Hélium

bélyegkép|Hélium-neon lézer

A hélium a periódusos rendszer második kémiai eleme, a legkisebb rendszámú nemesgáz. Vegyjele He, rendszáma 2. Színtelen és szagtalan, továbbá – nemesgáz lévén – kémiailag közömbös. Minden elem közül a hélium forráspontja a legalacsonyabb. A hidrogén után a második leggyakoribb elem a világegyetemben, de a Föld légkörében csak nyomokban fordul elő (kb. 0,0005%About Helium Gas . Heliumuk.com.uk (héliumforgalmazó vállalati honlap). Link beill. 2010. január 17.). Gazdaságosan földgáz és hélium elegyéből vonható ki. Felhasználják léggömbök és léghajók töltőanyagaként, valamint cseppfolyós állapotában hűtőanyagként, például szupravezető mágnesekben. Nevét a Nap görög nevéről (Héliosz, Ἥλιος) kapta, mivel először a Nap színképének vizsgálatával mutatták ki — ekképpen ez az egyetlen olyan elem, amelyet először nem a Földön találtak meg. Elektronszerkezete 1s2.

Története Összefoglalás

A tudósvilág az 1800-as évek második felétől kezdte el helyesen értelmezni a hélium létezésére utaló jeleket. A színképelemzéssel foglalkozó, főként csillagász kutatók a hetvenes évek elején arra a feltételezésre jutottak, hogy a Nap külső peremének, az ún. kromoszférának, valamint más égitesteknek a színképe egy addig ismeretlen és elemi jellegű anyag meglétére utalhat. Mintegy huszonöt év múlva a héliumot földi körülmények közt is előállították, ezzel igazolva azt, hogy egyáltalán létezik. A huszadik században rájöttek, hogy a hélium egészen közönséges elemnek számít a Világegyetemben (lévén a csillagokat működtető nukleáris reakciók egyik végterméke), és különleges tulajdonságait (mint pl. egyes változatainak a szuperfolyékonysága) is felfedezték, továbbá fontos szerep jutott neki az atomfizikában és a kozmológiában.

A D3 színképvonal bélyeg|bal|100px|Janssen

A héliumra utaló jelet először Pierre Janssen francia csillagász észlelte egy 1868. augusztus 18-án kezdődött napfogyatkozást megfigyelve az indiai Guntúrban.Egyes források szerint Janssen a Vijaydurg Erődben tette a felfedezést, Helge Kragh tudománytörténész szerint (The Solar Element (reconsideration of Helium's Early History); Annals of Science (tud. f.ir.), 66./2. (2009. április), 157–182. o.) pedig Janssen szerepe a D3 vonal felfedezésében megkérdőjelezhető, például az október 19-ei, a Francia Akadémiának írt levelében egyáltalán nem is említi (az mindenesetre valószínű, hogy Janssen, Lockyerrel ellentétben, sokáig egyáltalán nem volt tudatában annak, mit fedezett fel). A Francia Akadémia megbízásában álló Janssennek – aki a napfogyatkozás megfigyelésére Hátsó-Indiába induló 6 európai expedíció munkatársainak egyike volt – először volt alkalma, hogy megvizsgálja a Nap láthatónak maradt részének emissziós színképét a Joseph von Fraunhofer által bő fél évszázaddal korábban (1814-ben) feltalált csillagászati spektroszkóppal.

bélyeg|bal|100px|Lockyer

Ahogyan várta, a kapott színkép fényes vonalakból állt. A legfényesebbek a Fraunhofer-féle C- és F-vonalak (a hidrogén vonalai) voltak, de ezeken kívül észrevett egy addig még le nem írt, meglehetősen fényes sárga vonalat is, nagyjából a nátrium D vonalainak helyén.Kálmán Béla: Napfogyatkozások ; 1998; Link beill. 2010. január 15. Két nap múlva, egy felhős időszak után, sikerült megismételnie az eredményt a teljes Napkorongot vizsgálva. A következő hetekben (szept. 4-ig) Gunturban, majd a Himalája területén dolgozott egy új műszer, a spektrohelioszkóp megalkotásán, amelyre azért volt szükség, hogy a napfogyatkozás elmúltával is rekonstruálni tudja az eredményt, kiszűrve a már nem eltakart alsóbb szférák által kibocsátott zavaró hullámhosszakat, és megfigyelhesse a kromoszférát akár fényes nappal is. Erőfeszítései végül sikerrel jártak.R. K. Kochbar: French Astronomers in India during the 17-19th centuries (Francia csillagászok Indiában a 17-19. században). Cikk a SAO/NASA ADS adattár archívumában. Link beill.: 2010. január 5.

