Гелий на солнце

ГЕЛИЙ НА СОЛНЦЕ

Еще в 1869 г. в первом сообщении о периодическом законе Менделеев, говоря о направлениях, в которых следует вести поиски не открытых еще «кирпичей мироздания», косвенно указал на вероятность существования гелия. Он писал: «Если можно выразить пожелание, глядя на прилагаемую таблицу, то именно наиболее желательным мне кажется пополнить число элементов, стоящих ближе к водороду. Те элементы, которые представят переход от водорода к бору и углероду, составят, конечно, наиболее важное научное приобретение, какого только можно ждать при знакомстве с вновь открываемыми простыми телами».
 
Приблизительно в то же время астрономы обнаружили гелий в атмосфере Солнца. Было несколько причин того, что это открытие довольно долго оставалось незамеченным или неоцененным химиками. Во-первых, подвергалась сомнению реальность существования нового вещества; во-вторых, событие произошло в астрономическом мире, далеком химикам, и наконец, кое-кому думалось, что если такое вещество и существует, то находится оно слишком далеко от Земли и земных интересов.
 
Корни этого астрономического события легко проследить. Оно порождено открытием,  которое  в  1860 г. стало известным научному миру, когда немецкие ученые Г. Кирхгоф и Р. Бунзен опубликовали свою знаменитую статью «Химический анализ с помощью наблюдения спектра». Это открытие дало естествоиспытателям могуществен- ное орудие изучения качественного состава всякого предмета — близкого или отдаленного — лишь бы свет его мог достигнуть глаз наблюдателя. Явилась возможность обнаруживать присутствие совсем незначительных количеств вещества не только на земном шаре, но и за его пределами в раскаленной атмосфере Солнца и других небесных светил, отдаленных от Земли пространством в тысячи световых лет.
 
Применение спектрального анализа дало обильнейшие плоды. В течение только двух первых лет, последовавших за открытием нового метода, Бунзен при помощи спектроскопа открыл в минералах и затем выделил из них новые элементы — цезий и рубидий, Крукс нашел в колчеданных огарках таллий, а немецкие ученые Рейх и Рихтер — индий.
Таким блистательным был уже первый этап применения спектрального анализа. В XX в. его возможности необычайно расширились. Он стал методом не только качественного, но и количественного анализа, методом определения атомного и молекулярного состава веществ. На основании изучения спектров судят теперь о физическом состоянии небесных светил и их отдаленности от Земли, определяют яркость звезд, температуру их поверхности, плотность звездной атмосферы и многое другое. Но, пожалуй, наиболее глубокое и важное применение, нашел спектральный анализ в исследовании тончайших деталей в строении электронных оболочек атомов, в познании законов микромира.
 
Можно понять нетерпение, с каким астрономы ожидали полное солнечное затмение 1868 г. Они собирались впервые применить спектроскоп для изучения атмосферы Солнца и разрешить важный вопрос: существуют ли солнечные протуберанцы и какова их природа?
Протуберанцами называются красные светящиеся выступы (факелы) на краях солнечного диска, видимые невооруженным глазом только при полном затмении. Как ни странно, но эти исполинские факелы были впервые замечены только в 1842 г. английским астрономом Бойли. Его сообщение было принято весьма скептически; преобладало мнение, что тут имел место оптический обман. Но последующие полные затмения 1851 г., и особенно 1860 г., заставили большинство ученых пересмотреть свои позиции. Съехавшиеся в 1860 г. в Испанию астрономы смогли воочию увидеть огненные выступы, кое-кто даже успел их зарисовать, сфотографировать и заметить, что они непрестанно меняют свои очертания.
 
Появились различные догадки относительно природы этого явления. Одни считали, что это лунные горы, освещенные лучами Солнца. Другие склонны были видеть в них горы на самом Солнце. Но наиболее проницательные из ученых заявили, что это гигантские столбы раскаленных газов, выбрасываемые взрывами чудовищной силы, происходящими внутри Солнца. Тут очень помог бы только что изобретенный спектроскоп, но случилось так, что при подготовке к наблюдению о нем забыли и вспомнили лишь после затмения.
 
