[物理史] 氦的發現

氦的發現 (Discovery of Helium)
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
（譯自APS News，2014年8/9月）

雖然氦在可觀察到的宇宙是第二多的元素，但可由鈾等的放射性元素衰變而生成的氦，在地球上卻是相對稀少。事實上，氦真的太稀少了，所以直到 1868 年才被發現，這主要都要歸功於兩位科學家的努力，一位在英國，另一位在法國。

1859 年，克希何夫 (Gustav Kirchhoff) 認知到可用太陽和其他星球所輻射出的光譜來推斷它們的化學成分。克希何夫使用此方法，發現了銫和銣兩種元素。天文學家對日珥─如火焰般絢麗的氣流，現在已知是稠密氣體的熱雲，的研究尤其感興趣。科學家相信觀察日珥最好的方法是在日食期間。 

簡森 (Pierre Janssen) 出生在巴黎，幼年的一場意外使他永久跛腳。他在巴黎大學時就讀數學和物理，1865 年終於在那裡當上建築學教授。但他的興趣遠廣過他的專業，包括許多有關天文和地球物理的科學探測；例如，他遠赴秘魯研究地磁赤道，還到義大利和瑞士研究太陽光譜。

1868 年，簡森遠至印度貢土爾 (Guntur, India) 觀察日食，他專心觀察日珥後得到結論說，日珥主要由氫氣所組成，加熱到極高的溫度而形成。然而，在 8 月 18 日，當他從分光鏡觀察太陽光譜時，他注意到應該顯示出鈉的黃光波長實際上並不吻合鈉的波長。事實上，它不符合當時已知的任何元素的波長。他認為那個光線夠亮，所以甚至沒有日蝕的幫忙也應該看得見，只要找出一個能過濾掉其他所有波長，而留下那可見光的波長的方法即可。那就是他後來如何發明太陽分光鏡，以能更好地分析太陽光譜的方法。

1868 年 10 月 20 日，大約在 5,000 哩外的英國天文學家洛克耶 (Joseph Norman Lockyer) 亦成功地在大白天觀察到日珥。他詳盡記錄所觀察到的現象之論文和簡森的論文同一天送抵法國科學院，因此兩人同享發現氦的功勞。

一開始這是一個令人存疑的榮譽，許多同業懷疑它是一個新的元素，嘲笑他們的結論，有些人則認為氦僅存在於太陽。1882 年，義大利物理學家帕爾米耶里 (Luigi Palmieri) 在分析維蘇威火山 (Mount Vesuvius) 的熔岩時，注意到他的資料中也有相同黃光的譜線，這是地球中有氦的最早跡象。又過了 12 年，蘇格蘭化學家拉姆賽 (William Ramsay) 才進一步發現氦元素的實驗證據。

拉姆賽是土木工程師之子，也是蘇格蘭知名地質學家的姪子。他在德國杜賓根大學 (University of Tübingen) 獲得博士學位，最後任職於倫敦大學學院 (University College London)，發表了幾篇有關氮氧化合物的論文。1894 年，拉姆賽受到瑞立男爵 (Lord Rayleigh) 演講的激勵，成功分離出一種不具化學反應性的新氣體─第一個惰性氣體，他仿照「懶惰」的希臘字，將其取名為「argon」（氬）。之後他又發現更多的惰性氣體：氖、氪和氙，這些成就也終於讓他獲得了 1904 年的諾貝爾化學獎。

1895 年，拉姆賽著手研究一大塊鈾礦（釔鈾礦），他使用礦酸來處理，希望藉由硫酸分開礦石的氮和氧，能分離出氬。然而，他注意到樣品中含有不尋常的氣體在裡面。拉姆賽寄樣品給洛克耶做確認，根據洛克耶的說法，出現在分光鏡的就是一道「壯觀的黃光」，其光譜和觀察太陽色球所提的新元素的光譜相符合。

之後，拉姆賽做了許多測試，確認此譜線的確是新元素，而不是氫的新形式。他的研究後來刊登在同年的《倫敦皇家學會會刊》(Proceedings of the Royal Society of London )，而瑞典化學家克雷弗 (Per Teodor Cleve) 和朗格勒特 (Abraham Langlet) 也成功地從釔鈾礦分離出此氣體。洛克耶仿照太陽的希臘字「helios」將此新元素取名為「helium」（氦）。

簡森在做出此重要的觀測後並未閒著，他於 1870、1875、1883 和 1905 年在全球各地觀察了更多的日食。在 1870 年阿爾吉爾的日食期間，他乘坐熱汽球逃離當時陷於普法戰爭最緊張時遭圍困的巴黎。1874 年，他還在日本目睹了金星凌日，1882 年在阿爾及利亞又再次親眼目睹，當時的目的是要捕捉凌日開始那一刻的畫面。他發明了一個叫做發條裝置旋轉器的儀器來照相，使用銀版攝影法可以在 72 秒連續照 48 張。如此照出來的影片品質很好，鼓勵了其他的天文學家在之後的凌日照相時採用。

1893 年，簡森在白朗峰 (Mount Blanc) 建造了天文台，這是正確的決定，天文台位於高緯度大氣較稀薄可以有很大的優勢。那時他已 69 歲，但仍然爬上山，花了好幾天做觀測。他甚至在早期法國知名的盧米耶荷兄弟 (Lumière brothers) 所拍攝的影片中做了兩次客串演出。簡森於 1907 年 12 月 23 日過世，距離他所出版的《太陽圖集》(Atlas de Photographies Solaires )僅僅 3 年，書中收集了 6,000 多張太陽的照片。

簡森（Pierre Janssen，左圖）和洛克耶（Joseph Norman Lockyer，右圖）發現了氦。

原文刊載於物理雙月刊2015年8月號37卷第4期，感謝楊信男教授同意授權刊載。

系列文章100篇已集結成冊，由五南出版，書名為《物理奇才奇事》。