稀有元素“氦”的發(fā)現(xiàn)，從科學家追逐太陽開始

氦氣的發(fā)現(xiàn)是一個有趣的故事，同時涉及天文學和化學。氦氣是在太陽光譜中首次被觀測到的，這一發(fā)現(xiàn)可以分為幾個關(guān)鍵階段。

第一階段：太陽光譜的觀測

1868年，天文學家朱爾斯·讓森（Jules Janssen）和諾曼·洛克耶爾（Norman Lockyer）獨立觀察到太陽日冕期間的日食。他們在太陽光譜中觀察到一個未知的黃色光譜線，波長587.49nm，這條線無法與任何已知元素的光譜相匹配。洛克耶爾隨后命名這個元素為“氦”，源自希臘神話中的太陽神赫利俄斯（Helios）。

他們使用一種叫作光譜儀的工具來觀察太陽光譜。光譜儀能夠?qū)⒐夥纸獬刹煌伾念l譜，每種元素都有其獨特的光譜線。在觀測太陽光譜時，他們發(fā)現(xiàn)了一條黃色的線，這條線與任何已知元素的光譜線都不匹配。

想象一下，每種元素就像是有自己的指紋一樣，都有獨一無二的光譜線。當讓森和洛克耶爾觀測太陽時，他們就像宇宙的偵探，發(fā)現(xiàn)了一條神秘的“指紋”，這就是氦氣的第一個線索。

第二階段：地球上氦氣的發(fā)現(xiàn)

1895年，瑞典化學家珀爾·特奧多爾·克列夫（Per Teodor Cleve）和尼爾斯·亞伯拉罕·朗格勒（Nils Abraham Langlet）在瑞典進行實驗。他們通過加熱鈾礦石并觀察釋放出的氣體，發(fā)現(xiàn)了氦氣。

這個過程像在礦石中尋寶。當科學家們加熱這種特殊的礦石時，就像打開了一個隱藏寶藏的箱子，釋放出了氦氣——這是之前從未在地球上發(fā)現(xiàn)的寶貴元素。

第三階段：氦在地球大氣中的辨認

威廉· 拉姆齊（William Ramsay）是這一階段的關(guān)鍵人物，他是一位蘇格蘭化學家，對氣體的研究非常感興趣。

1895年，拉姆齊在研究一種新元素——氬的過程中，在瀝青鈾礦（ 一種含鈾的礦石） 中無意間發(fā)現(xiàn)了氦氣。通過化學分析和與洛克耶爾的合作，他確認發(fā)現(xiàn)的氣體就是之前在太陽光譜中觀測到的氦。拉姆齊因為發(fā)現(xiàn)了稀有氣體元素（氬、氖、氪、氙、氡）并研究其物理化學性質(zhì)，獲得了1904年的諾貝爾化學獎。

拉姆齊的發(fā)現(xiàn)解決了一個科學謎題。他在實驗室處理瀝青鈾礦石時，發(fā)現(xiàn)了一種新氣體。通過仔細的實驗和比較，他意識到這種新氣體就是之前在太陽光譜中發(fā)現(xiàn)的氦氣。這是一個令人驚喜的發(fā)現(xiàn)，它證明了氦氣不僅存在于太陽中，也存在于地球上。

這一發(fā)現(xiàn)對于氦氣的研究具有重大意義。它不僅證明了氦在地球上的存在，而且揭示了氦與其他元素在地球大氣中的分布。這一發(fā)現(xiàn)同時促進了對氦在地球化學中作用的進一步研究。

氦在地球大氣中的辨認是通過對地球上的礦石進行化學分析而實現(xiàn)的，這為氦的存在和分布提供了重要證據(jù)，也加深了人們對地球大氣成分的了解。氦氣的發(fā)現(xiàn)是一段橫跨天文學和化學的探索故事。它從太陽光譜中神秘的黃色線條開始，經(jīng)過礦石中的化學發(fā)現(xiàn)，最終被確認為一種新元素。這個故事展示了科學發(fā)現(xiàn)的奇妙之處，以及不同領(lǐng)域之間合作的重要性。

第四階段：氦的同位素的發(fā)現(xiàn)

人類發(fā)現(xiàn)氦-3的存在是通過對原子核反應的研究和對同位素理論的深入理解。主要有以下幾個關(guān)鍵認識步驟：

一是同位素理論的發(fā)展。2 0世紀初，隨著放射性元素研究的深入，科學家們?nèi)绺ダ椎吕锟恕に鞯希‵rederick Soddy）和歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）開始認識到某些元素存在不同的質(zhì)量形式，即同位素。這種理論為理解像氦-3這樣的輕元素同位素奠定了基礎(chǔ)。

二是粒子加速器和原子核反應的研究。20世紀30年代，科學家開始使用粒子加速器研究原子核反應。通過實驗，他們能夠產(chǎn)生并觀察到各種原子核反應的產(chǎn)物，包括輕元素的不同同位素。在這些實驗中，科學家注意到一些原子核反應產(chǎn)生了與氦- 4 不同的輕氦同位素， 即氦-3。

三是氦-3的具體識別。隨著光譜學和質(zhì)譜學技術(shù)的發(fā)展，科學家可以更精確地區(qū)分和識別不同的同位素。氦-3由于其質(zhì)量和核磁性質(zhì)的獨特性，與氦-4區(qū)分開來。通過對這些核反應產(chǎn)物的細致分析，科學家能夠確認氦-3的存在，并開始研究其性質(zhì)和行為。

四是天體物理學的貢獻。20世紀中后期，隨著太空探索和對太陽風及宇宙射線的研究，天體物理學家也觀察到氦- 3的存在。這些發(fā)現(xiàn)進一步證實了氦-3在太陽系中的自然存在，并促進了對其在天體環(huán)境中行為的理解。

總策劃：秦勝飛

撰稿：秦勝飛 李濟遠 陶剛 王佳美 趙姿卓

（中國石油勘探開發(fā)研究院）