Как были открыты химические элементы

ГЕЛИЙ

Необычная история открытия гелия привлекала внимание многих ученых и популяризаторов науки. Это привело к тому, что действительная последовательность событий оказалась (в многочисленных описаниях) искаженной и обросла подробностями, на деле вовсе не имевшими места. Сложилась даже легенда — красивая, впечатляющая, но столь же далекая от истины, — об открытии солнечного элемента.

Как правило, авторами обнаружения гелия на Солнце называют двух ученых-астрономов — француза Ж. Жансена и англичанина Н. Локьера. Поводом к открытию считают полное солнечное затмение 18 августа 1868 г., особенно хорошо наблюдавшееся в районах, омываемых Индийским океаном. Далее события описывают так, что 26 октября этого года на заседании Парижской Академии наук были зачитаны письма Ж. Жансена и Н. Локьера, в которых отмечалось существование в спектрах Солнца, сфотографированных во время затмения, новой желтой линии D3, соответствующей неизвестному на Земле элементу. В честь этого выдающегося события, т. е. открытия нового элемента на Солнце (впервые не в земных объектах), была отчеканена специальная медаль.

В этом привлекательном изложении все оказалось неверно, кроме упомянутых выше двух дат.

Прежде всего Н. Локьер в августе 1868 г. не был на берегах Индийского океана и не наблюдал полного солнечного затмения. То, что созерцал Ж. Жансен, относится к тому времени, когда затмение уже кончилось. Полученный им результат имел огромное значение для астрономии, но не для истории открытия будущего гелия. Ж. Жансену впервые удалось наблюдать солнечные протуберанцы (гигантские выбросы раскаленной солнечной материи) во внезатменное время (ранее это никогда не удавалось) и оценить их природу. Вот какую телеграмму получила от него 24 августа Парижская Академия наук: «Наблюдалось затмение, протуберанцы, спектр исключительный и неожиданный, протуберанцы газообразной природы».

До тех пор ученые затруднялись сказать, что же представляют собой протуберанцы. Теперь им стало ясно, что они являются выбросами газообразной материи и имеют сложный химический состав. Подробное изложение своих наблюдений Ж. Жансен дал в письме, которое дошло до Парижа только через 40 дней. Его на две недели опередило письмо другого французского астронома — С. Райе. Он также наблюдал затмение и сделал выводы относительно протуберанцев. А что же делал в это время Н. Локьер? Не покидая пределов Англии, он с помощью специально сконструированного спектроскопа наблюдал протуберанцы, определял положения линий в их спектрах и 23 октября послал описание своих работ в Парижскую Академию. По удивительному стечению обстоятельств, его письмо прибыло по адресу в тот же день, что и письмо Ж. Жансена.

И вот 26 октября на заседании Академии зачитываются письма Ж. Жансена и Н. Локьера. Но в них нет ни слова о гипотетическом солнечном элементе, ни упоминания о линии, которая позднее была отождествлена с характерной линией гелиевого спектра. Есть лишь указания на то, что впервые удалось наблюдать и изучать протуберанцы во внезатменное время. Именно в память об этом событии была выбита медаль.

Итак, никакого гелия не открыли Ж. Жансен и тем более Н. Локьер 18 августа 1868 г. Их наблюдения лишь дали стимул стремительному изучению протуберанцев во внезатменное время. Подобными исследованиями стали заниматься многие астрономы. И вот тогда-то появляются указания, что в спектрах протуберанцев содержится линия, которую нельзя приписать ни одному элементу, известному на Земле. Наиболее четко эту линию наблюдал в январе 1869 г. итальянский астроном А. Секки; немного позже он присвоил ей общепринятое обозначение D3. Почему же имя А. Секки не поставить в один ряд с именами Ж. Жансена и Н. Локьера? Ведь он сыграл в судьбе гелия отнюдь не меньшую роль, чем его предшественники. Но тот же А. Секки высказал предположение, что линия D3 в действительности может принадлежать известному элементу, например водороду, но находящемуся в условиях высоких давлений и температур. Если это предположение не удалось бы подтвердить, то А. Секки согласился бы считать линию D3 отвечающей какому-то неизвестному на Земле элементу.

Задачу, поставленную А. Секки, пытались разрешить Н. Локьер и Э. Франкланд, но им не удалось наблюдать каких-либо изменений в спектре водорода. Поэтому в своей статье от 3 апреля 1871 г. Н. Локьер уже употреблял выражение «X, новый элемент». Есть указания, что название «гелий» (от греческого слова гелиос — «солнечный») было предложено примерно в это время Э. Франкландом. А впервые публично слово «гелий» произнес на собрании Британской ассоциации ее президент В. Томсон (лорд Кельвин) 3 августа того же года.

Даже если теперь признать открытие гелия свершившимся фактом, то это открытие по-прежнему выглядит необычным. Ведь он оказался единственным химическим элементом, который нельзя было выделить в материальной форме. Каков же гелий в обычных условиях: газ, жидкость или твердое тело? Каковы его свойства? Какова его атомная масса и где он должен располагаться в естественном ряду элементов?

