Светлина и недоверие: Как е открит хелият

„Постигнах един от най-добрите и най-малко очаквани резултати – спектрите на звездите! – и то красиви спектри с пъстри цветове и великолепни линии. Само още една стъпка и химическият състав на Вселената ще бъде разкрит“, пише астрофизикът Пиер Жул Сезар Жансен на жена си от обсерватория в Италия през декември 1862 г. Въоръжен с най-новите технологии по онова време и наблюдения, направени от други западни астрофизици, Жансен е решен да разкрие тайните на галактиката.

На 18 август 1868 г. той успява да направи точно това – и става първият човек, който наблюдава хелий, елемент, невиждан досега на Земята, в слънчевия спектър. По това време обаче Жансен няма идея какво гледа – само знае, че е нещо ново.

Пиер Жул Сезар Жансен

Средата на 1800 г. е вълнуващо време да погледнем към небесата. Нов инструмент, наречен спектроскоп, разширява областта на астрономията: подобен по дизайн на телескопа, той работи като свръхмощна призма, разделяйки светлината на отделни вълни с измерими дължини. Ранен модел на спектроскопа позволява на физика Йозеф фон Фраунхофер да наблюдава слънцето в началото на 19 век – но той е озадачен от мистериозни черни линии, които прекъсват нормалните цветове. Тези черни линии са наречени на него, въпреки че и той не знае какво гледа.

Загадката ще бъде разкрита няколко десетилетия по-късно от германските изследователи Густав Кирхоф и Роберт Бунзен. През 1859 г. Бунзен и Кирхоф откриват, че нагряването на различни елементи произвежда ярки светлинни линии в спектроскопа – и тези светлинни линии понякога съответстват на тъмните линии на Фраунхофер.

Учените установяват, че ярките линии се появяват при горене на газ. Например, водородът изгаря в оранжево, но когато се наблюдава чрез спектроскоп, става ясно, че оранжевото се състои от множество отделни тесни дължини на вълната на светлината. По същия начин тъмните линии, които Фраунхофер открива, представляват светлина, погълната от по-хладен елемент на повърхността на слънцето. „Двамата учени установиха, че всеки химичен елемент произвежда уникален спектър“, пише Американският институт по физика. „Това осигурява един вид „пръстов отпечатък“, който може да потвърди наличието на този 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 слънце ни до останалите звездите в галактиката.

Жансен потъва с ентусиазъм в тази нова форма на светлинен анализ. Въпреки че живее в Париж, той пътува из Европа и Азия в търсене на оптимални гледни точки за наблюдение на нощното небе. Той също гони затъмнения, посещавайки Италия през февруари 1867 г. и след това отивайки чак до Гунтур, Индия, за пълното слънчево затъмнение на 18 август 1868 г. Френското правителство и неговата Национална академия на науките финансират тази експедиция, заедно с тази на друг французин, като харчи над 75 000 франка за двете пътувания.

Но високата цена се оказва достойна инвестиция. В деня на затъмнението, въоръжен със своя спектроскоп, Жансен вижда нещо необикновено: ярко жълта линия, чиято дължина на вълната не съвпада с нито един от известните елементи. Спектърът се доближава най-близо до модела на натрий, но е достатъчно отчетливо различен, за да заслужи собствена категория. Изглежда е открит нов елемент, невиждан досега на Земята.

Норман Локър

В същото време Жансен разкрива нов начин за наблюдение на слънцето без необходимост от затъмнение, използвайки модифициран обхват. Той изпраща вест за всичко това до Академията на науките след затъмнението. Но по същото време Академията получава съобщение от английския астроном Норман Локър, че се е натъкнал на изобретение, което му позволява да гледа слънцето също без затъмнение, и е направил подобно наблюдение. Така като двете отделни независими работи се потвърждават една друга, трудно е да се дадат окончателни заслуги на единия от двамата учени. Астрономът Херве Фей предлага нещо като компромис: „Вместо да се опитваме да делим заслугата за откритието и вследствие на това да я намалим, не би ли било по-добре да отдадем безпристрастно цялата чест и на двамата от тези хора на науката, които, разделени от няколко хиляди километра, са имали късмета всеки да достигне до нематериалното и невидимото чрез метод, който е може би най-удивителният, който геният на наблюдението някога е замислял?“ Двамата изследователи се съгласяват от сърце.

Но въпросите остават. Най-важният сред тях: Какво точно бяха видели Жансен и Локър? Не всички учени вярват на наблюдението, както Локиър скоро ще научи. Търсейки доказателство в подкрепа на твърдението, че е помогнал да се открие нов елемент, Локър се обръща към английския химик Едуард Франклънд, за да се опита да възпроизведе модела на дължината на вълната в лабораторни условия. Франклънд предполага, че това може да бъде причинено от водород при екстремни температура и налягане, но те не все пак са успяват да го пресъздадат.

Скептицизмът относно възможността за елемент, съществуващ в космоса, но не и на Земята, може би не е изненада, тъй като той е първият по рода си. Научните историци Джеймс Л. Маршал и Вирджиния Р. Маршал пишат: „Франклънд, може би предпазлив поради множеството погрешни „новооткрити елементи“, които се появяват със спектрографията, не иска името му да се свързва с нов въображаем елемент“, дори след като Локър публично говори за него, като го нарича „Хелий“ по гръцкото име за слънцето.

Не всички обаче са толкова скептични. Американският учен Джон Уилям Дрейпър превъзнася откритието през 1876 г. в обръщение на учредителната среща на Американското химическо общество. „Често гледам ярко жълтия лъч, излъчван от хромосферата на слънцето, от този непознат елемент, хелий, както астрономите са се осмелили да го нарекат. Изглежда треперещ от вълнение да разкаже историята си и колко още невидими спътници има.“

Уилям Рамзи

Едва през 1882 г. физик забелязва хелий и на Земята. Италианският физик Луиджи Палмиери записва жълтата спектрална линия в своите данни, докато анализира лава от Везувий. По-късно това откритие е последвано от експерименти с газ, проведени от шотландския химик Уилям Рамзи, а от 1895 г. изследователите могат окончателно да кажат, че хелият съществува както на Земята, така и на слънцето. Рамзи казва още, че хелият е продукт на радиоактивното разпадане на радий, и го поставя спрямо другите елементи в периодичната таблица.

Днес хелий е може би най-известен като газ за балони за рожден ден, но той също така служи за важни цели в медицинските машини, както и в космическите кораби и радиационните монитори. Използва се също в компютърни части, микроскопи, въздушни възглавници в автомобилите и Големия адронен ускорител.