Элемент-призрак: как физики 40 лет искали небулий в космосе
В 1835 году философ Огюст Конт утверждал, что люди никогда не узнают, из чего состоят небесные тела. Но изобретение спектроскопа разрушило это убеждение. Физик Густав Кирхгоф показал, что у каждого химического элемента есть свой «световой» отпечаток. В 1868 году благодаря этому методу на Солнце открыли гелий. На Земле этот газ смогли выделить из минералов только спустя почти 30 лет. Эта история заставила учёных поверить, что в космосе скрыты и другие неизвестные науке вещества.
Странное зелёное свечение
В августе 1864 года британский астроном Уильям Хаггинс навёл телескоп на планетарную туманность Кошачий Глаз. В спектре туманности он увидел не радужную полосу, а три яркие линии, две из которых были насыщенного зелёного цвета.
Туманность Кошачий Глаз
Хаггинс сравнил эти линии со спектрами 30 известных элементов, но совпадений не нашёл. Вывод напрашивался сам собой: астроном обнаружил новый элемент. Ему дали название «небулий» — от латинского слова nebula, что значит «туманность».
Параллельно это открытие доказало важный факт. Раньше астрономы считали туманности просто скоплениями очень далёких звёзд. Спектр Хаггинса подтвердил, что это гигантские облака светящегося разреженного газа.
Охота длиной в 40 лет
Небулий официально признали и начали искать на Земле. Создатель периодической таблицы Дмитрий Менделеев в своей работе 1904 года даже выделил место для гипотетических элементов легче водорода, что подогревало веру в небулий. Математик Джон Уильям Николсон в 1911 году попытался рассчитать атомный вес нового газа и получил значение 1,62.
Периодическая система химических элементов Менделеева 1869 года
Вдохновлённые химики отправились искать загадочный элемент в кратерах вулканов, считая их газы остатками первичной материи Земли. Исследователи брали пробы на Везувии и гавайских вулканах Килауэа и Мауна-Лоа. Они нашли там аргон, неон и гелий, но небулий так и оставался неуловимым призраком. Астрономические факты были неоспоримы: зелёное свечение видели все владельцы телескопов, а земная химия молчала.
Узнать больше о невероятных космических явлениях можно в научно-популярных и документальных фильмах из библиотек онлайн-кинотеатров.
Квантовая революция и тупик
В 1910-х годах физика пережила революцию, которая не оставила небулию теоретических шансов. Физик Генри Мозли доказал, что свойства элементов зависят не от атомного веса, а от заряда ядра — атомного номера, который всегда является целым числом.
Водород получил номер 1, гелий — номер 2. Между ними просто не было места для нового элемента с дробным весом. В 1920-х годах Нильс Бор создал квантовую модель атома, которая окончательно закрыла все пустые ячейки для лёгких элементов. Возник парадокс: зелёные линии в телескопах есть, а элемента, который их излучает, существовать не может.
Разгадка Айры Боуэна
Тайну раскрыл в 1927 году американский физик Айра Спраг Боуэн. Он опирался на теорию о так называемых запрещённых квантовых переходах. Боуэн провёл расчёты для дважды ионизированных — потерявших два электрона — атомов кислорода.
Оказалось, что длины волн такого кислорода идеально совпадают с главными зелёными линиями небулия — 495,9 и 500,7 нанометра. Небулий оказался самым обычным кислородом, который поместили в экстремальные условия вакуума.
Космическая лаборатория
Почему же этот кислород даёт такие спектральные линии только в космосе? Всё дело в плотности вещества. В квантовой физике есть «запрещённый переход» — это редкое событие, при котором электрон переходит между энергетическими уровнями в результате сложных квантовых механизмов. Это очень медленный процесс, в ходе которого электрон в атоме может задерживаться в особом энергетическом состоянии на секунды или даже минуты, прежде чем сбросить энергию и выпустить квант света.
На Земле даже в самом хорошем искусственном вакууме атомы сталкиваются миллиарды раз в секунду. Из-за таких частых ударов атом кислорода отдаёт свою энергию соседним частицам ещё до того, как успеет излучить зелёный свет.
В космосе всё иначе. Плотность газа в туманностях в триллионы раз меньше земной атмосферы — всего несколько тысяч частиц на кубический сантиметр. Атомы ионизированного кислорода летают там свободно и почти не сталкиваются друг с другом. У них есть время завершить свой медленный переход и зажечь туманность ярким светом.
Ошибка с небулием доказала, что космос — это огромная лаборатория с условиями, которые невозможно воссоздать ни в одной колбе на Земле. Сегодня линии того самого «небулия» используют как космический термометр. По интенсивности свечения дважды ионизированного кислорода астрофизики измеряют температуру и плотность далёких галактик. Глядя на изумрудное свечение туманностей на снимках современных телескопов, можно увидеть не экзотическую материю, а триумф квантовой механики и законов физики, общих для всей Вселенной.
Жуткое ничто: что скрывают самые гигантские пустоты во Вселенной