Зато при затмении 1868 г. астрономы в различных пунктах земного шара уже наводили спектроскопы на Солнце. Среди наблюдавших был француз Жансен, пред- принявший ради этого дальнюю поездку на восточное побережье Индии, где видимость солнечной короны обещала быть наилучшей. В тот же день он отправил из индийского городка Гунтура во Французскую академию наук телеграмму: «Наблюдалось затмение, протуберанцы, замечательный неожиданный спектр. Протуберанцы состоят из газов».
 
Жансену удалось отрегулировать щель спектроскопа таким образом, чтобы линейчатый спектр короны Солнца можно было наблюдать не только при затмении, но и в обычные дни. На следующее же утро он заметил в спектре короны наряду со знакомыми линиями водорода —синей, зелено-голубой и красной — очень яркую желтую линию. Эту линию видели и некоторые другие астрономы в день затмения. Вначале она была принята за линию D натрия, так как по цвету и расположению они были схожи.
 
Но спустя пару месяцев Жансен и англичанин Локьер установили, что ярко-желтая линия в солнечном спектре не совпадает с линией натрия и вообще в спектрах известных на нашей планете элементов такой линии нет. Впоследствии ей ,был присвоен символ D3.
Не медля Жансен отправил в Академию письмо, где изложил свои наблюдения и описал новый метод спектроскопического исследования, пригодного во всякое время. Долго шло письмо из далекой Индии и прибыло в Париж только 24 октября 1868 г. В тот же день, но несколькими часами раньше, в Академию поступило и письмо из Лондона,  написанное всего четыре дня назад  Локьером Этот астроном также открыл способ наблюдения протуберанцев вне затмения и также обнаружил желтую линию D3; яркость ее так велика, что было бы трудно ее не заметить.
 
На следующий день оба письма были зачитаны на заседании Академии. Два сообщения из разных концов мира полностью согласовывались друг с другом. Открыт метод, позволяющий начать проникновение в тайны космических тел! Французская академия приняла решение отчеканить в честь выдающегося события медаль. На одной стороне медали  были выбиты портреты Жан-сена и Локьера над скрещенными ветвями лавра, а на другой — изображение мифического бога Солнца Аполлона, правящего в колеснице скачущей во весь опор четверкой коней. По краю медали вьется надпись: «Анализ солнечных выступов 1868 года».
Надо подчеркнуть, что именно в честь нового метода исследования протуберанцев и далеких светил, а не .открытия нового элемента была выбита медаль. Вопрос о том, какому веществу отвечает линия» D3, еще долго оставался нерешенным.
 
Год спустя Райе высказал мысль, что раскаленный газ, лучи которого дают таинственную желтую линию, вместе с водородом составляет солнечную атмосферу. Прошло еще два года,  и Локьер (совместно с Франкландом) назвал это вещество гелием, но сам не был уверен, что это действительно новое простое вещество, а не какой-то металл или разновидность водорода, не встречающаяся на Земле. Другие ученые выдвинули гипотезу, что это тяжелый водород формулы Н4. Итальянец Секки, по-видимому, первым осмелился сделать заключение, что на Солнце существует элемент, неизвестный на Земле. Все знания астрономов о природе и свойствах гелия исчерпывались представлением об особенностях его спектра. Эти знания позволили им, однако, обнаружить гелий в атмосфере ряда звезд .
 
Что касается ученых иных специальностей, то они мало интересовались гелием, поскольку на Земле его никто не встречал.
В 1881 г. в научном мире произошло событие — незначительное по существу, но породившее ожесточенные споры, не оконченные и по сей день. В тот год итальянец Пальмиери опубликовал сообщение об открытии им гелия в вулканических газах (фумаролах). Это было первое указание на присутствие гелия на Земле.
Пальмиери исследовал светло-желтое твердое маслянистое вещество, оседавшее из газовых струй на краях кратера Везувия. Этот вулканический продукт ученый прокаливал в пламени бунзеновской горелки и наблюдал спектр выделявшихся газов.
 
