Цивилизация
18 августа 1868 года французский ученый Пьер Жансен, находясь во время полного солнечного затмения в индийском городе Гунтур, впервые исследовал хромосферу Солнца — его внешнюю оболочку. Жансену удалось настроить спектроскоп таким образом, чтобы спектр короны Солнца можно было наблюдать не только при затмении, но и в обычные дни. Уже на следующий день, изучая протуберанцы (массы относительно холодного вещества, которые поднимаются и удерживаются над поверхностью Солнца магнитным полем), в результатах спектроскопии Жансен обнаружил не только синюю, зелено-голубую и красную линии водорода, но и очень яркую желтую, которую астроном и его коллеги первоначально приняли за линию натрия.
Спустя два месяца, 20 октября, английский астроном Норман Локьер, не зная о разработках французского коллеги, также провел исследования солнечного спектра.
Обнаружив неизвестную желтую линию с длиной волны 588 нм, он обозначил ее D3.
Письма Жансена и Локьера об открытии новой линии солнечного спектра поступили во Французскую Академию наук в один день — 24 октября 1868 года, однако письмо Локьера, написанное им четырьмя днями ранее, пришло на несколько часов раньше. На следующий день оба письма были зачитаны на заседании Академии. В честь нового метода исследования протуберанцев Французская академия решила отчеканить медаль. На одной стороне медали были выбиты портреты Жансена и Локьера над скрещенными ветвями лавра, а на другой — изображение мифологического бога света Аполлона, правящего в колеснице четверкой коней, скачущей во весь опор.
Локьер пытался воссоздать новые спектральные линии в лабораторных условиях, но все его попытки заканчивались неудачей. Тогда он понял, что обнаружил новый химический элемент. Локьер назвал его гелием, от греческого helios — «Солнце».
Отношение ученых к открытию гелия было противоречивым. Одни предполагали, что при интерпретации спектров протуберанцев была допущена ошибка, однако эта точка зрения получала все меньше сторонников, поскольку все большему количеству астрономов удавалось наблюдать линии Локьера. Другие утверждали, что на Солнце есть элементы, которых нет на Земле, что противоречило идее о том, что все известные нам в настоящее время законы природы действовали и будут действовать всегда и во всех точках Вселенной. Третьи (их было меньшинство) считали, что когда-нибудь гелий будет найден и на Земле.
Однако именно они и оказались правы. В 1895 году шотландский химик Уильям Рамзай, исследуя образец газа, полученного при разложении минерала клевеита, обнаружил в его спектре неизвестные линии и послал образцы нескольким коллегам для анализа. Получив образец, Локьер сразу же узнал линии, которые более четверти века назад он наблюдал в солнечном свете. Загадка гелия была решена: газ, несомненно, находится на Солнце, но он существует также и здесь, на Земле.
Гелий — второй по распространенности элемент во Вселенной, на его долю приходится 23% всей космической массы.
Тем не менее, на Земле он встречается редко. Этот элемент — один из продуктов ядерного распада, поэтому его источник — руды радиоактивных элементов.
К началу ХХ века была окончательно доказано присутствие гелия в атмосфере Земли. В 1906 году физикам удалось получить жидкий гелий, а в 1926 — добиться его кристаллизации. В 1938 году советский физик Петр Капица открыл явление сверхтекучести жидкого гелия-II, которое заключается в резком снижении коэффициента вязкости, вследствие чего гелий течет практически без трения.
В промышленности гелий получают из гелийсодержащих природных газов. От других газов гелий отделяют методом глубокого охлаждения, используя то, что он сжижается труднее всех остальных газов.
Впервые гелий применили в Германии. В 1915 году немцы стали наполнять им свои дирижабли, бомбившие Лондон. Вскоре легкий, но негорючий газ стал незаменимым наполнителем воздухоплавательных аппаратов. Начавшийся в середине 1930-х годов упадок дирижаблестроения повлек некоторый спад в производстве гелия, но лишь на короткое время. Этот газ все больше привлекал к себе внимание химиков, металлургов и машиностроителей.
Сегодня гелий используется в пищевой промышленности как пропеллент и упаковочный газ, в качестве хладагента для получения сверхнизких температур, для наполнения воздушных шариков и оболочек метеорологических зондов, для наполнения колб филаментных светодиодных ламп, что позволяет эффективно отводить тепло от светодиодных нитей, для поиска утечек в трубопроводах и котлах, в качестве носителя в газовой хроматографии и во многих других сферах.
В научных исследованиях и в технике широко применяется жидкий гелий. Сверхнизкие температуры благоприятствуют углубленному познанию вещества и его строения – при более высоких температурах тонкие детали энергетических спектров маскируются тепловым движением атомов.
Гелиокислородные смеси стали надежным средством профилактики кессонной болезни и дали большой выигрыш по времени при подъеме водолазов.
Растворимость газов в жидкостях, при прочих равных данных, прямо пропорциональна давлению. У водолазов, работающих под большим давлением, в крови растворено азота гораздо больше в сравнении с нормальными условиями, существующими на поверхности воды. При подъеме с глубины, когда давление приближается к нормальному, растворимость азота понижается, и его избыток начинает выделяться. Если подъем совершается быстро, выделение избытка растворенных газов происходит столь бурно, что кровь и богатые водой ткани организма, насыщенные газом, буквально вспениваются от массы пузырьков азота.
Образование пузырьков азота в кровеносных сосудах нарушает работу сердца, появление их в мозгу нарушает его функции, все это ведет к тяжелым расстройствам жизнедеятельности организма и в итоге — к смерти. Для того, чтобы предупредить развитие описанных явлений, подъем водолазов происходит очень медленно.
При этом избыток растворенных газов выделяется постепенно, и никаких болезненных расстройств не происходит. С применением искусственного воздуха, в котором азот заменяется менее растворимым гелием, возможность вредных расстройств устраняется почти полностью. Это позволяет увеличивать глубину опускания водолазов (до 100 и более метров) и время пребывания под водой.
«Гелиевый» воздух имеет плотность в три раза меньше плотности обычного воздуха. Поэтому дышать таким воздухом легче, чем обычным (уменьшается работа дыхательных мышц). Это обстоятельство имеет важное значение при заболевании органов дыхания. Поэтому «гелиевый» воздух применяется также в медицине при лечении астмы, удушья и других болезней.
Кроме того, гелий — удобный индикатор для геологов.
При помощи гелиевой съемки можно определять на поверхности Земли расположение глубинных разломов. Гелий как продукт распада радиоактивных элементов, насыщающих верхний слой земной коры, просачивается по трещинам, поднимается в атмосферу. Около таких трещин и особенно в местах их пересечения концентрация гелия более высокая. Эта закономерность используется для исследования глубинного строения Земли и поиска руд цветных и редких металлов.