På Comtes tid kendte man til omkring 40 grundstoffer, og man mente derfor, at alt stof på Jorden består af dem. Men man vidste ikke, om Solen og de øvrige stjerner bestod af samme grundstoffer.
Enkelte kemikere og astronomer rejste spørgsmålet om stjernernes kemiske sammensætning, for var himlens kemi den samme som Jordens? Eller var stjernerne gjort af særlige – på Jorden ukendte – grundstoffer?
Et spektre af skarpe linjer karakteriserer nogle grundstoffer
Det var opfindelsen af et enkelt instrument, det moderne spektroskop, i 1859, der gjorde det muligt at svare på de spørgsmål, Comte mente var umulige at besvare. I et spektroskop passerer lyset fra en lyskilde, her en stjerne, et glasprisme, hvor det spredes i et spektrum af farver.
Spektret vil typisk indeholde skarpe linjer, der er karakteristiske for netop de grundstoffer, der udsender lyset og hvis bølgelængder kan måles i spektroskopet.
Andre gange fremstår linjerne som mørke streger på den farvede baggrund, hvilket skyldes, at lyset fra stjernen er blevet absorberet i stjernens atmosfære.
Linjespektret er et fingeraftryk for grundstoffer
Linjespektret for et bestemt grundstof er med andre ord unikt, et fingeraftryk der kan benyttes til at identificere grundstoffet.
Allerede i 1861 undersøgte den tyske fysiker Robert Kirchhoff (1824-1887) solspektret, hvorved han kunne påvise natrium og andre kendte grundstoffer i Solens atmosfære.
En ny tværfaglig forskningsgren, ‘astrospektroskopien’, var født. Stjernerne var ikke længere fremmed land for kemikerne, sådan som Comte skråsikkert havde hævdet.
Mange af stjernes spektre kunne ikke tilskrives kendte stoffer
Den nye astrokemi bekræftede forskerne i deres formodning om, at de kendte jordiske grundstoffer også fandtes i himlene. Men heraf fulgte jo ikke, at stjernerne kun bestod af disse grundstoffer.
Den himmelske kemi kunne meget vel adskille sig fra den jordiske, nemlig hvis stjernerne indeholdt grundstoffer, der ikke fandtes på Jorden. Mendelejevs periodiske system fra 1869 indskrænkede muligheden for nye grundstoffer uden at udelukke dem.
\ Fakta
Denne artikel stammer fra bogen ’50 opdagelser – Højdepunkter i naturvidenskaben’. Bogen bringes i samarbejde med Aarhus Universitetsforlag. Køb bogen her
Der var mange spektrallinjer i stjernernes spektre, der ikke kunne tilskrives kendte stoffer, så det var fristende at foreslå nye grundstoffer på grundlag af disse linjer.
Helium var en undtagelse
I sidste del af 1800-tallet fremkom der da også adskillige forslag eller påstande om himmelske grundstoffer, der imidlertid savnede evidens ud over de ukendte spektrallinjer.
Disse hypotetiske grundstoffer – som nebulium, coronium, asterium og archonium – viste sig at være eklatante fejltagelser og optræder ikke i de versioner af det periodiske system, der i dag pryder ethvert kemilaboratorium.
Og dog, for der var en enkelt undtagelse – helium.
Solens spektrum skyldes måske et nyt stof
Helium blev identificeret af den engelske amatørforsker og astronom Norman Lockyer (1836-1920), der i øvrigt grundlagde det indflydelsesrige videnskabelige tidsskrift Nature i 1869.
Året før havde han studeret Solens spektrum og der fundet en hidtil ukendt linje, der var klart gul og lå tæt ved natriums gule spektrallinje.
I starten opfattede han ikke linjen som særlig interessant, og først efter et års tid begyndte han at overveje, om den måske skyldtes et nyt stof, der passende kunne kaldes helium (efter helios, det græske navn for Solen).
Indtil 1895 var helium blot en hypotese
Også den franske astronom Pierre-Jules Janssen (1824-1907) fandt i 1868 den gule linje i solspektret, og i mange fremstillinger optræder han som uafhængig opdager af helium. Men Janssen foreslog faktisk aldrig, at linjen skyldtes et nyt grundstof.
Det hypotetiske stof påkaldte sig betydelig interesse, ikke mindst da man frit kunne spekulere om dets egenskaber – man vidste jo reelt intet om det.
I skriftet Om Materiens Enhed fra 1887 omtalte den anerkendte danske kemiprofessor Julius Thomsen (1826-1909) helium som et ‘kosmisk urstof’ med en atomvægt, der formentlig var mindre end brints.
Som enkelte andre mente han, at det var ‘materien i den urtilstand, fra hvilken vore atomer og molekyler er udviklede ved afkøling og fortætning’. Indtil 1895 forblev grundstoffet helium dog en luftig hypotese, som kun de færreste tog alvorlig.
Opdagelsen af grundstoffet argon var kontroversiel
Vi må skrue tiden tilbage til 1894 og besøge den engelske kemiker William Ramsay (1852-1916) og hans kollega, fysikeren lord Rayleigh (1842-1919).
I undersøgelser af luftarters massefylde fandt de til deres overraskelse, at den luft, vi alle indånder, indeholder omkring 1 % af et nyt grundstof, som de kaldte argon.
Opdagelsen var kontroversiel, da en kemisk inaktiv gas med atomvægt på cirka 40 ikke passede ind i det ellers så nette periodiske system.
Helium blev påvist udfra et uranmineral
Helium – i dets jordiske og ikke dets himmelske version – blev påvist i kølvandet på argon, nemlig da Ramsay i foråret 1895 undersøgte spektret af en gas, der blev frigjort af et uranmineral.
