August/September 2014 (Band 23, Nummer 8)

August 18 und Oktober 20, 1868: Entdeckung des Heliums

Gemälde von JanssenLockyer-Norman
Fotos von Wikipedia Commons

Pierre Janssen (oben) und Joseph Norman Lockyer (unten), Entdecker des Heliums.

Obwohl Helium das zweithäufigste Element im beobachtbaren Universum ist, ist es auf der Erde relativ selten und entsteht durch den radioaktiven Zerfall von Elementen wie Uran. Es ist sogar so selten, dass Helium erst 1868 entdeckt wurde, und zwar dank der Bemühungen zweier Wissenschaftler aus England und Frankreich.

Im Jahr 1859 erkannte Gustav Kirchoff, dass es möglich war, die chemische Zusammensetzung der Sonne und anderer Sterne durch die Analyse der Spektren des von ihnen ausgesandten Lichts zu bestimmen. Mit dieser Methode entdeckte Kirchoff Cäsium und Rubidium. Die Astronomen interessierten sich vor allem für die Untersuchung von Sonnenprotuberanzen: farbenprächtige, flammenartige Ausbrüche, von denen man heute weiß, dass sie heiße Wolken aus dichtem Gas sind. Am besten ließen sich solche Beobachtungen während einer Sonnenfinsternis machen.

Der in Paris geborene Pierre Janssen erlitt als Kind einen Unfall, der ihn für immer lahm legte. Er studierte Mathematik und Physik an der Universität von Paris und wurde dort 1865 Professor für Architektur. Seine Interessen gingen jedoch weit über dieses Fachgebiet hinaus, und er beteiligte sich an zahlreichen wissenschaftlichen Expeditionen im Bereich der Astronomie und Geophysik. So reiste er beispielsweise nach Peru, um den magnetischen Äquator zu erforschen, und nach Italien und in die Schweiz, um das Sonnenspektrum zu untersuchen.

Im Jahr 1868 reiste Janssen nach Guntur, Indien, um die Sonnenfinsternis zu beobachten. Er konzentrierte sich auf die Sonnenprotuberanzen und kam zu dem Schluss, dass sie hauptsächlich aus Wasserstoffgas bestehen, das auf extrem hohe Temperaturen erhitzt wurde. Als er jedoch am 18. August das Spektrum der Sonne mit seinem Spektroskop beobachtete, stellte er fest, dass die Wellenlänge der gelben Linie, die auf das Vorhandensein von Natrium hinweisen sollte, nicht mit der Wellenlänge dieses Elements übereinstimmte. Tatsächlich stimmte sie nicht mit der Wellenlänge irgendeines bisher bekannten Elements überein. Er war der Meinung, dass die Linie hell genug war, um auch ohne eine Sonnenfinsternis sichtbar zu sein, vorausgesetzt, man fand ein Mittel, um alles sichtbare Licht außer dieser Wellenlänge herauszufiltern. So erfand er das Spektrohelioskop, um das Spektrum der Sonne besser analysieren zu können.

Rund 5.000 Meilen entfernt, am 20. Oktober 1868, gelang es dem englischen Astronomen Joseph Norman Lockyer ebenfalls, die Sonnenprotuberanzen am helllichten Tag zu beobachten. Sein Bericht über diese Beobachtungen wurde am selben Tag wie Janssens Arbeit bei der französischen Akademie der Wissenschaften eingereicht, so dass beide Männer für die Entdeckung des Heliums geehrt wurden.

Anfänglich war dies eine zweifelhafte Ehre: Viele Kollegen bezweifelten, dass es sich um ein neues Element handeln könnte, und machten sich über ihre Schlussfolgerungen lustig. Andere glaubten, Helium könne nur in der Sonne vorkommen. Im Jahr 1882 entdeckte der italienische Physiker Luigi Palmieri bei der Analyse von Lava vom Vesuv genau diese verräterische gelbe Spektrallinie in seinen Daten – der erste Hinweis auf Helium auf der Erde. Es sollte noch 12 Jahre dauern, bis der schottische Chemiker William Ramsey weitere experimentelle Beweise für dieses neue Element fand.

Der Sohn eines Bauingenieurs und Neffe eines bekannten schottischen Geologen promovierte an der Universität Tübingen in Deutschland und wurde schließlich Mitglied der Fakultät des University College London, wo er mehrere Arbeiten über Stickoxide veröffentlichte. Angeregt durch eine Vorlesung von Lord Rayleigh gelang es Ramsey 1894, ein neues Gas ohne chemische Reaktionsfähigkeit zu isolieren – das erste Edelgas, das er Argon nannte, nach dem griechischen Wort für „faul“. In der Folge entdeckte er weitere Edelgase: Neon, Krypton und Xenon und erhielt für seine Leistungen 1904 den Nobelpreis für Chemie.

Im Jahr 1895 untersuchte Ramsey ein Stück Uranerz (Cleveit), das er mit Mineralsäuren behandelte. Er hoffte, Argon zu isolieren, indem er Stickstoff und Sauerstoff mit Schwefelsäure aus der Probe abtrennte. Stattdessen stellte er ein ungewöhnliches Gas fest, das im Inneren der Probe eingeschlossen war und sich im Spektroskop als „herrlicher gelber Schein“ zeigte, so Lockyer, an den Ramsey seine Probe zur Überprüfung geschickt hatte. Sein Spektrum stimmte mit dem des vorgeschlagenen neuen Elements überein, das in der Chromosphäre der Sonne beobachtet worden war.

Nachdem Tests durchgeführt worden waren, um sicherzustellen, dass es sich bei der Linie tatsächlich um ein neues Element und nicht um eine neue Form von Wasserstoff handelte, erschien Ramseys Arbeit später im selben Jahr in den Proceedings of the Royal Society of London, und die schwedischen Chemiker Per Teodor Cleve und Abraham Langlet isolierten das Gas erfolgreich aus Cleveit. Lockyer nannte das neue Element Helium, nach dem griechischen Wort für die Sonne (helios).

Janssen blieb in den Jahren nach seinen bahnbrechenden Beobachtungen nicht untätig. Er reiste um die ganze Welt, um weitere Sonnenfinsternisse in den Jahren 1870, 1875, 1883 und 1905 zu beobachten. Für die Sonnenfinsternis 1870 in Algier floh er in einem Heißluftballon aus Paris, das damals auf dem Höhepunkt des Deutsch-Französischen Krieges belagert wurde. Er beobachtete auch den Venustransit 1874 in Japan und 1882 in Algerien mit dem Ziel, den genauen Zeitpunkt des Transits auf Film festzuhalten. Zu diesem Zweck erfand er ein Instrument, den so genannten Uhrwerkrevolver, mit dem er eine Serie von 48 Aufnahmen in 72 Sekunden mit dem fotografischen Verfahren der Daguerreotypie machen konnte. Die daraus resultierenden Bilder waren so gut, dass sie andere Astronomen dazu ermutigten, seine Methode für künftige Transite zu übernehmen.

Im Jahr 1893 baute er ein Observatorium auf dem Mont Blanc, da er zu Recht feststellte, dass man in größeren Höhen, wo die Atmosphäre dünner war, einen erheblichen Vorteil erzielen konnte. Mit 69 Jahren stieg er dennoch hinauf und verbrachte mehrere Tage mit seinen Beobachtungen. Er hatte sogar zwei Cameo-Auftritte in frühen Filmen der berühmten Brüder Lumière. Janssen starb am 23. Dezember 1907, nur drei Jahre nachdem seine mehr als 6000 Sonnenfotografien gesammelt und im Atlas de Photographies Solaires veröffentlicht worden waren.

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