Гелий
«Наука и жизнь» № 6, 1942 год
В 1868 г. английский астроном Локьер наблюдал в Индии, вместе с другими астрономами, полное солнечное затмение. Занимаясь изучением солнечной атмосферы, он рассматривал ее в спектроскоп. Спектр, который он при этом видел, как и все спектры раскаленных газов, состоял из множества линий различных цветов.
Эти линии обязаны своим существованием различным химическим элементам, которые в газообразном состоянии находятся в атмосфере солнца.
Известно, что каждый элемент имеет свой, только ему одному принадлежащий спектр — определенный набор линий. Не может быть такого случая, чтобы два различных элемента имели бы одинаковые спектры. Поэтому по спектру можно безошибочно обнаруживать химические элементы. Присутствие малейших следов того или иного элемента в каком-нибудь веществе немедленно сказывается в том, что в спектре вещества появятся линии, принадлежащие этому элементу. Именно поэтому для изучения солнечной атмосферы, для выяснения ее состава первым делом обращаются к исследованию ее спектра. И вот, наблюдая такой спектр, Локьер (независимо от него и француз Жансан) совершенно неожиданно обнаружил, что рядом с хорошо известными двумя желтыми линиями, принадлежащими натрию, находится еще одна третья желтая линия.
Это было удивительно. Спектр натрия был изучен очень хорошо. Было известно, что в этом спектре желтых линий, несомненно, только две и никакой третьей не может появиться. С другой стороны, и ни у какого другого элемента не было известно такой линии. Оставалось только допустить, либо, что спектры на солнце отличаются от спектров на земле, либо же, что эта новая желтая линия не принадлежит ни одному из известных в то время элементов, что на солнце существует еще один неизвестный элемент, пары которого и порождают эту линию.
Первое объяснение было очень неправдоподобным. До сих пор все линии в спектре солнечной атмосферы удавалось отождествить с соответствующими линиями в спектрах известных элементов — они были в точности такими же, какие наблюдались в спектрах этих элементов на земле. Было бы странным, что вдруг одна какая-то желтая линия появляется только на солнце.
Поэтому Локьер, в конце концов, склонился ко второму объяснению происхождения этой удивительной линии — к тому, что действительно на солнце существует элемент, которого на земле никто не видел. Этот новый элемент, о котором только и было известно, что в его спектре находится желтая линия, лишь немного сдвинутая по отношению к линиям натрия, Локьер назвал гелием, от греческого слова «гелиос» — что значит солнце.
Сразу же после открытия Локьера стали пытаться обнаружить гелий и на земле. Но все эти попытки не приводили к успеху. Казалось, что гелий существует только на солнце. Лишь в 1895 г. английский химик Рамзай, нагревая минерал уранит, наконец получил гелий. За несколько лет до Рамзая, еще в 1891 г., Хиллебрандт также заметил, что при нагревании этого минерала выделяется какой-то газ, который он, однако, счел за азот, отметив, что со спектром этого азота дело обстоит не совсем в порядке, что в нем имеются какие-то странные линии.
Только после того, как Рамзай вновь получил этот газ, было показано, что спектр его содержит ту же самую желтую линию, которую Локьер увидел в спектре солнца и которой не было ни в одном из известных спектров.
Таким образом оказалось, что странный спектр, который получил Хиллебрандт, был странным вовсе не потому, что у него был необычный азот, а потому, что этот газ был совсем не азотом, а тем самым солнечным газом, который уже отчаивались найти.
Так, через 27 лет после того, как он был открыт на солнце, гелий был обнаружен и на земле.
И тогда-то оказалось, что он вовсе не так уже редок, как думали раньше. Атмосфера, которая нас окружает, содержит гелий, правда, в весьма скудных количествах. В 1000 кубических метрах воздуха находится только 5 литров гелия. Гелий содержится также во многих минералах, он входит в состав многих газовых источников. Вероятно, на земле его имеется не меньше, чем на солнце.
Чем же оказался гелий?
Это — газ без цвета и запаха, похожий на воздух, но только значительно легче его. Из всех газов только водород обладает еще меньшим удельным весом. Гелий по своим химическим свойствам принадлежит к числу так называемых благородных (или инертных) газов. Это название они получили потому, что они не вступают в реакцию ни с какими другими элементами. К числу таких газов, кроме гелия, принадлежат еще, например, неон и аргон — газы, которыми наполняют светящиеся красные и синие трубки реклам.
Одним из следствий инертности гелия является то, что он не соединяется с кислородом, т. е. не горит. А это в сочетании с легкостью гелия делает его весьма удобным для наполнения дирижаблей. Такие дирижабли совершенно безопасны в отношении взрыва, который представляет весьма реальную опасность в случае дирижаблей, наполненных водородом.
Правда, гелий все же в 2 раза тяжелее водорода, а потому подъемная сила дирижабля, наполненного гелием, меньше, чем подъемная сила дирижабля, который наполнен водородом. Однако нетрудно видеть, что разница здесь совсем уж не такая значительная. Так как 1 м3 воздуха весит 1,29 кг, а 1 м3 водорода 0,09 кг, то подъемная сила этого количества водорода равна 1,29 кг – 0,09 кг = 1,2 кг. В то же время вес 1 м3 гелия равен 0,18 кг и его подъемная сила 1,29 кг – 0,18 кг = 1,11 кг, т. е. всего на 8% меньше, чем подъемная сила водорода. Если еще к этому прибавить, что водород значительно быстрее просачивается через оболочку дирижабля, чем гелий, а потому водород надо добавлять чаще, чем гелий, то станет ясно, почему даже при большой стоимости гелия наполнение им дирижаблей вместо водорода является выгодным.
Но для того, чтобы наполнять дирижабли, гелий надо иметь в весьма значительных количествах.
Добывать его в таких количествах из воздуха — задача для современной техники совершенно безнадежная. В несколько больших количествах гелий может быть добыт из некоторых минералов, но и эти количества весьма невелики. Основным способом получения гелия является добыча его из газовых источников, в которых он содержится. Таких источников особенно много в США. Есть они и в СССР. В США производство гелия достигло столь больших масштабов, что сейчас себестоимость 5 м3 гелия составляет всего 1 доллар.
В первые годы, последовавшие за открытием гелия, никто не обнаруживал у него каких-либо особенностей, которыми бы он сильно отличался от других газов. Однако дальнейшие исследования обнаружили у гелия множество удивительных свойств, которые надолго поставили его в центре внимания физиков.
Все дело началось с попыток получить гелий в жидком виде.
Известно, что конец прошлого века был отмечен в физике тем, что один за другим были получены в жидком виде различные газы, которые до этого не могли быть ожижены и даже получили, поэтому, особое название «постоянных газов», ибо считалось, что они по самой своей природе газы и не могут быть обращены в жидкость. В 1877 г. Коллет и Пикте получили впервые жидкий кислород. В 1883 г. был получен Вроблевским и Ольшевским жидкий азот, а в 1898 г. Дьюаром получен и жидкий водород.