هلیوم: عنصری که در خورشید کشف شد

نوشته رویستون م. رابرتس                                  ترجمه محی الدین غفرانی

هلیوم نه در زمین، بلکه در خوشید کشف شد ! این اکتشاف در سال ۱۸۶۸، سالها قبل از آنکه سفرهای فضایی ممکن شود، به طور تصادفی انجام گرفت. در ۱۸۵۹، دو دانشمند آلمانی، یکی شیمیدانی به نام رابرت ویلهلم بونزن، و دیگری فیزیکدانی به نام گوستاف روبرت کیرشهوف، در دانشگاه هایدلبرگ ابزاری نوری ساختند که طیف نما (اسپکتروسکوپ) نامیده می شد. وقتی عنصری به حد التهاب حرارت می دید، این ابزار طیف نشری خطی (مجموعه از خطوط روشن در زمینه ای تیره، که هر مجموعه بسته به تعداد، رنگ و فاصله خطوط، مشخصه عنصری خاص است) تولید می کرد. آنان با این ابزار دو عنصر جدید در جدول تناوبی از “خانواده سدیم”، یعنی سزیوم و روبید یوم را، به ترتیب در سالهای ۱۸۶۰ و ۱۸۶۱ کشف کردند. پیئر ژانس، رئیس رصد خانه اختر فیزیکی در مودون فرانسه، به هند رفته بود تا در ۱۸ اوت سال ۱۸۶۸ خورشیدگرفتگی را مشاهده و از آن عکسبرداری کند. در اکتبر همان سال ج. نورمن لاکیئر، استاد فیزیک اخترشناسی در کالج سلطنتی علوم لندن، با استفاده از تلسکوپ مخصوصی که طیف گازهای درخشنده اطراف خورشید را حتی در مواقعی غیر از زمان خورشید گرفتگی آشکار می کرد، آنها را ثبت نمود. او متوجه برخی خطوط طیفی شد که نشان می داد هیدروژن از جمله گازهایی است که از خورشید ساطع می شود. همچنین دو خط زرد را که مشخصه سدیم بودند مشاهده کرد، اما خط زرد سومی وجود داشت که با هیچ یک از عناصری که تا آن زمان می شناختند مطابق نبود. او نتیجه گرفت که شاید این خط سوم متعلق به عنصری باشد که در اطراف گازهای خورشید وجود دارد، اما در زمین کشف نشده است. او این یافته را در همان روز مشاهده – یعنی در ۲۰ اکتبر سال ۱۸۶۸ – به انجمن سلطنتی گزارش کرد، و سه روز بعد وارن دولارو گزارش یافته های لاکیئر را به فرهنگستان علوم فرانسه ارائه داد. در همین هنگام، ژانسن طیفی را که در هند ثبت کرده بود در ۱۸ اوت مورد مطالعه قرار داد، و همان خط زرد جدید را مشاهده کرد. او نتایج را در ۲۳ اکتبر، چند دقیقه پس از آنکه نامه لاکیئر را دو لارو قرائت کرده بود، طی نامه ای به فرهنگستان فرانسه گزارش داد. همین امر باعث شد که این پرسش پیش آید که افتخار اکتشاف نصیب چه کسی شود: ژانسن زودتر آن را مشاهده کرده بود، اما گزارش لاکیئر زودتر رسید، دو اخترشناس به جای مجادله بر سر تقدم و تأخر دوستانی صمیمی شدند، و فرهنگستان فرانسه نشان یادبودی ضرب کرد که تصویر و نام هر دو دانشمند در آن نقش بسته بود. لاکیئر با کمک ادوارد فرانکلند، استاد شیمی دانشگاه منچستر، به پژوهشهای خود ادامه داد. او متقاعد شده بود که این خط طیفی جدید مربوط به عنصری جدید است، و بر اساس معادل یونانی واژه خورشید، یا هلیوس، آن را هلیوم نامیدند. آنگاه جست و جو به دنبال قرائنی که بر وجود هلیوم در زمین دلالت داشته باشند آغاز شد، اما ۲۳ سال طول کشید تا مدرکی یافت شود. در سال ۱۸۹۱ و.ه.هیلبراند از سازمان نقشه برداری زمین شناختی ایالات متحده امریکا، طیف گازهای تولید شده بر اثر حرارت دادن سنگ معدن اورانیوم را بررسی کرد. این طیف عمدتا به نیتروژن مربوط می شد، اما برخی از خطوط طیفی به نیتروژن تعلق نداشتند. وقتی سر ویلیام رمزی در لند گزارش هیلبراند را خواند، حدس زد که شاید این خطوط طیفی ناشناخته به آرگون، عنصر گازی نادر و بی اثر که او و لرد ریلی یک سال قبل در هوا کشف کرده بودند، متعلق باشد. وی نمونه ای از نوع دیگری سنگ معدن اورانیوم را به دست آورد و به همان ترتیبی که هیلبراند انجام داده بود آن را حرارت داد؛ و همان طوری که پیش بینی می کرد توانست آرگون را در آن بیابد، اما خط طیفی زرد رنگ دیگری یافت، که نه به نیتروژن تعلق داشت و نه به آرگون. نخست گمان می کرد خط مزبور ناشی از کریپتون، گاز بی اثر دیگری که احتمال می داد با آرگون همراه است و بعدها به این نام خوانده شد، باشد؛ اما وقتی نمونه هایی از گاز به دست آمده را برای اندازه گیری های دقیق تر به نزد لاکیئر و سر ویلیام کروکس فرستاد، هر دو تایید کردند که طول خط موج آن خط زرد درست برابر طول موج هلیوم موجود در جو خورشید است. رمزی در ۲۶ مارس ۱۸۹۵، همزمان دو نامه به انجمن سلطنتی انگلستان و فرهنگستان علوم فرانسه فرستاد، و کشف هلیوم را در زمین اعلام کرد. سر ویلیام رمزی به سبب کشف آرگون، هلیوم (در زمین)، و دیگر گازهای نادر برنده جایزه نوبل ۱۹۰۴ شیمی شد. او در فاصله سالهای ۱۸۹۵ تا ۱۸۹۸ گازهای کریپتون، گزنون، و نئون را کشف کرده بود، و بدین ترتیب ستون صفر جدول تناوبی را با خویشاوندان هلیوم پرکرد. در جدولی که عناصر در آن براساس عدد اتمی و شباهتهای تکرار شونده یا “تناوبی” مرتب کرده اند، ستون صفر جدول تناوبی محل قرار گرفتن عناصر نادر یا “نجیب” است. معمولا قسمت اعظم افتخار تدوین جدول تناوبی عناصر را به شیمیدان روسی، دیمیتری مندلیف نسبت می دهند. سابقا تصور می شد که عناصر ستون صفر با عناصر دیگر ترکیب نمی شوند (بنابراین توان ترکیبی یا ظرفیتشان صفر است)؛ اکنون می دانیم که حتی این عناصر نیز با عناصر دیگر ترکیب می شوند، اما نه به سادگی. در سال ۱۹۰۴ هلیوم گازی نادر بود، اما در ۱۹۰۵ وضع کم کم تغییر کرد. باز هم تصادف وارد ماجرا شد. یک چاه گاز طبیعی در دکستر در کانزاس مهار شد و گاز آن برای مصرف به عنوان سوخت به یک مولد بخار لوله کشی شد. اما آنچه سبب حیرت همگان شد این بود که گاز نمی سوخت وقتی دانشمندان دانشگاه کانزاس آن را تجزیه و تحلیل کردند، معلوم شد بخش عمده اش از نیتروژن است، اما شگفت آور آنکه حدود ۲ درصد هم هلیوم داشت. پس از آن معلوم شد که در گاز چاههای دیگر در تگزاس، نیومکزیکو، یوتا، و چندین استان کانادا، مقادیر اندکی هلیوم وجود دارد. در حال حاظر یکی از منابع عمده هلیوم در تنگه تگزاس در نزدیکی آماریلو قرار دارد. گرچه درصد هلیوم آن کم است (حدود ۸/۱ %)، اما حجم گاز موجود در این حوزه آن قدر زیاد است که به عنوان تأمین کننده اصلی هلیوم جهان شناخته شده است.