Két hónappal később és Janssentől függetlenül Norman Lockyer, egy brit (ekkor még amatőr) csillagászLockyer ekkoriban tisztviselő volt, és hobbiként foglalkozott asztronómiával; később azonban a Kensingtoni Napfizikai Obszervatórium igazgatója lett. is észlelte (napfogyatkozás nélkül) a Nap kromoszférájánakA „kromoszféra” szó is Lockyer alkotása, ld. Kálmán Béla: Napfogyatkozások ; 1998; Link beill. 2010. január 15. színképében található rejtélyes sárga vonalat, amikor 1868. október 20-án kipróbálta új, nagy teljesítményű spektroszkópját.

Mindketten jelentésben számoltak be a Francia Akadémiának megfigyeléseikről; ezek a véletlen folytán az akadémia ugyanazon ülésére (október 26.)Helge Kragh: The Solar Element (reconsideration of Helium's Early History); Annals of Science (tud. f.ir.), 66./2. (2009. április), 157–182. o. futottak be; és mellesleg olyan eredményesnek és jelentősnek találtattak, hogy pár évvel később emlékérmet is vertek tiszteletükre (1872), Janssen és Lockyer kettős képével. Azonban a francia kormány még nem a színképben foglalt új vonal észrevételéért, hanem a kromoszféra nappali megfigyelését lehetővé tevő eszköz (spektrohelioszkóp) kidolgozása, valamint a kromoszféra jelenségeinek (protuberanciák stb.) leírása miatt jutalmazta őket; vagyis az éremnek a héliumhoz még kevés köze volt.

Angelo Secchi|bélyeg|100px|bal

Az új, 587,49 nm-es hullámhossznak megfelelő fényes sárga vonalat, amelyet laboratóriumban még soha senki nem figyelt meg azelőtt, és amely Fraunhofer 1817-es színképvonal-osztályzásában sem szerepelt, de amely a nátriumhoz kapcsolható „D” vonalakhoz (D1 és D2) állt a legközelebb, Janssen és Lockyer mellett többen is észlelték, és azt is megállapították, hogy a Nap „normális” (abszorpciós, azaz sötét vonalakból álló) színképében nincs meg a neki megfelelő Fraunhofer-féle vonal. Ennek ellenére (valószínűleg a D-vonalakhoz való közelsége miatt) egyszerűen a nátriumnak tulajdonították;Charles Augustus Young: Helium, its identification and properties (A hélium: azonosítása és tulajdonságai). In: Popular Science (folyóirat); 48./21. (1896. január).; a) 339. o. b). 340. o. c). 341. o. Googlebooks találat, link beill.: 2010. január 22. a kezdetben fel sem merült, hogy új elemre utalna. El is nevezték a Lockyer által „új D-vonalnak” leírt színképvonalat D3-vonalnak (ez az elnevezés, amely hamar elterjedt, valószínűleg P. A. Secchi olasz csillagásztól eredPietro Angelo Secchi: Observations Relatives agrave une Communication Reacutecente de M. Lockyer sur la Constitution Solaire; Comptes Rendus, 69. köt. (1869), 315.-320. o.A. M. Arkharov: [Helium: History of its discovery, technology of its liquefaction, areas of its application] (a link csak előnézet). Chemical and Petroleum Engineering (folyóirat), 31/2 (1995. február); 50–60. o.).

A vonalat, illetve hasonló vonalakat, amelyek néha együtt jártak a D3-mal, megtalálták más égitestek színképében is. Emissziós (világos) vonalként például Alfred Cornu megtalálta a Hattyú csillagkép egyik csillagában 1876-ban;Alfred Cornu: Sur le Spectre de l'Eacutetoile Nouvelles de la Constellation du Cygne, Comptes Rendus, 83. köt. (1876), 1172–1174. o., ld.: „a színkép egyik vonala valószínűleg ugyanaz, mint a kromoszféra fényes λ=587 vonala (hélium)” 1888-ban Ralph Copeland pedig az Orion-köd színképében,ld. R. Copeland, Note on the Visible Spectrum of the Great Nebula in Orion (Megjegyzés a Nagy Orion-köd látható spektrumához); Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 48. köt. (1888), 360–62. o. 1894-ben James E. Keeler az Orion csillagkép Bétájának spektrumában; valamint ugyanő abszorpciós (sötét) vonalként az Orion egy másik csillagának színképében,James E. Keeler: On the Spectra of the Orion Nebula and the Orion Stars; Astronomy and Astro-Physics, 13. köt. (1894), 476–493. o. mások abszorpciós vonalként egyes Wolf–Rayet-csillagok, továbbá emissziós és abszorpciós vonalként egyaránt a Lant csillagkép Bétájának színképében.

