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回憶起童年好像總是少不了氣球的身影。記憶里的場(chǎng)景中，不論是公園里或是街道邊，總會(huì)有賣(mài)氣球的攤販頭頂著一團(tuán)云般的卡通氣球，不緊不慢地吆喝著。

從經(jīng)典的米老鼠、葫蘆娃，到藍(lán)貓、淘氣，再到喜羊羊和小豬佩奇，賣(mài)氣球的人似乎永遠(yuǎn)知道什么是孩子們的心頭好。

圖片來(lái)源：作者拍攝

這些童年的“小伙伴”們，大家給了它們一個(gè)統(tǒng)一的名字——“氫氣球”。

不少細(xì)心的小伙伴也許會(huì)疑惑，為什么氫氣球能漂浮在空中，而我們自己用嘴吹成的和用打氣筒打出的氣球卻不能漂浮呢？

想知道答案嗎？今天就帶你一次性了解清楚氫氣球的前世今生。

Part.1

氫氣球的前世今生

小朋友的訴求往往很簡(jiǎn)單，“能飄到頭頂“，就是他們對(duì)于一個(gè)合格氫氣球的最高要求。然而，歷史上的氫氣球可不僅僅只是飄到頭頂而已，它們還具有載人載物的功能呢。

世界上第一個(gè)氫氣球誕生于1780年，由法國(guó)化學(xué)家布拉克把氫氣灌入豬膀胱得以制成。

而世界上首飛的不載任何乘客和貨物的氫氣球由雅克·查爾斯教授（Jacques Charles）1783年8月設(shè)計(jì)實(shí)施。1783年12月1日，雅克·查爾斯和尼古拉斯-路易斯·羅伯特駕駛著他們的第二個(gè)氫氣球進(jìn)行了載人飛行。

隨著時(shí)間的推移，氫氣球的種類和作用不斷豐富，有用于飄浮廣告條幅的商用氫氣球，有探測(cè)高空的氣象用氫氣球以及節(jié)日和玩具用小型乳膠氫氣球等。

圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)

然而，不管氫氣球作何用處，它的填充氣體其實(shí)只有氫氣和氦氣。沒(méi)錯(cuò)，盡管它叫氫氣球，偶爾也還是可以用氦氣作為填充氣體的。

之所以選用這兩種氣體，還要從氫氣球的漂浮原理以及氣體的物理化學(xué)特性講起。

Part.2

氫氣球的漂浮原理

根據(jù)阿基米德定律（Archimedes law，又稱浮力定律），浸在液體或氣體中的物體會(huì)受到向上的浮力，浮力的大小等于物體排開(kāi)的液體或氣體所受的重力。

具體來(lái)說(shuō)就是，氣球填充較低密度氣體后，體積膨脹排開(kāi)空氣，而排開(kāi)的空氣重量就是氣球所受到的浮力（原理圖如下）。

氫氣球漂浮原理圖（作者制作）

由于低密度空氣比同體積的空氣輕，即使加上氣球外皮的重量，氣球整體受到的重力也較輕。于是乎，浮力大于重力，氣球就飄起來(lái)了，然后越飛越高。

那什么樣的氣體可以使氣球飄起來(lái)呢？

我們先來(lái)看看常見(jiàn)氣體的標(biāo)準(zhǔn)密度（單位：千克/立方米）

上表列出了部分常見(jiàn)的低于空氣密度（1.29 kg/m3）的氣體，其中氫氣、氦氣、氨氣及甲烷等明顯比空氣輕。

其實(shí)，理論上來(lái)講只要將上述幾種氣體充入氣球，氣球便可以輕松漂浮起來(lái)，不過(guò)有的氣體由于自身的特性所以并不太適合作填充氣。

其中，氨氣具有強(qiáng)烈刺激性臭味，且容易被吸附在皮膚黏膜和眼結(jié)膜上，從而產(chǎn)生刺激和炎癥。作為廁所下水道的臭味源頭，氨氣被填充到氣球里，實(shí)在不是一個(gè)討喜的行為。

甲烷則是家用天然氣的主要成分，和氫氣一樣易燃易爆，但遠(yuǎn)比氫氣重。所以，市面上可以飄起來(lái)的“氫氣球”的填充氣往往就是氫氣和氦氣了。

圖片來(lái)源：veer

氫和氦是宇宙中含量最多的兩種元素，但在地球大氣中含量卻極少。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于大氣逃逸，在我們這個(gè)地球上，每年約有9.5萬(wàn)噸氫氣和約1600噸氦氣逃逸到宇宙中。

