詹姆斯·米切尔·克罗指出,人类花了很长时间才注意到宇宙中第二常见的化学元素。今天,如果没有它,我们将难以生存

1868年春天,法国天文学家皮埃尔·杨森(Pierre Janssen)从欧洲到印度东部马德拉斯省的航行并非一蹴而就。杨森环游了半个地球,希望成为第一个使用一种名为分光镜的热门新科学仪器观察即将到来的日食的人。他希望利用这台新仪器对太阳的组成有新的发现——前提是厚厚的云层没有妨碍他的观测。

在这次航行中,再加上日蚀发生前令人担忧的连绵阴雨天气,杨森本来有足够的时间来思考那些科学巨人,他希望站在他们的肩膀上。巧妙地锚定这个人类金字塔的是艾萨克·牛顿本人。

让杨森的任务得以启动的发现,是牛顿1666年的著名观察:一束阳光穿过玻璃棱镜,发散成彩虹色。牛顿指出,白光是所有其他颜色的混合物。然而,随着分散太阳光的技术逐渐改进,太阳光谱却不再像最初出现时那样完美地排列着各种颜色。1814年,德国透镜制造商、物理学家约瑟夫·冯·弗劳恩霍夫(Josef von Fraunhofer)在让阳光穿过玻璃棱镜之前,将其引导到一个狭窄的狭缝中,结果显示牛顿的彩虹布满了洞。

这是人们第一次看到一种新元素

弗劳恩霍夫的细缝装置比单独的棱镜更有效地分散阳光,从而在太阳光谱中显示出不少于574条尖锐的暗线。但直到1859年,德国同胞罗伯特·本生和古斯塔夫·基尔霍夫才弄清楚丢失的波长去了哪里manbetx手机客户端3.0化学世界,2013年9月,第35页).基尔霍夫发明了一种基于棱镜的仪器——分光镜,两人用它来证明,阳光中的一些暗线与最近发现的钠和钾等金属的盐在火焰中燃烧时发出的光的特征线模式完全吻合。

科学家们表明,每种元素都吸收和发射出自己的波长模式,就像指纹一样独特——我们现在知道,这种效应是由电子吸收或释放光在能量状态之间兴奋地跳跃引起的。本生和基尔霍夫已经证明太阳是由地球上发现的相同化学元素组成的。利用基尔霍夫的分光镜,他们通过燃烧矿泉水样品中的残留物,发现了两种未知元素:铷和铯。

利用分光镜寻找更多新元素的竞赛开始了——这导致了1868年杨森将分光镜对准太阳的任务。通过在日食期间进行实验,杨森希望看到太阳边缘周围大气中的元素。

在日食那天,云终于散开了。8月18日,日食开始,马德拉斯夜幕降临,杨森看到了当时著名的热氢发射线,以及一条以前从未见过的亮黄色线。杨森总结说,这是对新元素的第一次瞥见。

很快就发现,你不需要日食就能看到这条醒目的黄线。在英国大学城剑桥,一个阴天的秋日也可以。同年10月20日,英国天文学家诺曼·洛克耶对杨森的观测结果并不知情,他也看到了黄线,并决定将这种未知的化学元素命名为氦,以希腊语中的太阳命名。赫利俄斯

这两个人关于他们观察结果的论文在同一天到达了巴黎的法国科学院,因此他们分享了发现新元素的荣誉。

从那时起,这对夫妇几十年的麻烦开始了。

扩展元素周期表

并非所有人都相信杨森和洛克耶在太阳边缘发现了一种新的化学元素。一些科学家对这个天体元素的想法嗤之以鼻,随着时间的流逝,在地球上没有发现氦的踪迹,这种嘲笑越来越多。甚至洛克耶自己的助手也认为黄线可能是以前未被发现的氢辐射。1

