تاریخ کشف هلیوم

داستان غیرعادی هلیوم توجه بسیاری از دانشمندان و تاریخ‌نگاران علوم را به خود جلب کرده اما سیر واقعی رویدادها به توصیفات تخیلی و افسانه مانند آمیخته و تحریف شده است. حتی درباره‌ی کشف عنصر خورشید افسانه‌ی زیبا و هیجان‌انگیزی ساخته و ابداع گردید ولی بسیار دور از واقعیت بود.
ستاره‌شناس فرانسوی، ژانس (1)، و ستاره‌شناس انگلیسی، لاکیر (2)، به عنوان کاشفان هلیوم شناخته می‌شوند. آنها کسوف کلی خورشید در سال 1868 را، که خصوصاً در سواحل اقیانوس هند قابل رؤیت بود، مورد مطالعه قرار دادند. این دو ستاره‌شناس در نامه‌هایی که به آکادمی علوم پاریس فرستادند و در جلسات این مجمع قرائت شد، نوشتند که طیف عکسبرداری شده‌ی خورشید در زمان کسوف حاوی خط جدید زرد رنگی است (D3) که مربوط به یک عنصر ناشناخته است. برای بزرگداشت این واقعه‌ی مهم (کشف عنصر جدید موجود در خورشید و نه در روی زمین) مدال ویژه‌ای ضرب گردید.
در این داستان شگفت‌انگیز همه چیز اشتباه است بجز دو تاریخ. یکی اینکه، در اوت 1868، لاکیر در سواحل اقیانوس هند نبود و کسوف کلی را مشاهده نکرد. ژانس نیز مشاهدات خود را پس از کسوف عملی ساخته بود. مشاهدات فوق برای ستاره‌شناسی اهمیتی فوق‌العاده داشت نه برای تاریخچه‌ی کشف هلیوم. ستاره‌شناس فرانسوی اولین کسی بود که انفجارهای خورشیدی (فوران عظیم مواد آتشفشانی) را در حالتی غیر از کسوف مشاهده و ماهیت آن را تشریح کرد. متن تلگرافی که توسط وی به آکادمی علوم پاریس مخابره شد بدین شرح است: «کسوف و انفجارهای خورشیدی مشاهده شد، طیف حاصل قابل توجه و غیر منتظره است؛ مواد حاصل از انفجارهای خورشیدی ماهیتی گازی دارند.»
پیش از آن زمان، دانشمندان چیزی راجع به ماهیت انفجارهای خورشیدی و مواد حاصل از فورانهای خورشیدی نمی‌دانستند. امروزه روشن شده است که این فورانهای ابرهایی از مواد گازی و دارای ترکیب شیمیایی پیچیده‌ای هستند. ژانسن شرح جامعی از مشاهدات خود را طی نامه‌ای که فقط چهل روز بعد به پاریس رسید تشریح کرد. دو هفته پیش از آن، نامه‌ای از یک ستاره‌شناس فرانسوی، موسوم به ری (3)، واصل شده بود. ری نیز آتشفشانها و فورانهای خورشیدی را مشاهده کرده و نتایج مشخصی در مورد آنها به دست آورده بود. ولی‌لاکیر در آن زمان چه می‌کرد؟ این ستاره‌شناس، به جای ترک انگلستان، انفجارها و فورانهای خورشیدی را به کمک طیف‌سنج ویژه‌ای مورد مشاهده و بررسی قرار داد و موقعیت خطوط طیفی آن را تعیین کرد. وی در بیست و سوم اکتبر نامه‌ای به آکادمی علوم پاریس ارسال کرد. برحسب تصادف این نامه در همان روزی که نامه‌ی ژانسن دریافت شد به پاریس رسید.