A hélium mint hipotetikus elem bélyeg|150px|Edward Frankland

Lockyer már 1868. november 15-én megállapította, hogy a D3-vonal nem azonos hullámhosszú a nátrium D-vonalával, tehát a neki megfelelő anyag a nátriumtól különbözik. Abban azonban maga sem volt biztos, hogy a vonal egy új elem hírnöke-e, több feljegyzésben és cikkében a kilencvenes évekig egyszerűen a hidrogén különleges formájának valószínűsítette, vagy más, hasonló magyarázatot keresett. Edward Frankland, a nagy tudományos tekintélyű vegyész, hajlandó volt segíteni neki, többek között Lockyer rendelkezésére bocsátotta vegyi laboratóriumát és asszisztenseit, hogy segítse spektroszkópiai kutatásait, és azzal foglalkoztak, hogy különféle gázmintákat tettek ki a legkülönfélébb nyomás- és hőmérsékletviszonyoknak, majd spektrogramot készítettek.

Lockyer és Frankland számos vitát folytattak (például levélben) a D3-vonal mögött meghúzódó anyag mibenlétéről. Valószínűleg az 1870-es évek elején merülhetett fel Lockyerben az a hipotézis, hogy ez az anyag egy egészen új kémiai elem (lehet, hogy már előbb is, de írott nyoma ennek nem maradt). Levelezésükből azonban az látszik, hogy Frankland nagyon kételkedő volt e feltevéssel szemben. Csak akkor volt hajlandó egyáltalán fontolóra venni e lehetőséget, amikor világossá vált számára (az 1870-es évek első éveiben), hogy a D3-vonal okozója nem lehet a hidrogén semmilyen ismert formája.

Ekkoriban számos elemet fedeztek fel spektroszkóppal, melyekről később kiderült, hogy valójában egyáltalán nem új elemek (korónium, jargónium, nigrium). Frankland továbbá egyáltalán nem volt egyedi példa: kémikusok nehezen fogadták el, hogy egy új anyagot annak előállítása nélkül, pusztán közvetett bizonyítékok alapján, létezőnek lehessen mondani. Mindezek miatt Lockyer óvakodott nyilvánosan írni vagy akár említést tenni az új elemről, amelyet „héliumnak” nevezett el, a görög Helios, azaz „Nap” szóból képezve. Ekkoriban írt munkáiban – Helge Kragh már idézett vizsgálatai szerint – egyáltalán nem fordul elő sem ez a szó, sem az a felvetés, hogy ismeretlen kémiai elem lenne.

Azonban informális csatornákon valószínűleg említést tett a dologról, ugyanis Lord Kelvin a Brit Királyi Társaság egyik 1871-es ülésén beszélt Lockyer és Frankland hélium-hipotéziséről. Ez egyben a „hélium” szó első ismert és bizonyítható nyilvános említése. A vegyészek (pl. William Benjamin Carpenter) azonban nagyon kedvezőtlenül fogadták a bejelentést: amíg nem láttak kézzel vagy lombikkal fogható mennyiséget az új anyagból, addig nem akartak foglalkozni a dologgal.

Talán maga Lockyer sem hitt szilárdan a hélium-hipotézisben. Az, hogy a hélium egy ismeretlen kémiai elem, csak egy volt a számtalan lehetőség közül (például amellett, hogy a hélium valamiféle hidrogén-módosulat). Frankland is csak Lord Kelvin hatására volt hajlandó támogatni a csillagászt e véleményében.: Keith James Laidler: The World of Physical Chemistry (A fizikai kémia világa). Googlebooks találat. 180. o.

Hélium a Földön bélyeg|bal|Luigi Palmieri|100px Ramsay a laborjában|bélyeg|140px

1882-ben az olasz meteorológus, Luigi Palmieri, a Vezúvon működő megfigyelőállomás vezetője, bejelentette, hogy – szintén színképelemzéssel – kimutatta a héliumot a vulkán lávájából. Ez valószínűsítette, hogy az elem a Földön is előfordulhat; azonban Palmieri bejelentését meglehetős kételyekkel fogadták (állítólag semmilyen bizonyítékkal nem támasztotta alá állítását; és másoknak sem sikerült megerősíteniük az eredményt; mindenesetre nem foglalkozott tovább a témával). Egy félreértés folytán ezt a felfedezést az olasz tudós halála után később William Ramsaynek is tulajdonították, noha maga Ramsay elismerte Palmieri érdemeit.Lorenzo Casertano: The scientific life of L. Palmieri . (pdf) Link beill. 2010. január 14. Nem kizárt, hogy Palmieri valóban megtalálta a héliumot (vulkáni gázokban néha, alkalomszerűen, igen kis mennyiségben előfordulhat) de egészen máig nem is bizonyos.