Augustus/september 2014 (jaargang 23, nummer 8)

Augustus 18 en 20 oktober 1868: Ontdekking van Helium

Janssen schilderijLockyer-Norman
Foto’s door Wikipedia Commons

Pierre Janssen (boven) en Joseph Norman Lockyer (onder), ontdekkers van helium.

Helium is weliswaar het op een na meest voorkomende element in het waarneembare heelal, maar is op aarde betrekkelijk zeldzaam. Het is het product van het radioactieve verval van elementen als uranium. Het is zelfs zo zeldzaam dat helium pas in 1868 werd ontdekt, dankzij de inspanningen van twee wetenschappers in het bijzonder, de een in Engeland, de ander in Frankrijk.

In 1859 realiseerde Gustav Kirchoff zich dat het mogelijk was om de chemische samenstelling van de zon en andere sterren af te leiden door de spectra van het licht dat zij uitzenden te analyseren. Kirchoff gebruikte deze methode om cesium en rubidium te ontdekken. Astronomen waren vooral geïnteresseerd in het bestuderen van zonnevlammen: kleurrijke vlamachtige uitbarstingen waarvan nu bekend is dat het hete wolken van dicht gas zijn. De beste manier om zulke waarnemingen te doen, dachten wetenschappers, was tijdens een zonsverduistering.

De in Parijs geboren Pierre Janssen kreeg als kind een ongeluk waardoor hij blijvend verlamd raakte. Hij studeerde wiskunde en natuurkunde aan de universiteit van Parijs en werd daar uiteindelijk in 1865 hoogleraar architectuur. Maar zijn interesses reikten veel verder en hij raakte betrokken bij talrijke wetenschappelijke expedities op het gebied van astronomie en geofysica. Zo reisde hij naar Peru om de magnetische evenaar te bestuderen, en naar Italië en Zwitserland om het zonnespectrum te bestuderen.

In 1868 reisde Janssen naar Guntur, India, om de zonsverduistering te observeren. Hij richtte zich op de protuberansen van de zon en concludeerde dat deze voornamelijk uit waterstofgas bestonden, verhit tot extreem hoge temperaturen. Maar toen hij op 18 augustus het spectrum van de zon door zijn spectroscoop bekeek, merkte hij dat de golflengte van de gele lijn die op de aanwezigheid van natrium zou wijzen, niet overeenkwam met de golflengte voor dat element. In feite kwam het niet overeen met de golflengte van enig bekend element tot nu toe. De lijn was helder genoeg, dacht hij, om zelfs zonder eclips zichtbaar te zijn, op voorwaarde dat men een middel kon vinden om al het zichtbare licht uit te filteren, behalve die golflengte. Zo vond hij de spectrohelioscoop uit om het spectrum van de zon beter te kunnen analyseren.

Op 20 oktober 1868, zo’n 5000 mijl verderop, slaagde de Engelse astronoom Joseph Norman Lockyer er ook in de protuberansen van de zon op klaarlichte dag waar te nemen. Zijn verslag over deze waarnemingen arriveerde bij de Franse Academie van Wetenschappen op dezelfde dag als dat van Janssen, zodat beide mannen met de ontdekking van helium werden geëerd.

In eerste instantie was het een twijfelachtige eer: Veel collega’s betwijfelden of dit een nieuw element kon zijn en maakten hun conclusies belachelijk. Anderen dachten dat helium alleen in de zon kon bestaan. In 1882 analyseerde de Italiaanse natuurkundige Luigi Palmieri lava van de Vesuvius toen hij diezelfde verraderlijke gele spectraallijn in zijn gegevens opmerkte – de eerste aanwijzing voor helium op aarde. Het zou nog 12 jaar duren voordat de Schotse chemicus William Ramsey verder experimenteel bewijs vond voor dit nieuwe element.

De zoon van een civiel ingenieur en neef van een bekende Schotse geoloog, Ramsey promoveerde aan de Universiteit van Tübingen in Duitsland en ging uiteindelijk werken aan de faculteit van het University College London, waar hij verschillende artikelen publiceerde over stikstofoxiden. Geïnspireerd door een lezing van Lord Rayleigh isoleerde Ramsey in 1894 met succes een nieuw gas dat geen chemische reacties vertoont – het eerste inerte gas, dat hij argon noemde, naar het Griekse woord voor “lui”. Vervolgens ontdekte hij nog meer inerte gassen: neon, krypton en xenon, waarvoor hij uiteindelijk in 1904 de Nobelprijs voor scheikunde kreeg.

In 1895 bestudeerde Ramsey een brok uraniumerts (cleveiet), dat hij met mineraalzuur behandelde. Hij hoopte argon te isoleren door stikstof en zuurstof van het monster te scheiden met zwavelzuur. In plaats daarvan merkte hij de aanwezigheid op van een ongewoon gas dat in het specimen opgesloten zat – en dat in een spectroscoop te zien was als een “schitterende gele gloed”, volgens Lockyer, naar wie Ramsey zijn monster ter verificatie had gestuurd. Het spectrum kwam overeen met dat van het voorgestelde nieuwe element dat in de chromosfeer van de zon was waargenomen.

Na tests te hebben uitgevoerd om er zeker van te zijn dat de lijn inderdaad een nieuw element was, in tegenstelling tot een nieuwe vorm van waterstof, verscheen Ramsey’s werk later dat jaar in de Proceedings of the Royal Society of London, en de Zweedse chemici Per Teodor Cleve en Abraham Langlet isoleerden het gas met succes uit cleveiet. Lockyer noemde het nieuwe element helium, naar het Griekse woord voor de zon (helios).

Janssen bleef intussen niet stilzitten in de jaren na zijn baanbrekende waarnemingen. Hij reisde de hele wereld over om getuige te zijn van meer zonsverduisteringen in 1870, 1875, 1883 en 1905. Voor de zonsverduistering van 1870 in Algiers ontsnapte hij aan Parijs – dat op het hoogtepunt van de Frans-Pruisische oorlog werd belegerd – in een heteluchtballon. Hij was ook getuige van de Venusovergang in Japan in 1874, en opnieuw in Algerije in 1882, met het doel het precieze moment van het begin van de overgang op film vast te leggen. Hij vond hiervoor een instrument uit, de zogeheten uurwerkrevolver, waarmee in 72 seconden een reeks van 48 opnamen kon worden gemaakt volgens het daguerreotypie-fotografieproces. De foto’s waren zo goed dat andere astronomen zijn methode voor toekomstige overgangen overnamen.

In 1893 bouwde hij een observatorium op de Mont Blanc, omdat hij terecht vaststelde dat men op grotere hoogten, waar de atmosfeer ijler is, een aanzienlijk voordeel kon behalen. Toen hij 69 jaar oud was, beklom hij de berg toch en deed er enkele dagen observaties. Hij verscheen zelfs twee keer in een vroege film van de befaamde gebroeders Lumière. Janssen overleed op 23 december 1907, slechts drie jaar nadat zijn meer dan 6000 zonnefoto’s waren verzameld en gepubliceerd in de Atlas de Photographies Solaires.

Plaats een reactie