Однако свой опыт Пальмиери описал неясно, выполнение спектрального анализа в таких условиях было крайне затруднительным, поэтому ученые круги встретили его сообщение с недоверием. И только спустя многие годы,  когда присутствие гелия в газах земной коры было признано бесспорным фактом, стали изучать состав фумарол и обнаружили в них очень небольшие количества гелия и аргона.
 
Тем временем Рэлей и Рамзай продолжали изучать открытый ими аргон. В январе 1895 г. ученые сделали сообщение в Английском Королевском обществе о безуспешных попытках получить химические соединения аргона с другими элементами. Их выступление слушал минералог Майерс. Он вспомнил статью химика-аналитика Гиллебранда, специализировавшегося в области анализа минералов и горных пород и поэтому опубликовавшего свою статью в геологическом журнале, куда редко заглядывали химики. В статье, написанной четыре года назад, сообщалось об аналогичных опытах с газом, выделенным из минерала уранита (смоляной обманки) путем кипячения с серной кислотой или плавления с содой. Уже тогда автор обратил внимание на то, что количество выделенного газа находится в прямой зависимости от содержания урана в минерале. Гиллебранд сделал вывод, что обнаруженный им газ — азот. Ведь газ был без цвета, вкуса и запаха, не растворялся в воде и не окислялся.
 
На следующее утро Майерс прислал Рамзаю письмо, в котором обратил его внимание на упомянутую статью и посоветовал выяснить: быть может, Гиллебранд имел дело не с азотом, а с аргоном?
Получив письмо, Рамзай послал своих помощников купить урановые минералы. Обойдя все лондонские химические магазины, они смогли собрать около 30 г клевеита — редкого минерала, содержащего уран, торий и свинец. Клевеит был найден в Норвегии знаменитым полярным исследователем Норденшельдом.
Рамзай долгое время кипятил образцы в разбавленной серной кислоте, собирая выделяющиеся пузырьки в газомер. В марте он собрал 20 см3 бесцветного газа. Рамзай перевел газ в стеклянную трубку, узкую посредине и расширенную в концах, и запаял ее, введя в концы платиновые проволочки. При пропускании электрического тока газ в трубке ионизировался; происходило также термическое возбуждение атомов, в результате него газ свети и можно было наблюдать его спектр.   
 
Конечно, Рамзай был весьма удовлетворен, видя ожидаемые им синюю, оранжевую и зеленые линии, характерные для спектра аргона, но сразу же скажем, что тут он впал в ошибку, осознанную им лишь впоследствии. Аргон проник в трубку из воздуха во время подготовки опыта. И вот, наблюдая спектр аргона, ученый был потрясен; он увидел блестящую желтую линию, которая по положению почти совпадала с линией D натрия, но все же ясно отличалась от нее. Эта линия была настолько неожиданной, что Рамзай несколько раз повторял наблюдения. Но сомнений не оставалось в трубке присутствовало какое-то новое вещество.
Рамзаю приходилось слышать и читать о загадочной линии в спектре солнечной короны, но можно ли думать, что он держит в своих руках солнечное вещество!     
 
В Лондоне жил выдающийся спектроскопист того времени Крукс. Рамзай послал ему свою трубку с газом для детального исследования. В сопроводительном письме он сообщил, что открыл новый газ, которому дал имя «криптон» (по-гречески «скрытный»). Крукс в этот же вечер произвел анализ и на следующее утро телеграфировал: «Криптон есть гелий точка приезжайте посмотреть точка». И когда Рамзай цриехал, Крукс показал ему не только линию D3, по и ряд других линий в спектре гелия — красные, синие, фиолетовые, которые, как менее яркие, астрономы не смогли различить в спектре Солнца. Более того, сама линия D3 оказалась состоящей из двух сближенных линий; это впоследствии явилось причиной сомнений многих ученых в тождественности «земного» и «солнечного» гелия. Однако прошло немного времени, и астрономы, пользуясь спектроскопами большей разрешающей силы, обнаружили в спектре солнечного протуберанца точно такую же сдвоенную линию. Так астрофизические наблюдения были исправлены при изучении вещества на Земле.
 