در 26 اکتبر نامه‌های ژانسن و لاکیر در جلسه‌ی آکادمی قرائت شد ولی در این نامه‌ها سخنی از عنصر فرضی خورشید یا خط طیفی، که بعدها به عنوان طیف ویژه‌ی هلیوم شناسایی شد، به میان نیامده بود. در نامه‌های یاد شده، تنها به فورانها و انفجارهای خورشیدی مشاهده شده در غیر حالت کسوف اشاره شده بود. مدال ویژه‌ای نیز که قبلاً از آن یاد شد به خاطر همین واقعه ضرب گردید.
بنابراین، هلیوم در 18 اوت 1868 توسط هیچ یک از دو ستاره‌شناس، ژانسن و لاکیر، کشف نشد. مشاهدات این دو دانشمند انگیزه‌ای برای مطالعه‌ی دقیق انفجارها و فورانهای خورشیدی توسط بسیاری از ستاره‌شناسان گردید. بعدها طیف انفجارها و فورانهای خورشیدی مورد مطالعه‌ی دقیقتر قرار گرفت و دانشمندان دریافتند که خط ویژه‌ی موجود در آن متعلق به عنصری است که با طیف هیچ یک از عناصر شناخته شده‌ی قبلی مطابقت نمی‌کند. خط ویژه‌ی مزبور توسط ستاره‌شناس ایتالیایی، سکی (4)، که بعدها آن را D3 نامید، واضح‌تر مشاهده شد. نام سکی باید در کنار نامهای ژانسن و لاکیر ثبت می‌شد. نقش وی در کشف هلیوم کمتر از نقش پیشینیانش نبود. به هر حال، سکی فرض کرد که خط D3 را متعلق به عنصری ناشناخته باشد، به طور مثال، ئیدروژن، تحت فشار زیاد ودرجه حرارت بالا، اگر این فرض تأیید نشده بود، سکی در آن می‌شد که خط D3 را متعلق به عنصری ناشناخته بر روی زمین بداند.
لاکیر و فرنکلند (5) کوشیدند مسئله‌ای را که سکی عنوان کرده بود حل کنند ولی آنان متوجه هیچ‌گونه تغییری در طیف ئیدروژن نشدند. بنابراین، لاکیر در مقاله‌ی خود، که در 3 آوریل 1871 منتشر شد، عنوان «عنصر جدید X» را به کار برد. شواهدی وجود دارد مبنی بر این که نام هلیوم (مشتق از کلمه‌ی یونانی هلیوس به معنی خورشیدی) توسط فرنکلند پیشنهاد شده است. کلمه‌ی هلیوم اولین بار در یکی از جلسات مجمع بریتانیایی توسط رئیس جلسه، تامسن (لرد کلوین)، در سوم اوت همان سال عنوان شد. حتی اگر هلیوم را در آن شرایط کشف شده فرض کنیم مسئله باز غیر عادی و مبهم باقی مانده است. هلیوم تنها عنصری بود که تهیه‌ی آن به شکل مادی امکان‌پذیر نبود. هلیوم در شرایط عادی چیست – گاز، مایع، یا جامد؟ خواص آن کدامند؟ جرم اتمی آن چند است و جایش در مجموعه‌ی طبیعی عناصر کجاست؟
برای هیچ یک از سؤالات فوق پاسخی، حتی به طور تقریبی، وجود نداشت. علاوه بر آن، فرضیه‌ی احتمالی سکی هم پا بر جا و بدون جواب بود. بنابراین، در تاریخچه‌ی هلیوم دوره‌ای شروع شد که در آن هلیوم تنها عنصری فرضی تلقی می‌شد. در آن زمان هیچ‌گونه توافق مشترکی روی هلیوم وجود نداشت. مندلیف نقطه‌نظر سکی را قویاً مورد تأیید و حمایت قرار می‌داد و تصور می‌کرد خط زرد روشن می‌تواند متعلق به عنصر شناخته شده‌ی دیگری در فشار و درجه حرارت بالا باشد. به هر حال، کروکس موجودیت مستقل هلیوم را کاملاً به رسمیت شناخت و آن را به عنوان ماده‌ی اولیه‌ای که سایر عناصر، طی تبدیلات رو به افزایش، از آن حاصل شده‌اند در نظر گرفت.

