽搐，甚至死亡。^[61]液态氖与皮肤接触会引起冻伤。^[2][37]

氖气泄露后，应保持通风，使用带隔绝式呼吸器的气密性化学防护服，^[62]误吸入氖气后应立刻远离泄漏源到通风、空气新鲜的地方，必要时进行人工呼吸，并及时就医。^[62]

需将盛放氖气的容器密封在干燥通风的地方，^[2]若在建筑物内贮存，应保持通风良好，且建筑物要有耐火条件或设备，^[62]钢瓶盛装的氖是浓缩气体，受热时容器内压增大，可能会有开裂和爆炸危险。^[63][61]

着火时，需要用雾状水保持氖钢瓶的冷却。^[62]