【深造物理】甚麼是惰性氣體？

走在旺角街頭，看著老牌霓虹燈在新式LED招牌之間仍亮著橙紅色的光，你可能未必想過，這道熟悉的光其實是「幾乎不跟任何東西反應」的氣體在放電下被迫出手。從氣球裡會讓聲音變尖的氦(Helium)，到焊接、滅火系統、MRI磁共振和航天推進，惰性氣體（常與「稀有氣體」、「貴氣體」相混用）無處不在。本文會從原子層級的物理出發，系統介紹何謂惰性氣體、為何「惰性」、它們的例外、以及在現代科技中的角色。

惰性氣體是甚麼？

「惰性氣體」字面上是指化學反應性很低、對多數物質「不理不睬」的氣體。在科學上，常見有兩個重疊但不同的概念：

• 貴氣體／稀有氣體(Noble gases)：元素週期表第18族，包含氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、氡(Rn)，以及實驗室合成的氣奧(oganesson, Og)。它們是惰性氣體的「經典代表」。
• 惰性氣體(Inert gases)（廣義）：指在特定應用中幾乎不參與反應的任何氣體，例如氮(N₂)、二氧化碳(CO₂)有時也被歸入「惰性」用氣（如食品包裝、滅火）。但它們並非第18族元素。

本文主軸放在第18族的貴氣體，同時會點出與「廣義惰性」的分野，避免名詞混亂。

為何它們「不愛反應」？— 從原子結構說起

化學反應的本質是外層電子(Valence electrons)重新分配。第18族原子外層已經「填滿」：氦的外層是2個電子（氦的穩定「雙體規則」duet），氖到氙則多達8個外層電子（八隅體規則 octet）。這帶來幾個關鍵物理量：

• 高電離能(Ionization energy)：要把電子扯走很難，代價高。
• 極低的電子親和力(Electron affinity)：不太「想要」再收電子。
• 封閉殼層(Closed shell)：量子力學上，已佔據的能階組合讓它們處於穩定低能態。

結果是：在常溫常壓下，它們通常以單原子氣體(Monatomic gas)存在，不結合成分子，也很少與其他元素反應。

雖然「冷淡」，但物理特性很精彩

• 色、味、嗅：全為無色、無味、無臭。
• 沸點與密度：由氦到氡，原子越大，電子雲越易被極化(Polarizability)；倫敦色散力(London dispersion)增強，沸點、密度隨之上升。因此氦極度難液化（4.2 K才液化），而氙在較高溫就能液化和固化。
• 導熱與聲速：氦的熱導率高、聲速快（室溫下約1000 m/s），所以吸入氦會讓共鳴條件改變，聲音變尖。但請勿在密閉或高壓環境任意吸入，窒息與壓力傷害風險真實存在。
• 量子效應：氦-4在2.17 K以下進入超流體(Superfluid)相（He II），黏度趨近於零、可攀爬容器壁；氦-3在更低溫（毫開爾文等級）也能成為超流體，這些是低溫物理的經典舞台。

惰性≠永不反應：貴氣體化合物與例外

1962年，化學家Neil Bartlett合成出六氟鉑酸氙(Xe[PtF₆])，改寫了「貴氣體完全不反應」的教科書觀念。此後，人們製備了：

• 氙的氟化物：XeF₂、XeF₄、XeF₆，以及氧化物XeO₃、XeO₄。
• 氪的氟化物：KrF₂（相對難製備，穩定性低）。
• 氡的化合物：如RnF₂被提出過，但氡放射性強，做實驗風險高。

關鍵原理是以極強的氧化劑或高電負度(High electronegativity)分子抽走或共享電子，打破「惰性」。越重的貴氣體（如氙）外層電子更易被極化，較易反應。至於最底下的人造元素氣奧(Og)，理論預測相對論效應(Relativistic effects)讓它更具極化性，甚至在常溫下可能不是氣體，化學性質或許不像典型「貴」；但Og壽命極短、實驗數據極少，這仍屬前沿未知。