گاهی به نظر می‌آمد که هلیوم در مرموز بودنش منحصر به فرد نیست. ستاره‌شناسان خطوط جدیدی در طیف اجرام گوناگون کیهانی کشف کردند: در خورشید، ستارگان، و غبارهای کیهانی. تعدادی از عناصر فرضی ظهور کردند مانند کورونیوم، آرکونیوم، نیبولیوم، پروتوفلوئور. سالها بعد، موجودیت این عناصر فرضی تکذیب شد و تنها هلیوم باقی ماند.

هلیوم برای رسمیت یافتن باید چهره‌ی زمینی خود را نشان می‌داد، و داستان موجودیت هلیوم در کره‌ی زمین با یک واقعه‌ی تصادفی شروع شد.
در اول فوریه‌ی 1895، رمزی نوشته‌ی کوتاه و مختصری ازمیرس (6) دریافت کرد. این شخص یکی از کارکنان موزه‌ی بریتانیا بود. در آن دوران، رمزی به عنوان کاشت آرگون مورد تحسین واقع شده بود و شاید بتوان گفت که میرس نیز چندان بی‌دلیل او را مخاطب نامه‌اش قرار نداده بود. میرس در نامه‌اش به رمزی درباره‌ی تحقیقات پژوهشگر امریکایی، هیلدبراند (7)، توضیحاتی ارائه کرده بود. این تحقیقات پیش از سال 1890 در انستیتوی زمین شناسی امریکا صورت گرفته بود. طی این آزمایشها، با حرارت دادن بعضی از کانیهای توریوم و اورانیوم (مثلاً کلویت) (8)، گاز شیمیایی بی‌اثری آزاد شده بود. طیف این گاز شبیه با طیف نیتروژن و حاوی خطوطی جدید بود.
بعدها، هیلدبراند خود به رمزی گفت که وسوسه شده بود تا این خطوط را به عنصری جدید نسبت دهد. به هر حال، همکاران وی در مورد نتایج حاصل مردد بودند و هیلدبراند آزمایشهایش را متوقف کرد. میرس معتقد بود که با توجه به حالات گوناگون حضور نیتروژن در اوراتانهای طبیعی، انجام آزمایشی دیگر اصولی و منطقی است.
ظاهراً رمزی اعتقاد داشت که گاز بی‌اثر هیلدبراند می‌تواند آرگون باشد؛ بنابراین، با نظر میرس موافقت کرد و در پنجم فوریه مقدار کمی کلویت تهیه کرد. رمزی خود به مطالعه‌ی آرگون مشغول بود و می‌کوشید ترکیبات آن را تهیه کند، به همین دلیل، از شاگردش، مثیوز (9)، خواست که به انجام آزمایش روی کلویت اقدام کند. مثیوز سنگ معدن را تحت تأثیر اسید سولفوریک گرم قرار داد و، مانند هیلدبراند، تشکیل حبابهای گازی شبیه نیتروژن را مشاهده کرد.
رمزی، پس از اینکه مقدار قابل ملاحظه‌ای گاز به دست آورد، به تجزیه‌ی طیفی آن پرداخت (14 مارس). نتیجه غیرمنتظره بود: طیف دارای نوار روشنی بود که خطوط آن در طیف نیتروژن و آرگون یافت نمی‌شد.
رمزی دلایل کافی برای گرفتن نتایج قطعی نداشت اما فرض کرد که کلویت، علاوه بر آرگون، حاوی گاز ناشناخته‌ی دیگری است. وی یک هفته‌ی تمام وقت صرف کرد تا این گاز را به شکل نسبتاً خالص تهیه کند. و در 22 مارس، طیف آرگون را با طیف گاز ناشناخته در حضور براونر مقایسه کرد. رمزی موقتاً این گاز را کریپتون نامید که که از کلمه‌ی یونانی به معنی «مخفی» و «سری» مشتق شده است. این نام بعدها به گاز بی‌اثر دیگری اطلاق گردید. در 23 مارس، دانشمند مزبور در دفتر یادداشت روزانه‌ی خود نوشت که خط زرد روشن «کریپتون» متعلق به سودیوم نبود و در طیف آرگون نیز مشاهده نشد. (در اواخر دهه‌ی 1860 لازم بود ثابت شود که خط D3 هلیوم خورشیدی خط زرد روشن سودیوم نبوده است؛ به طوری که ملاحظه می‌شود تاریخ یک‌بار تکرار شد).
رمزی، در حالی که نسبت به نتایج به دست آمده اطمینان کامل نداشت، نمونه‌ای از گاز را برای کروکس فرستاد. یک روز بعد، تلگرافی از کروکس دریافت داشت مبنی بر آنکه «کریپتون هلیوم است، 587/49؛ بیا و ببین.» عدد 587/49 مربوط به طول موج هلیوم خورشیدی بر طبق یک مقیاس ویژه بود. گرچه مشخصات فوق شناسایی هیوم را روی زمین آسان کرد، این کشف دستاوردی مستقل بود.
برای دانشمندان، مطالعه‌ی جامع و دقیق هلیوم (عنصر شیمیایی جدیدی که دیگر فرضی نبود) امکان‌پذیر شد. در بی‌اثری شیمیایی کامل هلیوم تردیدی وجود نداشت: بی‌اثری مشابه آرگون نیز تا آن زمان (1894) شناخته شده بود. یک گزارش مختصر درباره‌ی کشف هلیوم روی زمین اولین بار توسط رمزی در 29 مارس 1895 در «اخبار شیمی»، به سردبیری کروکس، منتشر شد. جالب است که تقریباً همزمان با آن، هلیوم زمینی در کانی کلویت توسط دانشمند سوئدی، کلوه، و دستیارش لونگلت (10) کشف گردید. (برهمین اساس سنگ معدن مزبور کلویت نامیده شد.) به هر حال، آنان در آزمایشاتشان کمی تأخیر داشتند و فقط توانستند افسوس خود را، بدون اینکه ادعای تقدم داشته باشند، ابراز کنند.
هلیوم زمینی کاملاً به رسمیت شناخته شد و هیچ کوششی برای رد نتایج به دست آمده توسط رمزی صورت نگرفت. مدت کوتاهی گذشت و هلیوم در دیگر کانیها و چشمه‌های معدنی کشف شد. در سال 1898، هلیوم در آتمسفر زمین نیز یافت گردید.

پی‌نوشت‌:

1. Janssen.
2. Lackyer.
3. Raye.
4. Secchi.
5. Frankland.
6. Miers.
7. Hildebrand.
8. Cleveite.
9. Matthews.
10.Lunglet .

منبع مقاله :
تریفونوف، دیمیتری نیکولایویچ؛ تریفونوف، ولادیمیر؛ (1390)، تاریخچه‌ی کشف عناصر شیمیایی، برگردان: عبدالله زرافشان، تهران: شرکت انتشارات علمی و فرهنگی، چاپ چهارم