Как учените откриха химичния елемент хелий

„Имах един от най-добрите и най-малко очакваните резултати – спектрите на звездите! И красиви спектри – с цветове и великолепни линии. Ще бъде разкрита още една стъпка и химичният състав на Вселената“, пише астрофизикът Пиер Жул Сезар Жансен до съпругата си от обсерватория в Италия през декември 1862 г. Въоръжен с най-новата технология на времето си и наблюдения, направени от други западни астрофизици, Жансен е решен да открие тайните на галактиката.

На 18 август 1868 г. той (в известна степен) успява да направи точно това – той става първият човек, който вижда хелия, елемент, който никога не е сещан на Земята, в слънчевия спектър. Жансен обаче не знае какво е това – знае само, че е нещо ново.

Пиер Жул Сезар Жансен

В средата на 19 век е вълнуващо време да се гледа към небето. Един съвсем нов инструмент, наречен спектроскоп, разширява полето на астрономията. Подобно по дизайн на телескопа, спектроскопът работи като призма, която разпръсква светлината на вълната с измерими дължини. Един ранен модел позволява на физика Джоузеф Фраунхофер да наблюдава слънцето в началото на 19 век и докато го прави, се появяват някакви черни линии, които го озадачават. Тези черни линии са кръстени на на негово име, въпреки че той няма идея какви са.

Това знание ще дойде няколко десетилетия по-късно от немските изследователи Густав Кирхоф и Робърт Бунсен. През 1859 г. Бунсен и Кирхоф откриват, че нагряването на различни елементи произвежда ярки линии светлина в спектроскопа – а тези линии понякога съответстват на тъмните линии на Fraunhofer.

Учените определят, че ярките линии се появяват при изгаряне на горещ газ. Например водородът гори оранжево, но когато това оранжево мине през спектроскоп, се вижда, че то е съставено от множество конкретни индивидуални цветове с конкретни вълни. По същия начин, тъмните линии, които Фраунхофер открива, представляват светлина, погълната от по-хладен елемент на повърхността на слънцето. „Двамата учени откриват, че всеки химичен елемент произвежда свой уникален спектър светлина„, пише Американският институт по физика. „Това осигурява един вид „пръстов отпечатък“, по който може да се потвърди наличието на определен химикал.“

Анализирайки емисионните спектри на специфични елементи в лабораторията и след това насочвайки техните спектроскопи към звездите, изследователите могат да разберат химичния състав на всичко – от нашето слънце до звездите в цялата галактика.

„Преди спектроскопа нямахме представа от какво е създадено слънцето или въобще от какво са направени звездите“, казва Дебора Уорнър, уредник в отдела по медицина и наука в Националния музей на американската история. „Изведнъж имаме тази почти магическа технология, чрез която можем да разгадаем елементите на тези далечни тела. Така нови елементи започват да се появяват отдясно и отляво, само заради този нов инструмент.“

Жансен се впуска с нетърпение в тази нова форма на анализ на светлината. Въпреки че живее в Париж, той пътува из цяла Европа и Азия в търсене на оптималните места за наблюдение на нощното небе. Той също така гони и затъмнения, посещавайки Италия през февруари 1867 г. и след което пътува чак до Гунтур, Индия, за пълното слънчево затъмнение от 18 август 1868 г. Френското правителство и неговата Национална академия на науките финансират тази експедиция, заедно с тази на друг французин, изразходвайки повече от 75 000 франка за двете пътувания общо.

Но тези пари ще се окажат достойна инвестиция. В деня на затъмнението, въоръжен със своя спектроскоп, Жансен вижда нещо необикновено: ярко жълта линия, чиято дължина на вълната не съвпада с никой известен елемент. Спектърът се доближава най-близо до модела на натрия, но е достатъчно отчетливо различен, за да е ясно, че е нещо друго. Изглежда, че Жансен открива нов елемент, който никога не е срещан на Земята.

В същото време Жансен разкрива и нов начин за наблюдение на слънцето, без да има нужда от затъмнение, използвайки модифициран спектроскоп. След затъмнението той изпраща съобщение, в което описва всичко това, до Академията на науките . Но приблизително по същото време Академията получава съобщение и от английския астроном Норман Локър, че му е попаднало изобретение, което му позволява да гледа слънцето без да е в затъмнение, и прави подобни наблюдения. И тъй като работата на всеки от двамата потвърждава работата на другия, е трудно да се каже окончателно кой прави откритието първи. Астрономът Херве Файе предлага компромисен вариант: „Вместо да се опитваме да разделим достойнството на откритието и съответно да го намалим, по-добре би било да отдадем безпристрастно цялата чест и на двамата мъже на науката, които, разделени от хиляди километри, са имали късмета всеки от тях да достигне до нематериалното и невидимото по метод, който е може би най-удивителният, който геният на човека е замислял някога?“

Двамата изследователи от сърце се съгласяват да споделят честта на откритието, а по-късно дори стават близки приятели. Но наблюдението им все пак остават въпроси и най-важният сред тях е: Какво точно са видели? Не всички учени вярват на наблюдението им, като Локър скоро ще научи. Търсейки доказателство, за да подкрепи твърдението, че той е помогнал за откриването на нов елемент, Норман отива при английския химик Едуард Франкленд, за да опита да възпроизведе модела на дължината на вълната в лабораторията. Франкленд предлага, че това може да е причинено от водород при екстремни температури и налягане, но по-късно при експерименти теорията му е отхвърлена.

Скептицизмът по отношение на възможността да има елемент, който съществува в Космоса, но не и на Земята, може би не е изненада, като се има предвид, че той е първият по рода си. Научните историци Джеймс Л. Маршал и Вирджиния Р. Маршал пишат: „Франкленд, може би предпазлив поради множеството грешни „новооткрити елементи“, произтичащи от наличните вече наличната технология за спектриране, твърди, че не искат името му да се свързва с въображаем елемент“, дори след като Локиер става известен, кръщавайки новия го „Хелий“, по гръцкото име за слънцето.

Хромосфера

Не всички обаче са толкова скептични. Американският учен Джон Уилям Драпър възхвалява откритието през 1876 г. в обръщение на срещата на Американското химическо дружество. „Често гледам ярко жълтия лъч, идващ от хромосферата на слънцето, от този неизвестен елемент – хелий, както астрономите са се осмелили да го нарекат. Изглежда треперещ от нетърпение да разкаже историята си и колко невиждани спътници има“, каза Дрейпър.

Едва през 1882 г. физик забеляза хелий и на Земята. Луиджи Палмиери забелязва жълтата спектрална линия, докато анализира лава от връх Везувий. Това откритие е последвано от експерименти, проведени от шотландския химик Уилям Рамзи и от 1895 г. изследователите могат окончателно да кажат, че хелият съществува както на слънцето, така и на Земята. Рамзи успява да покаже и, че елементът е продукт на радиоактивно разпадане на радий и го поставя в периодичната таблица.