如何取得：從空氣與天然氣中「撈」出來

• 空氣分離(Air separation)：大氣中氬約0.93%（體積比），氖約18 ppm、氪約1 ppm、氙約0.09 ppm。工業上以深冷分餾(Cryogenic distillation)逐步分離出氮、氧後，再萃取稀有的氬、氖、氪、氙。
• 氦的來源：地球大氣因重力不足，難留住氦；氦主要由地殼中鈾、釷衰變產生，聚集於天然氣藏。工業以深冷分離、變壓吸附(PSA)等提純。
• 氡：鈾系放射性衰變的產物，自然從土壤、花崗岩釋出，可在室內累積，必須監測與通風降低暴露。

你其實常在生活中使用惰性氣體

• 霓虹燈與放電管(Discharge tubes)：純氖會發出明亮橙紅色；藍光常見於氬+汞蒸氣組合，或內壁螢光粉將紫外轉成各色。LED普及讓能耗更低，但經典霓虹的光色仍是城市文化一部分。
• 焊接與增材製造(3D打印)：氬是TIG/GTAW焊接的標配保護氣(Shielding gas)，可隔絕氧氣避免焊縫氧化；金屬3D列印也常用氬或氮氣氛。
• 燈泡與照明：傳統鎢絲燈內填充氬或氬-氪混合，減慢鎢蒸發；氙弧燈(Xenon arc lamp)能產生近似日光的連續光譜。
• 建築節能：雙層玻璃中填充氬以降低熱傳導，提升保溫隔音。
• 消防系統：資料中心常用惰性氣體滅火（如IG-541：氮/氬/CO₂混合），透過稀釋氧濃度滅火，同時降低對設備的水害風險。
• 醫療與低溫科技：MRI磁體需要液氦(LHe)降溫至超導(Superconducting)工作；氦的回收與再液化系統日益重要，以降低供應風險與成本。
• 半導體與光刻：Excimer（準分子）雷射如KrF、ArF以氖作緩衝氣(Buffered gas)，對晶片製程關鍵；因此全球供應鏈波動（例如工業氣體純化與醫療、先進製造需求）會牽動價格。
• 航太推進：氙離子推進(Ion thruster)因氙原子質量大、易電離且化學惰性，成為深空探測器的高效率推進工質。
• 潛水氣體混合：深潛會使用氦氧混合(Heliox)降低氮醉與高壓神經症風險，但操作需嚴格專業訓練。

發光的物理：惰性氣體為何在電場下變得「多彩」？

在氣體放電(Gas discharge)中，外加電場加速自由電子，與原子碰撞使之激發(Excitation)或電離(Ionization)。激發態原子回到基態時，釋放光子，顏色取決於能階差。由於貴氣體的能階結構不同，光譜線(Spectral lines)也不同，形成特有色彩。

• 氖：鮮明橙紅，「霓虹燈」的經典色。
• 氬：配合汞蒸氣與螢光粉，能呈現藍、綠等色。
• 氙、氪：在脈衝放電與雷射中可形成準分子(Excimer)態，放出紫外光，經螢光轉換或直接應用於微影光刻。

這些過程也連結到等離子體(Plasma)物理：載流子密度、碰撞截面(Cross section)、激發壽命、以及壁面復合等因素，共同決定放電的穩定性與發光效率。

日常安全與風險：惰性不等於「完全無害」

• 窒息風險：惰性氣體不供氧，密閉空間洩漏可能迅速置換空氣，導致缺氧。工業場所需氣體偵測與通風。
• 氦的誤用：直接自鋼瓶吸氣可致肺部壓力傷、空氣栓塞；在無氧環境吸入氦會失去意識。
• 氡的放射性：氡及其衰變子體會附著在呼吸道，是肺癌的主要環境風險之一；測量與通風、密封底層裂縫是實務對策。
• 極低溫危害：液氦、液氖等可造成冷灼傷、材料脆裂，需專業低溫防護。

