[物理史] 氦的发现
2020-06-10

    



(译自APS News,2014年8/9月)

虽然氦在可观察到的宇宙是第二多的元素,但可由铀等的放射性元素衰变而生成的氦,在地球上却是相对稀少。事实上,氦真的太稀少了,所以直到 1868 年才被发现,这主要都要归功于两位科学家的努力,一位在英国,另一位在法国。

1859 年,克希何夫 (Gustav Kirchhoff) 认知到可用太阳和其他星球所辐射出的光谱来推断它们的化学成分。克希何夫使用此方法,发现了铯和铷两种元素。天文学家对日珥─如火焰般绚丽的气流,现在已知是稠密气体的热云,的研究尤其感兴趣。科学家相信观察日珥最好的方法是在日食期间。 

简森 (Pierre Janssen) 出生在巴黎,幼年的一场意外使他永久跛脚。他在巴黎大学时就读数学和物理,1865 年终于在那里当上建筑学教授。但他的兴趣远广过他的专业,包括许多有关天文和地球物理的科学探测;例如,他远赴秘鲁研究地磁赤道,还到义大利和瑞士研究太阳光谱。

1868 年,简森远至印度贡土尔 (Guntur, India) 观察日食,他专心观察日珥后得到结论说,日珥主要由氢气所组成,加热到极高的温度而形成。然而,在 8 月 18 日,当他从分光镜观察太阳光谱时,他注意到应该显示出钠的黄光波长实际上并不吻合钠的波长。事实上,它不符合当时已知的任何元素的波长。他认为那个光线够亮,所以甚至没有日蚀的帮忙也应该看得见,只要找出一个能过滤掉其他所有波长,而留下那可见光的波长的方法即可。那就是他后来如何发明太阳分光镜,以能更好地分析太阳光谱的方法。

1868 年 10 月 20 日,大约在 5,000 哩外的英国天文学家洛克耶 (Joseph Norman Lockyer) 亦成功地在大白天观察到日珥。他详尽记录所观察到的现象之论文和简森的论文同一天送抵法国科学院,因此两人同享发现氦的功劳。

一开始这是一个令人存疑的荣誉,许多同业怀疑它是一个新的元素,嘲笑他们的结论,有些人则认为氦仅存在于太阳。1882 年,义大利物理学家帕尔米耶里 (Luigi Palmieri) 在分析维苏威火山 (Mount Vesuvius) 的熔岩时,注意到他的资料中也有相同黄光的谱线,这是地球中有氦的最早迹象。又过了 12 年,苏格兰化学家拉姆赛 (William Ramsay) 才进一步发现氦元素的实验证据。

拉姆赛是土木工程师之子,也是苏格兰知名地质学家的姪子。他在德国杜宾根大学 (University of Tübingen) 获得博士学位,最后任职于伦敦大学学院 (University College London),发表了几篇有关氮氧化合物的论文。1894 年,拉姆赛受到瑞立男爵 (Lord Rayleigh) 演讲的激励,成功分离出一种不具化学反应性的新气体─第一个惰性气体,他仿照「懒惰」的希腊字,将其取名为「argon」(氩)。之后他又发现更多的惰性气体:氖、氪和氙,这些成就也终于让他获得了 1904 年的诺贝尔化学奖。

1895 年,拉姆赛着手研究一大块铀矿(钇铀矿),他使用矿酸来处理,希望藉由硫酸分开矿石的氮和氧,能分离出氩。然而,他注意到样品中含有不寻常的气体在里面。拉姆赛寄样品给洛克耶做确认,根据洛克耶的说法,出现在分光镜的就是一道「壮观的黄光」,其光谱和观察太阳色球所提的新元素的光谱相符合。

之后,拉姆赛做了许多测试,确认此谱线的确是新元素,而不是氢的新形式。他的研究后来刊登在同年的《伦敦皇家学会会刊》(Proceedings of the Royal Society of London ),而瑞典化学家克雷弗 (Per Teodor Cleve) 和朗格勒特 (Abraham Langlet) 也成功地从钇铀矿分离出此气体。洛克耶仿照太阳的希腊字「helios」将此新元素取名为「helium」(氦)。

简森在做出此重要的观测后并未闲着,他于 1870、1875、1883 和 1905 年在全球各地观察了更多的日食。在 1870 年阿尔吉尔的日食期间,他乘坐热汽球逃离当时陷于普法战争最紧张时遭围困的巴黎。1874 年,他还在日本目睹了金星凌日,1882 年在阿尔及利亚又再次亲眼目睹,当时的目的是要捕捉凌日开始那一刻的画面。他发明了一个叫做发条装置旋转器的仪器来照相,使用银版摄影法可以在 72 秒连续照 48 张。如此照出来的影片品质很好,鼓励了其他的天文学家在之后的凌日照相时採用。

1893 年,简森在白朗峰 (Mount Blanc) 建造了天文台,这是正确的决定,天文台位于高纬度大气较稀薄可以有很大的优势。那时他已 69 岁,但仍然爬上山,花了好几天做观测。他甚至在早期法国知名的卢米耶荷兄弟 (Lumière brothers) 所拍摄的影片中做了两次客串演出。简森于 1907 年 12 月 23 日过世,距离他所出版的《太阳图集》(Atlas de Photographies Solaires )仅仅 3 年,书中收集了 6,000 多张太阳的照片。

[物理史] 氦的发现[物理史] 氦的发现简森(Pierre Janssen,左图)和洛克耶(Joseph Norman Lockyer,右图)发现了氦。

原文刊载于物理双月刊2015年8月号37卷第4期,感谢杨信男教授同意授权刊载。

系列文章100篇已集结成册,由五南出版,书名为《物理奇才奇事》。


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