پسنوشت

در سالهای نخست قرن حاضر، آلمانیها سفینه های محکم و سبکتر از هوایی ساختند که به افتخار طراحشان، کنت فردینانت فون زپلین، آنها را زپلین می نامیدند. در این کشتیهای هوایی نیروی بالابر از هیدروژن تأمین می شد. در جنگ جهانی اول از انها برای تجسس و بمباران، و در دهه، ۱۹۳۰ برای مسافربری تجاری استفاده می کردند. وقتی در ۱۹۳۶ سفینه هیندنبورگ به هنگام فرود در لیکهرست نیوجرسی آتش گرفت، استفاده از آنها برای این گونه مقاصد متوقف شد. به نظر می رسید الکتریسیته جوی هیدروژن را مشتعل کرده باشد. ۳۶ مسافری که در این حادثه جان باختند، نخستین تلفات در تاریخ هوانوردی تجاری بودند. بعدها کشتی هوایی مشابهی در آلمان طراحی و اصلاح شد تا با هلیوم کار کند. اما تیرگی روابط بین المللی باعث شد تا ایالات متحد، که بر تولید هلیوم سلطه داشت، از صدور آن سر باز زند. در جنگ جهانی دوم، ایالات متحد، از بالونهای کوچک انعطاف پذیری به نام “بلیمپ” برای مأموریتهای گشت ساحلی و ضد زیر دریایی استفاده می کرد. نیروی بالابر آنها تماما از هلیوم تأمین می شد، که بالابری آن ۹۳% هیدروژن است، و خطر آتش سوزی در مورد آن وجود ندارد، چون هلیوم نه خود می سوزد و نه باعث احتراق می شود. ظهور هواپیماهای سنگین امروزی در میدان پررقابت خدمات مسافربری به عمر کشتیهای هوایی سبک وزن خاتمه داده است. اما هر وقت بر فراز ورزشگاهها، بالون های تبلیغاتی را دیدید که سکوی بی نظیری را برای دوربینهای تلویزیونی در اختیار گذارده اند، به یاد عنصر عجیبی خواهید افتاد که به طور تصادفی در خورشید، و بعدها در زمین کشف شد.