但幸運(yùn)的是，由于地球富含水及各種含氫化合物，所以氫氣實(shí)際上并不難獲取。不過(guò)作為惰性氣體的氦氣，卻很難與其他元素形成化合物，所以氦氣的獲取途徑有限。

整個(gè)巖石圈每年估計(jì)會(huì)產(chǎn)生3000噸氦氣，這些氦氣往往會(huì)被天然氣捕獲并富集，而人類可以通過(guò)開(kāi)采天然氣將氦氣分離提純出來(lái)。氦氣是一種不可再生資源，天然氦氣是目前工業(yè)制備氦氣的唯一來(lái)源，這使得目前全世界的氦氣資源已經(jīng)發(fā)生了全球性的短缺。

作為應(yīng)用于軍工、科研、醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域的稀有戰(zhàn)略性物資之一，氦氣的價(jià)格也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)氫氣。

受限于成本，即便氦氣安全性更高，市面上“氫氣球”里面的充裝氣大部分還是名副其實(shí)的氫氣。

Part.3

氫氣有危險(xiǎn)，玩耍需謹(jǐn)慎

在這些充裝了的氫氣的漂亮氣球背后，其實(shí)蘊(yùn)藏著巨大的安全與環(huán)境隱患。近幾年，因氫氣球爆炸致傷致死的案例屢見(jiàn)報(bào)端。

有新聞報(bào)道顯示，2014年，某地一購(gòu)物廣場(chǎng)開(kāi)業(yè)慶典活動(dòng)中，一只廣告氫氣球脫落后飄至數(shù)百公里外的另一地區(qū)，被一名兒童發(fā)現(xiàn)后，將氣球撿回家中，數(shù)日后氣球發(fā)生爆炸，致房屋倒塌，造成兩人死亡、三人受傷的慘劇。

氫氣易燃易爆，它在空氣中的爆炸極限是4%~75%之間。這意味著，在空氣里，只要?dú)錃夂窟_(dá)到這個(gè)范圍，哪怕只有一點(diǎn)明火，也會(huì)發(fā)生爆炸。

更令人擔(dān)憂的是實(shí)際的生活場(chǎng)景中，氫氣球的氫氣極易泄漏，而且無(wú)需明火，僅僅是橡膠摩擦產(chǎn)生靜電引發(fā)的電火花，也足以引燃或引爆氫氣球。

而且很多氫氣球里填充的氫氣不夠純，再加上灌裝過(guò)程中可能會(huì)混入少量空氣，這使本就危險(xiǎn)的處境更加危險(xiǎn)。

實(shí)際上，早在2006年7月，國(guó)家氣象局等多部門(mén)就聯(lián)合下發(fā)了《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)施放氣球安全管理工作的通知》，提倡以惰性氣體取代氫氣等易燃易爆氣體作為施放氣球的填充物，以減少安全隱患。

綜合看來(lái)，氦氣作為惰性氣體，具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性，不會(huì)像氫氣一樣在身邊成為一個(gè)定時(shí)炸彈。并且它的密度也很低，足以給氫氣球提供足夠的升力。

所以為了大家的安全，在選購(gòu)氫氣球時(shí)，一定要優(yōu)先選擇用氦氣填充的氫氣球，同時(shí)也要將危險(xiǎn)性告訴周邊的小朋友，盡量遠(yuǎn)離氫氣球。

參考文獻(xiàn):

[1]Austerfield, P. J. From hot air to hydrogen: filling and flying the early gas balloons. [J]Endeavour,1990,14(4):194–200.

[2] Zartman, R. E.; Wasserburg, G. J.; Reynolds, J. H. Helium Argon and Carbon in Natural Gases" (J).Journal of Geophysical Research.1961,66(1): 277–306.

[3]劉建湘.淺議氫氣球的安全施放[J]環(huán)境保護(hù),2016,3.

出品：科普中國(guó)

作者：X-Y（中科院大連化學(xué)物理研究所）
監(jiān)制：中科院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心
編輯：王婷婷

文章僅代表作者觀點(diǎn)，不代表中國(guó)科普博覽立場(chǎng)

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