資源與永續：氦會「用完」嗎？

氦並非可再生的「空氣資源」。地球釋放出的氦若進入大氣，最終會逃離地球重力束縛。現今用於醫療、科研、工業的氦多自特定天然氣田回收。全球曾數度出現「氦荒」與價格飆升，驅動：

• 低溫系統的氦回收與再液化技術。
• 以封閉循環(Closed-cycle)冷頭替代開放式液氦消耗。
• 工業流程中以氮或氬替代的可行性評估（在不影響品質與安全前提下）。

就香港而言，醫療影像與大學低溫物理實驗都倚賴穩定的氦供應；建立良好的回收使用習慣，既可降低成本，也更環保。

惰性氣體速覽：來源、用途與風險

元素	符號	主要來源	代表用途	主要風險
氦	He	天然氣田分離	低溫冷卻、氣密檢漏、氣球	窒息、冷灼傷（液態）
氖	Ne	空氣深冷分餾	霓虹燈、雷射緩衝氣	高濃度窒息
氬	Ar	空氣深冷分餾	焊接保護、窗戶填充、滅火系統	高濃度窒息
氪	Kr	空氣深冷分餾	照明、準分子雷射	高濃度窒息
氙	Xe	空氣深冷分餾	弧光燈、離子推進、麻醉	高濃度窒息、成本高
氡	Rn	放射性衰變產生	研究用途為主	放射性致癌風險

物理學家的角度：幾個常見迷思

• 「惰性＝永不反應」：錯。貴氣體在高能條件或強氧化劑存在下能形成化合物，尤其是氙。
• 「惰性氣體不會發光」：錯。放電下會強烈發光，顏色來自離散能階的躍遷。
• 「惰性氣體一定安全」：不盡然。窒息、低溫、放射性（氡）都是實際風險。
• 「只有貴氣體才算惰性氣體」：不完全。工程上凡能提供惰性環境的氣體都可能被稱為惰性，例如氮、二氧化碳在食品與消防的應用。

深入一點：微觀作用力與宏觀性質的連動

第18族之間沸點遞增，來自電子雲可極化性增加，增強了瞬時偶極—誘導偶極的色散力。這個量子起源的弱作用力，雖較化學鍵弱得多，卻足以決定液化難易與臨界點(Critical point)。同理，氦之所以能在極低溫仍不固化（需在壓力下才固化），是因為原子間吸引勢阱淺、零點能(Zero-point energy)在量子尺度上不容忽視。這種「從微觀到宏觀」的連結，是惰性氣體在物理學課堂上常被拿來說明的經典案例。

應用選擇的理性：為何選它而不是別的？

• 電離容易度 vs. 安全：離子推進選氙，因原子量大、推力效率高；但地面放電設備可能選氬或氖以兼顧成本與放電特性。
• 熱傳與聲學：需要高熱導率、快速傳音就用氦（如某些熱管量測、氣體導熱校正）。
• 化學惰性等級：焊接選氬而非氮，是因氮在高溫會與某些金屬反應生成氮化物；氬更「惰」。
• 光譜需求：要橙紅就用氖，要紫外則考慮氪/氙準分子雷射。
• 供應與成本：氦與氖供應鏈易受波動，工程上常用氬作成本-效益折衷。

結語：看不見的「冷靜角色」，撐起熱鬧的現代生活

惰性氣體像城市裡的「無名英雄」：它們在化學上低調、冷靜，卻在物理特性上各具風格，從量子超流到等離子體發光，從醫療低溫到航太推進。下次看到舊式霓虹燈的紅光、焊花旁的保護槍、或MRI機房的低溫標誌，不妨想起這群第18族夥伴：正是它們的「不反應」，讓許多精密過程得以在可控、安全且高效的條件下發生。理解惰性氣體，不只是在背元素表，而是認識一個跨越微觀量子規律與宏觀工程實務的完整故事。