Han troede først, at gassen var enten kvælstof eller argon, men den 22. marts bemærkede han pludselig ‘en strålende klar og vidunderlig gul linje’, hvis bølgelængde var næsten den samme som for Lockyers halvt glemte heliumlinje.
Havde Ramsay nu opdaget helium som en partner til argon, endnu en ny bestanddel af atmosfærisk luft?
Ikke helt, for hans eksperimenter viste, at den nye gas kun kom fra mineralet, hvorfra den kunne opsamles til videre undersøgelser.
Helium var en kemisk inaktiv gas
Efter nogen forvirring kunne han ud fra gassens massefylde fastlægge dens atomvægt til blot 4 og påvise, at helium var det næstletteste af alle grundstoffer (brint har atomvægt 1).
Da helium desuden viste sig at være kemisk inaktiv lige som argon, foreslog Ramsay, at de to grundstoffer hørte til en helt ny gruppe i det periodiske system, ædelgasserne.
Senere opdagelser af andre ædelgasser som krypton og xenon bekræftede denne antagelse, og i 1904 blev Ramsays opdagelser af nye grundstoffer i gasform belønnet med Nobelprisen i kemi. Samme år fik Rayleigh Nobelprisen i fysik for sit bidrag til opdagelsen af argon.
Lockyer fik ingen pris, for han havde trods alt ikke forudsagt eksistensen af helium, men kun gættet på, at der måske fandtes et nyt grundstof i Solen.
Helium blev først anset som ekstremt sjældent
Hvis vi trækker linjen op, kan vi konstatere, at helium først blev sporet i Solen, hvorefter det viste sig, at grundstoffet også findes på Jorden. Og heliums videre historie er ikke mindre bemærkelsesværdig end dets foregribelse og opdagelse.
Grundstoffet blev oprindeligt anset for at være ekstremt sjældent og kun at findes i forbindelse med radioaktive mineraler, hvor det dannes via henfald af for eksempel uran og thorium. Men her tog man – igen – fejl.
På grund af dets sjældenhed var der heller ingen, der forestillede sig, at det kunne have nogen praktisk anvendelse.
Helium er en relativ hyppig naturgas
I dag ved vi, at helium er yderst sjældent i atmosfæren – dets forekomst er blot på 0,0000005 %, fordi Jordens tyngdefelt simpelthen ikke kan fastholde det lette grundstof, der siver ud i verdensrummet. Til gengæld er helium relativt hyppigt i underjordiske brønde med naturgas.
Sådanne brønde blev fundet i 1920’ernes USA, hvor en formodet naturgasprøve blev sendt til et lokalt universitet, fordi den ikke ville antænde – en uheldig egenskab for naturgas. Det blev starten på en kommerciel produktion af helium.
Hurtigt oplevede man et voldsomt prisfald, der gjorde helium til en interessant gas for de nye luftballoner og luftskibe, der ellers, skæbnesvangert, havde været fyldt med den brændbare brint.
Som en inaktiv gas kan helium hverken brænde eller indgå i andre kemiske reaktioner. Det er faktisk det eneste grundstof, af hvilket der stadig ikke kendes nogen kemisk forbindelse. I øvrigt er helium farveløst og uden lugt eller smag.
Flydende helium er en guldgrube for kvantefysik
Oprindeligt troede man, at helium kun fandtes i gasform, men i 1908 lykkedes det den hollandske fysiker Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) at omdanne det til en væske ved at køle det ned til blot cirka 5 grader over det absolutte nulpunkt (– 268 °C).
Flydende helium har vist sig at være en sand guldgrube for kvantefysiske studier, og det anvendes til særligt kraftige, såkaldt superledende magneter.
Er helium en sjælden gæst på Jordens overflade, så er det modsatte tilfældet i universet som helhed. Bortset fra brint er helium nemlig det suverænt mest almindelige stof i universet.
Stjerner laver helium udfra brint
Spektroskopiske og andre undersøgelser af Solen viste omkring 1960, at vores sol, en ret almindelig og egentlig ret kedelig stjerne, består af 32 % helium og 64 % brint, mens alle andre grundstoffer må deles om de sidste 4 %.
Senere viden har korrigeret tallene en smule, men faktum er, at stjernerne er veritable heliumfabrikker, hvor grundstoffet dannes i store mængder i stjernernes indre ud fra brint.
Om end det sker i enorme mængder, er det slet ikke tilstrækkeligt til at forklare den kosmiske forekomst af helium i universet.
Helium udgør 27 % af universets masse
Netop grundstoffets kosmiske hyppighed blev i 1950’erne et stridsspørgsmål mellem forskellige kosmologiske teorier.
Ifølge den dengang nye big bang-teori blev det meste helium dannet i de første minutter af universets fødsel for mere end 13 milliarder år siden, da universet var blevet koldt nok til, at brintkerner kunne slutte sig sammen til heliumkerner.
Fysikere kunne i 1966 beregne, at den oprindeligt dannede helium måtte udgøre 27 % af universets masse. Senere beregninger og observationer har bekræftet, at cirka en fjerdedel af alt almindeligt stof er helium, hvilket er i fuld overensstemmelse med teorien om et big bang.
Helium startede sin karriere så sent som 1868 i den beskedne form af en enkelt linje i Solens spektrum. I betragtning af denne ydmyge start er dets massive tilstedeværelse i universet bemærkelsesværdig. Helium har gemt sig længe og gemt sig godt, men nu er gemmelegen slut.