《名利场》副刊上的威廉·拉姆齐漫画

来源:©英国皇家&#万博代理28595;门万博官网化学学会

威廉·拉姆齐在地球上发现了氦——还有氪、氖和氙

在不信教的人中,有一个相当强大的对手,德米特里·门捷列夫。这位俄罗斯化学家对敌意和嘲笑并不陌生,在1869年发表元素周期表后的5年多时间里,他一直是被攻击的对象。但对门捷列夫来说,1875年,他的发现得到了惊人的证明,保罗-埃米尔·勒科·德·布瓦博德朗使用分光镜发现了镓,这种元素的原子量与周期表上的一个空白完全吻合。不久之后,钪和锗的发现进一步填补了空白。但这些对氦的存在都没有帮助,因为当时的元素周期表上没有氦可以填补的空白。

这一疏忽后来给门捷列夫带来了困扰。1894年,英国化学家威廉·拉姆齐发现了一种不反应的气体,他将其命名为氩,这种气体是通过加热一种矿物样品释放出来的。门捷列夫不知道如何处理这种元素周期表中没有预测到的新元素,他认为拉姆齐根本没有发现新元素,而是一种以前未被发现的类似于臭氧(O)的三原子氮分子3.).

但在1895年,拉姆齐用铀矿重复了加热实验,分离出了另一种惰性气体。这一次产生的光谱线与杨森和洛克耶在太阳上观察到的光谱线完全吻合。拉姆齐在地球上发现了氦。拉姆齐很快又发现了氪、氖和氙——所有这些都明显没有反应。完整的新元素集使门捷列夫确信元素周期表需要扩展。

以氦为首的惰性气体现在坐在桌子的最右边,这个位置反映了它们整齐地填满的外层电子。这种非常稳定的电子排列是这些元素的化学反应性非常低的原因,而氦是所有元素中最不活泼的元素。

拉姆齐发现了一个全新的元素家族,需要固定在元素周期表的右侧,这为他赢得了1904年的诺贝尔化学奖。一些人认为,同样的发现,同时也让门捷列夫自己失去了获得诺贝尔奖的机会。1尽管这位俄罗斯化学家对科学做出了卓越的贡献,但他从未获得诺贝尔奖。

走吧走吧

拉姆齐从一种富含铀的矿物中分离出氦,这绝非偶然。放射性铀和钍原子核的缓慢衰变是当今地球上氦的主要来源。一些铀和钍的同位素通过释放α粒子衰变,α粒子是由两个质子和两个中子组成的一小簇亚原子粒子。这种亚原子粒子的组合正是氦核的组成部分。

在整个宇宙中,氦是仅次于氢的第二常见元素。大部分氦来自大爆炸后的几分钟内,当时温度下降到足以使小簇亚原子粒子形成第一个原子核。大约38万年后宇宙最终冷却到足以让这些原子核捕获电子,形成第一批原子——主要是氢和氦,它们至今仍主导着宇宙。

然而,在地球上,情况就完全不同了。氦很轻,不受地球引力的影响。由于惰性,它也不受化学作用的抑制。地球形成时存在的氦已经飘散到太空中。木星和土星是更大的行星,引力更强,它们的氦是气态巨行星组成的主要组成部分。正如Lockyer和Janssen所观察到的,它也是太阳大气的主要组成部分。

当拉姆齐发现惰性气体时,一些家庭成员很快就发现了用途。这位化学家在他的伦敦大学学院实验室里对新分离出来的氖进行的第一批实验之一是用电极激发它。气体发出令人惊叹的红光,很快就以广告招牌的形式照亮了巴黎和洛杉矶的街道。

空降10

来源:©Michael Helliwell/Alamy Stock Photo

飞艇会卷土重来吗?