Ни на один из этих вопросов ученые не могли получить даже приблизительного ответа. Кроме того, сомнение, высказанное А. Секки, сохранило свою силу. В истории гелия наступил период, когда он был лишь гипотетическим элементом. Ученые относились к нему далеко не единодушно. Д. И. Менделеев твердо придерживался утверждения А. Секки, что ярко-желтую линию могли давать спектры других, известных элементов, находящихся в условиях высоких температур и давлений. Но В. Крукс всецело признавал самостоятельность гелия и видел в нем первичную материю, из которой путем последовательного усложнения произошли все прочие элементы.

Порой казалось, что гелий не одинок в своей загадочности, Астрономы обнаруживали новые линии в спектрах различных космических объектов: Солнца, звезд, туманностей и т. п. И появился целый список гипотетических элементов: короний, арконий, небулий, протофтор. Как выяснилось много лет спустя, это были ошибки; подтвердилась лишь реальность гелия.

Но для этого гелию пришлось показать свое земное лицо. И здесь также все началось со случайности.

В. Рамзай 1 февраля 1895 г. получил от сотрудника Британского музея К. Миерса короткое письмо. К этому времени В. Рамзай уже был широко известен в качестве открывателя аргона. Содержание письма показывает, что адресат был выбран не случайно. К. Миерс обращал внимание на опыты американского исследователя В. Гильдебранда, проводившиеся в Геологическом институте США еще в 1890 г. При нагревании некоторых ториевых и урановых минералов (например, клевеита) выделялся газ, химически неактивный; спектр его был похож на спектр азота, хотя и содержал новые линии.

Уже потом сам В. Гильдебранд признавался В. Рамзаю, что у него было искушение связать эти линии с новым элементом. Однако коллеги отнеслись к наблюдениям В. Гильдебранда скептически, и он счел за лучшее прекратить дальнейшие работы. Между тем К. Миерс полагал, что многочисленные случаи содержания азота в природных уранатах делают целесообразной постановку соответствующего эксперимента.

В. Рамзай, по всей вероятности, предполагал, что неактивный газ В. Гильдебранда может оказаться аргоном, а потому не возражал против пожелания К. Миерса и уже 5 февраля приобрел немного клевеита. Однако сам В. Рамзай, поглощенный изучением аргона и попытками получить его соединения, экспериментировать с клевеитом не стал. Эту работу он поручил своему ученику Д. Метьюзу. Тот начал обрабатывать минерал горячей серной кислотой и, подобно В. Гильдебранду, наблюдал образование пузырьков газа, напоминавшего азот.

Когда удалось собрать достаточное количество газа, В. Рамзай провел (14 марта) его спектральный анализ. Картина наблюдалась неожиданная: в спектре отчетливо высвечивала яркая полоса, линий которой не было в спектрах азота и аргона.

Хотя в его руках еще не накопилось достаточно фактического материала, В. Рамзай предположил, что в клевеите, кроме аргона, содержится еще один неизвестный газ. Целая неделя ушла на то, чтобы выделить его в возможно более чистом состоянии. В течение 22 марта В. Рамзай в присутствии гостившего у него в лаборатории Б. Браунера сравнивал спектры аргона и неизвестного газа. В. Рамзай дал этому газу временное название «криптон» (от греческого слова криптос, означающего «тайный, скрытый»). В данном случае оно действительно оказалось временным и закрепилось в качестве имени другого инертного газа; 23 марта ученый записал в дневнике, что яркая желтая линия «криптона» не принадлежит натрию и в спектре аргона отсутствует. (В конце 60-х годов нужно было доказать отличие линии солнечного гелия D3 от ярко-желтой линии натрия. История, как видно, кое в чем повторялась).

Еще не доверяя себе окончательно, В. Рамзай послал ампулу с газом В. Круксу. Спустя сутки от В. Крукса была получена телеграмма следующего содержания: «Криптон есть гелий, 587,49, приходите и посмотрите». Число 587,49 соответствовало длине волны солнечного гелия на специально проградуированной шкале. Фактически только эти данные облегчили опознание земного гелия. В целом же история этого открытия была самостоятельной.

Ученые получили возможность всесторонне изучать гелий — новый химический элемент, уже не гипотетический. Полная химическая инертность гелия не настораживала, ведь к этому времени был известен подобный прецедент с аргоном (1894).

Впервые короткое сообщение об открытии гелия на Земле В. Рамзай опубликовал 29 марта 1895 г. в журнале «Chemical News», издаваемом В. Круксом. Но интересно, что почти в то же самое время земной гелий в том же самом клевеите был обнаружен в Швеции П. Клеве (именем которого ранее назван минерал) и его ассистентом А. Ланглетом. Но это наблюдение запоздало, и шведские химики лишь выразили досаду, ни в коей мере не претендуя на приоритет.

Земной гелий сразу стал общепризнанным, и не было попыток опровергнуть результаты В. Рамзая. Прошло еще немного времени, и гелий был обнаружен не только в клевеите, но и в других минералах и минеральных водах. В 1898 г. удалось установить присутствие гелия в земной атмосфере.