August/September 2014 (Volume 23, Number 8)

August 18 and October 20, 1868: Odkrycie helu

obraz JanssenaLockyer-Norman
Zdjęcia autorstwa Wikipedia Commons

Pierre Janssen (u góry) i Joseph Norman Lockyer (na dole), odkrywcy helu.

Mimo, że jest drugim najobficiej występującym pierwiastkiem w obserwowalnym wszechświecie, hel jest stosunkowo rzadki na Ziemi, jest produktem rozpadu promieniotwórczego pierwiastków takich jak uran. W rzeczywistości jest on tak rzadki, że hel został odkryty dopiero w 1868 roku dzięki wysiłkom dwóch naukowców, jednego z Anglii, drugiego z Francji.

W 1859 roku Gustav Kirchoff zdał sobie sprawę, że możliwe jest określenie składu chemicznego Słońca i innych gwiazd poprzez analizę widm emitowanego przez nie światła. Kirchoff wykorzystał tę metodę do odkrycia cezu i rubidu. Astronomowie byli szczególnie zainteresowani badaniem prominencji słonecznych – kolorowych wybuchów przypominających płomienie, o których obecnie wiadomo, że są gorącymi obłokami gęstego gazu. Naukowcy uważali, że najlepszym sposobem na przeprowadzenie takich obserwacji jest zaćmienie Słońca.

Urodzony w Paryżu Pierre Janssen uległ w dzieciństwie wypadkowi, w wyniku którego na zawsze stracił sprawność. Studiował matematykę i fizykę na Uniwersytecie Paryskim, zostając w końcu profesorem architektury w 1865 roku. Jego zainteresowania wykraczały jednak daleko poza tę specjalność i brał udział w licznych ekspedycjach naukowych związanych z astronomią i geofizyką. Podróżował na przykład do Peru, aby badać równik magnetyczny, oraz do Włoch i Szwajcarii, aby badać widmo słoneczne.

W 1868 roku Janssen udał się do Guntur w Indiach, aby obserwować zaćmienie Słońca. Skupił się na prominencjach słonecznych i stwierdził, że w większości składają się one z wodoru, podgrzanego do bardzo wysokich temperatur. Jednak 18 sierpnia, kiedy obserwował widmo Słońca przez swój spektroskop, zauważył, że długość fali żółtej linii rzekomo wskazującej na obecność sodu nie zgadzała się z długością fali dla tego pierwiastka. W rzeczywistości nie odpowiadała ona długości fali żadnego znanego do tej pory pierwiastka. Linia była na tyle jasna, że powinna być widoczna nawet bez pomocy zaćmienia, pod warunkiem, że znajdzie się sposób na odfiltrowanie wszystkich fal światła widzialnego poza tą długością. W ten sposób wynalazł spektrohelioskop, aby lepiej analizować widmo Słońca.

Jakieś 5000 mil stąd, 20 października 1868 roku, angielskiemu astronomowi Josephowi Normanowi Lockyerowi również udało się zaobserwować prominencje słoneczne w świetle dziennym. Jego praca opisująca te obserwacje dotarła do Francuskiej Akademii Nauk tego samego dnia, co praca Janssena, więc obaj panowie otrzymali uznanie za odkrycie helu.

Początkowo był to wątpliwy zaszczyt: Wielu kolegów wątpiło, że to może być nowy pierwiastek i wyśmiewało ich wnioski. Inni uważali, że hel może istnieć tylko na Słońcu. W 1882 r. włoski fizyk Luigi Palmieri analizował lawę z Wezuwiusza, kiedy zauważył tę samą charakterystyczną żółtą linię widmową w swoich danych – była to pierwsza oznaka obecności helu na Ziemi. Minęło kolejnych 12 lat, zanim szkocki chemik William Ramsey znalazł dalsze eksperymentalne dowody na istnienie tego nowego pierwiastka.

Syn inżyniera budowlanego i bratanek znanego szkockiego geologa, Ramsey uzyskał doktorat na Uniwersytecie w Tybindze w Niemczech, a następnie dołączył do wydziału University College London, publikując kilka prac na temat tlenków azotu. W 1894 r., zainspirowany wykładem Lorda Rayleigha, Ramsey z powodzeniem wyizolował nowy gaz pozbawiony reaktywności chemicznej – pierwszy gaz obojętny, który nazwał argonem, od greckiego słowa oznaczającego „leniwy”. Następnie odkrył kolejne gazy obojętne: neon, krypton i ksenon, za co w 1904 roku otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii.

W 1895 roku Ramsey badał rudę uranu (cleveite), którą poddał działaniu kwasów mineralnych. Miał nadzieję na wyizolowanie argonu poprzez oddzielenie azotu i tlenu z próbki za pomocą kwasu siarkowego. Zamiast tego zauważył obecność niezwykłego gazu zamkniętego wewnątrz próbki – pojawiającego się w spektroskopie jako „wspaniała żółta poświata”, według Lockyera, do którego Ramsey wysłał swoją próbkę do weryfikacji. Jego widmo pasowało do widma proponowanego nowego pierwiastka obserwowanego w słonecznej chromosferze.

Po przeprowadzeniu testów, aby upewnić się, że linia była rzeczywiście nowym pierwiastkiem, w przeciwieństwie do nowej formy wodoru, praca Ramseya ukazała się w Proceedings of the Royal Society of London później tego samego roku, a szwedzcy chemicy Per Teodor Cleve i Abraham Langlet z powodzeniem wyizolowali gaz z cleveitu. Lockyer nazwał nowy pierwiastek helem, od greckiego słowa oznaczającego słońce (helios).

Janssen tymczasem nie pozostawał bezczynny w latach następujących po jego przełomowych obserwacjach. Podróżował po całym świecie, by być świadkiem kolejnych zaćmień Słońca w 1870, 1875, 1883 i 1905 roku. Na czas zaćmienia w Algierze w 1870 roku uciekł z oblężonego Paryża w czasie wojny francusko-pruskiej balonem na gorące powietrze. Był również świadkiem tranzytu Wenus w Japonii w 1874 r. i ponownie w Algierii w 1882 r., chcąc uchwycić na filmie dokładny moment rozpoczęcia tranzytu. W tym celu wynalazł instrument zwany rewolwerem zegarowym, który był w stanie wykonać serię 48 ekspozycji w ciągu 72 sekund przy użyciu dagerotypowego procesu fotograficznego. Uzyskane obrazy były na tyle dobre, że zachęciły innych astronomów do zaadaptowania jego metody dla przyszłych tranzytów.

W 1893 roku zbudował obserwatorium na Mount Blanc, słusznie uznając, że na większych wysokościach, gdzie atmosfera jest cieńsza, można uzyskać znaczną przewagę. Mając wówczas 69 lat, mimo wszystko wspiął się na szczyt i spędził kilka dni na obserwacjach. Wystąpił nawet dwukrotnie we wczesnych filmach słynnych braci Lumière. Janssen zmarł 23 grudnia 1907 r., zaledwie trzy lata po tym, jak jego ponad 6000 fotografii Słońca zostało zebranych i opublikowanych w Atlas de Photographies Solaires.

Dodaj komentarz