氦花了更长的时间才找到用途。第一次世界大战的爆发最终加速了这一进程。2德国的军用齐柏林气球使英国和美国的军事注意力集中在比空气更轻的气体上。氦的升力比不上氢,但它有一个明显的优势,那就是它是化学惰性的,即使被敌人的火力击中也不会燃烧。大约在战争爆发的十年前,氦就被发现自然存在于一些天然气矿床中,尤其是在德克萨斯州。当美国参战时,美国矿业局(Bureau of Mines)签署了建造三个氦气提取厂的合同。

随着飞艇很快被用于军事和商业飞行的飞机所取代,氦气作为一种比空气轻的气体并没有像预期的那样起飞——尽管今天它被用来填充高空科学研究的气球,以及聚会用的气球。几十年来,美国生产的氦气远远超过其使用量,并将其封存在枯竭的天然气田地下。

1996年,为了偿还购买和储存所有氦气所积累的巨额债务,美国政府宣布大规模出售储存的氦气,这引起了科学家们的极大关注。此时,对氦的需求急剧上升。它的惰性特性已经被用于制造光纤和半导体,以及电弧焊接等,以创造保护气氛。更重要的是,氦已经成为现代医学成像设备不可或缺的元素,并帮助我们探索宇宙的深层奥秘。由于氦的沸点是所有元素中最低的,极冷的-269°C,因此它是医院核磁共振成像仪中使用的超导电磁铁所需的极低温度的必要冷却剂。出于同样的原因,它冷却了大型强子对撞机的磁铁,以及一些核磁共振机器。

一旦氦逃逸到空气中,这种轻气体就永远消失了。到2015年,英国医学协会对此表示关切氦气的供应很快就需要进行监管,以保证中期和长期的供应。但那一年,来自英国牛津大学和达勒姆大学的一个团队与氦勘探公司helium One合作,使用了一种新的系统搜索方法,首次发现了天然氦资源。

奥杜派峡谷,大裂谷,坦桑尼亚

来源:Noel Feans (Oldupai) / CC BY 2.0

人们热议的氦短缺问题可以通过从坦桑尼亚的裂谷开采氦气来解决

这个巨大的氦元素发现于坦桑尼亚的裂谷,在那里,氦元素首次被发现于20世纪50年代。该团队使用了石油勘探技术,评估了岩石类型等因素,但表明将技术应用于氦气勘探的关键是考虑附近活火山的存在。达勒姆研究小组成员迪维娜•达纳巴兰(Diveena Danabalan)说,火山活动可能为释放积聚在古代地壳岩石中的氦提供了必要的热量。但她补充说,火山的位置有一个适宜居住的因素。“如果气体圈闭离某座火山太近,氦气就有被二氧化碳等火山气体严重稀释的风险。”

该团队取样的一些被困气体的氦气含量在8%到10%之间,比目前开采的氦气含量高得多。3.据Helium One称,目前估计裂谷地区的氦气储量接近1000亿立方英尺(28亿立方米),与美国目前1530亿立方英尺的储量相差不远。

迫在眉睫的氦危机似乎暂时得到了避免。

在压力下

当涉及到化学时,氦并没有留下太多的报告。氦是元素周期表上最不活泼的元素,具有创纪录的高电离势,其电子亲和力基本上为零。虽然惰性气体的其他成员已经被诱导进行了一些化学反应,特别是与电负性很强的元素,如氟,氦一直抵制-直到最近。

三维氦结构GIF

来源:©Royal Chemistry of Chemistry

谁说氦不能形成化合物?

2017年,一个国际团队表明,氦与钠混合后会形成稳定的固态化合物。4你只要用力挤就行了。德国亚琛大学(Aachen University)的理查德•德龙斯科夫斯基(Richard Dronskowski)是研究小组成员之一,他说:“在非常高的压力下,会发生奇怪的事情。”“氦原子成键,但不是真的成键。”

在超过113千兆帕的压力下——超过100万个大气压——结构中的钠原子被挤压得如此之大,以至于它们吐出了价电子。“钠离子比钠原子小得多,但问题是,我们把电子放在哪里?”Dronskowski说。这时氦原子就进来了。“氦是间隔层——它不接受电子,但它使钠离子和带负电的电子远离彼此。”在氦原子帮助形成的结构中,电子对位于空穴中。