Прошлый век ознаменовался открытием многих химических элементов, однако ошибочных «открытий» было также немало. Обычно каждый первооткрыватель стремился-возможно скорее утвердить свой приоритет. Так поступил и Рамзай. В тот же день (23 марта 1895 г.) он послал сообщение об открытии им гелия на Земле в Королевское общество, а также во Французскую академию через известного химика Бертло. А спустя две недели Бертло получил аналогичное сообщение от шведского химика Лангле; не зная об опытах Рамзая, Лангле тоже получил гелий из клевеита.
 
Вскоре гелий был обнаружен в ряде минералов и горных пород, особенно в тех, где присутствует уран или торий (связь между этими элементами и гелием выяснилась значительно позднее). Нашли гелий также в газах Вильбадских источников в Германии и отдельных метеоритах.
Имея в своем распоряжении очень мало гелия, Рамзай все же установил, что этот газ химически инертен, как и аргон, а по легкости уступает лишь водороду.   
 
Но коль скоро гелий присутствует в земной коре, то он должен непрестанно поступать в атмосферу, улетучиваясь туда с газами из водных источников, а также сквозь поры и трещины горных пород. Первые попытки найти его в воздухе, предпринятые Рэлеем, Рамзаем и другими исследователями, не дали успеха. В связи о этим появились утверждения, что благодаря своей легкости гелий, как и водород, полностью уносится из атмосферы в космическое пространство.
Но не прошло и года со дня открытия гелия, как Кайзер опроверг это мнение. Он рассудил, что характерные для гелия линии спектра не удается обнаружить в воздухе потому, что его там очень мало. Надо изучать некий воздушный концентрат, обогащенный гелием. Он исследовал аргоновую фракцию воздуха, полностью удалив из нее азот, кислород, углекислоту и влагу, и обнаружил в ней линию D3 и еще одну гелиевую линию.
 
Правда, линии были очень слабы и видимы в течение лишь нескольких секунд. В следующем, 1896 г. такой же результат был получен Фридлендером, а еще через два года Бэли окончательно доказал присутствие гелия в воздухе. Последний исследовал уже не аргон, а более богатую гелием неоновую фракцию воздуха.
Однако находка гелия в воздухе была только началом. Надо было научиться выделять его из этого столь доступного источника. Это удалось сделать Рамзаю и его помощнику Траверсу позднее, в самом начале нашего века, когда холодильная техника дала ученым возможность работать с большими количествами жидкого воздуха,
 
В холодильной машине при минус 200° С были приготовлены сотни килограммов жидкого воздуха. Медленно нагревая его, ученые собрали первую, наиболее легко испаряющуюся часть воздуха, состоявшую из гелия, неона и азота. Эти воздушные «сливки» подвергали более глубокому (до —253° С) охлаждению жидким водородом, а затем вновь испаряли. Таким способом удавалось собирать существенные количества довольно чистого гелия.
Оказалось, что гелия в воздухе содержится очень мало — в 2000 раз меньше, чем аргона, и когда потребность в нем возросла, стали искать другие, более экономичные источники получения. О них пойдет речь позднее.
 
Кстати сказать, почему в названии нашего газа необычное окончание «ий» (по-латыни «um» — Helium), свойственное названиям металлов? Причина в том, что Локьер, давший это имя, вначале полагал, что гелий — это металл. А как бы следовало назвать газ, зная его истинное лицо? По аналогии с именами прочих инертных газов логично было бы дать ему имя «гелион».

Статья на тему Гелий на солнце