这个奇怪的氦化合物,分子式是Na2Dronskowski说,这是固体材料的第一个例子,在固体材料中,原子充当间隔器,帮助原子不成比例地变成阳离子和电子。但在其他方面,这些材料很熟悉,他补充道。简而言之,它和食盐一样是一种盐。它采用了固态化学中非常著名的晶体结构。”

而氦——被认为是完全惰性的——继续给我们带来惊喜,并导致了新的化学形式。首先提出Na的是计算机预测——比昂贵且耗时的高压实验容易得多2他可能存在。新的计算表明,氦实际上可能形成一系列化合物,其中一些化合物在低至30千兆帕的压力下可能是稳定的。5

超越我们的太阳系

遥望宇宙,通过寻找到达地球的光谱线的印记来研究遥远的化学物质,这是一个和杨森和洛克耶时代一样热门的研究课题。

就在这两位天文学家发现人类第一次看到氦的明黄色发射线150年后,一个由英国领导的研究小组首次在一颗系外行星的大气层中发现了氦。6领导这项研究的埃克塞特大学(University of Exeter)的杰西卡·斯佩克(Jessica speke)说:“我们使用的过程和洛克耶使用的过程实际上非常相似。”“洛克耶发现的黄线,以及我们在近红外波段发现的黄线,都来自激发态氦。”

太阳系外行星wasp - 107 b

资料来源:(c)欧空局/哈勃,美国宇航局,科恩梅塞尔先生

科学家在系外行星WASP-107b的逃逸大气层中发现了氦

斯佩克解释说,尽管人们普遍认为氦存在于围绕遥远太阳运行的行星的大气中——就像它存在于我们太阳系的行星大气中一样——但有两个障碍阻止了我们探测到它。首先,在近红外光谱中工作的探测器很少。其次,地球大气中的水分子的发射线掩盖了氦信号。斯佩克说:“这是一个有点尴尬的波长区域。”因此,寻找氦气已经过时了。

斯佩克的研究使这种元素重新流行起来。利用哈勃太空望远镜上的近红外探测器,斯佩克在系外行星WASP-107b从其恒星前面经过时发现了氦信号,恒星的一些光线穿过了这颗行星富含氦的上层大气。这些星光带着氦的标志性发射带一路到达地球。

斯佩克说:“令人兴奋的是,许多覆盖这个波长的高分辨率光谱仪将在明年上线,所以现在是寻找氦的最佳时机。”她补充说:“我们认为,通过这种研究系外行星大气的新方法,我们可以做很多科学研究。”

迄今为止,系外行星科学最奇怪的发现之一是,银河系中最常见的行星类型是超级地球和迷你海王星——这是一种我们不知道存在的行星类型,因为它们在我们的太阳系中没有发现。斯佩克说:“在我们的太阳系中,我们有小的岩石行星和大的冰巨星——这些系外行星介于两者之间。”“我们不知道它们是由什么构成的。“一种可能性是,它们由一个岩石核心组成,周围是一个巨大的氢和氦包层。另一种主流理论是它们主要由水构成。测量它们的氦信号可以帮助弄清楚银河系中最常见的行星是由什么组成的。

还有可能利用氦来识别遥远的地球。仅仅因为它们的体积很小,像地球这样的岩石行星很难在遥远恒星的轨道上被发现。斯佩克说,但是由于氦的发射来自行星的上层大气,行星在这个波长上看起来比在可见光波长上大三倍。在这种波长下寻找外星植物应该会让较小的行星更容易被发现。预计于2020年5月发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜应该能够使用这种技术挑选出地球大小的系外行星。

斯佩克说:“我们认为氦非常重要。”“我们希望未来几年它会被更多地使用。”

詹姆斯·米切尔·克罗是澳大利亚墨尔本的一位科学作家