Hélium ľudia najprv objavili na Slnku a až neskôr v pozemských laboratóriách. Na tom nie je nič čudné. Hélia je totiž vo vesmíre habadej, ale na Zemi je ho ako šafranu. A ešte aj to málo, čo tu máme, nám stále uniká. Kam? Do vesmíru.
Prečo je hélia vo vesmíre tak veľa? Pretože v podstate jediné dva prvky, ktoré vznikli v priebehu prvých troch minút existencie vesmíru, boli len vodík a hélium. Po prvých troch minútach bolo vo vesmíre z každých desiatich atómových jadier deväť vodíkov a jedno hélium. A tak to zostalo prakticky až dodnes. Medzičasom vznikli v jadrových reakciách v rámci hviezd a pri výbuchoch supernov všetky ostatné prvky Mendelejevovej tabuľky, ale oproti vodíku a héliu je to stále nič. Navyše, čo myslíte, ktorého prvku vzniká vo hviezdach najviac? Áno, uhádli ste.
.dve strany jednej ľahkej mince
Prečo je hélia na Zemi tak málo? Z toho istého dôvodu, prečo je ho vo vesmíre tak veľa. Tým dôvodom je malá hmotnosť. Podmienky na počiatku sveta priali vzniku iba najľahších prvkov, podmienky na Zemi prajú ich odchodu.
V zemskej atmosfére sa atómy a molekuly ustavične zrážajú a pri každej zrážke dochádza k výmene energie. V dôsledku takejto výmeny energie môžu niektoré atómy či molekuly získať značnú rýchlosť – v niektorých prípadoch dokonca aj druhú kozmickú rýchlosť, ktorá je potrebná na únik od zemskej príťažlivosti. A najľahšie sa to podarí najľahším atómom či molekulám.
Dôvod je nasledovný: Všetky molekuly získavajú v zrážkach zhruba rovnaké energie, ale pri danej energii sa ľahšie molekuly pohybujú väčšou rýchlosťou (pretože kinetická energia je daná súčinom hmotnosti a kvadrátu rýchlosti E = ? mv2). Najľahšie molekuly teda majú pri rovnakej energii najvyššie rýchlosti.
Či sú tieto rýchlosti dostatočne veľké na únik do vesmíru, to závisí od dvoch vecí – od teploty atmosféry a od gravitačnej príťažlivosti. Na Mesiaci je príťažlivosť natoľko slabá, že sa tam neudržia molekuly nijakého plynu. Na Zemi sa väčšina molekúl udrží, pre tie najľahšie to však neplatí.
No dobre, ale ak sa tu neudrží hélium, potom by sa tu rozhodne nemal udržať ani vodík. Ale vodíka je na Zemi pomerne dosť. Ako je to možné? Nuž možné je to tak, že vodík je viazaný v nejakých molekulách, ktoré sú dostatočne ťažké na to, aby z atmosféry neunikali. Molekuly vodíka by čakal podobný osud ako atómy hélia, molekuly vody sa však v atmosfére s prehľadom udržia.
A prečo hélium nepoužije vodíkový trik a neudrží sa na Zemi v rámci nejakých zlúčenín? Pretože nijaké zlúčeniny netvorí, nedokáže to. Patrí medzi takzvané inertné plyny, ktoré s nikým chemicky nereagujú. Mimochodom, to je aj dôvod, prečo ich chemici objavili až pomerne neskoro. Objaviť v chémii látky, ktoré chemicky nereagujú, to je niečo ako uvidieť neviditeľné.
.dve Nobelove ceny jednému objavu
V roku 1894 oznámili William Ramsay a lord Rayleigh objav nového prvku v atmosfére. Prvku dali meno lenivec – argón. To preto, lebo nechcel reagovať s nijakou chemickou látkou. O desať rokov neskôr získali za tento objav a za objavy s ním súvisiace Nobelovu cenu.
To, že dvaja ľudia dostanú za spoločný objav spoločnú Nobelovu cenu, je pomerne bežná záležitosť. Prípad objavu argónu je však úplne výnimočný – tam totiž nedostali objavitelia spoločnú Nobelovu cenu, každý z nich dostal svoju vlastnú. V roku 1904 získal Sir Wiliam Ramsay (do šľachtického stavu bol povýšený v roku 1902) Nobelovu cenu za chémiu a lord Rayleigh Nobelovu cenu za fyziku.
Pomerne netradičná bola aj forma ich spolupráce. Neboli ani spolupracovníci, ani konkurenti. Pracovali v rôznych laboratóriách, ale v prípade objavu argónu si denne písali a izolovať nový prvok sa im podarilo takmer v ten istý deň.
Všetko sa to začalo Rayleighovým puntičkárskym experimentálnym výskumom atmosférických plynov, pri ktorom narazil na jeden nezrozumiteľný fakt: hmotnosť dusíka pripraveného z amoniaku bola nižšia, ako hmotnosť dusíka získaného zo vzduchu. Rozdiel bol na úrovni promile, ale presnosť meraní bola taká vysoká, že nepochybne išlo o skutočný rozdiel. V roku 1892 publikoval Rayleigh tento svoj výsledok v časopise Nature a požiadal čitateľov, aby navrhli pre takýto jav nejaké vysvetlenie. Požiadavka zostala bez odozvy, a tak v roku 1894 navrhol Rayleigh na zasadnutí Kráľovskej akadémie sám jedno možné riešenie. Spočívalo v domnienke, že dusík pripravený z amoniaku nie je čistý dusík, ale že obsahuje aj nejaký neznámy ľahší plyn. Keď si to Ramsay vypočul, napadlo mu to isté v bledomodrom – čo ak je to naopak, čo ak zo vzduchu pripravený dusík obsahuje nejaký neznámy ťažší plyn?
Obaja páni sa po vzájomnej konzultácii pustili do hľadania jedného z týchto dvoch plynov a hľadali, až kým nenašli vo vzduchu argón. Ramsay potom objavil pri inej príležitosti hélium a po ňom postupne všetky ďalšie inertné plyny.
.dve témy jednej zvláštnej fúgy
Hélium bolo nájdené, ako sme už spomínali, najprv na Slnku. V roku 1868 objavili nezávisle od seba Francúz Pierre Janssen a Angličan Joseph Lockyer v slnečnom svetle jasnú, dovtedy neznámu spektrálnu čiaru. O dva roky neskôr vyslovil Lockyer hypotézu, že túto čiaru má na svedomí nový chemický prvok, s ktorým sme dovtedy neprišli na Zemi do styku. Na počesť Slnka dal tomuto hypotetickému prvku meno hélium.
Veľa slávy tým nezískal, skôr naopak. Pre nemalú časť kolegov bol tento nápad v priebehu nasledujúceho štvrťstoročia vďačným námetom zlomyseľných vtipov. A to až dovtedy, kým Ramsay nezačal v roku 1895 skúmať plyn, ktorý sa uvoľňuje z istej špecifickej vzorky uránu. Ukázalo sa, že tento plyn obsahuje okrem dusíka a argónu ešte niečo, a že spektrum tohto niečoho obsahuje presne tú čiaru, ktorú našli Janssen a Lockyer. Hélium bolo na svete, teda presnejšie povedané, konečne bolo na Zemi. A do šľachtického stavu bol povýšený nielen Ramsay, ale aj Lockyer. V tom čase v Británii zjavne platilo, že veda je panské huncútstvo.
Počas nasledujúcich sto rokov sa hélium stalo ústrednou postavou neuveriteľného príbehu. Tento príbeh je ako fúga, v ktorej sa tými najneočakávanejšími spôsobmi neustále prepletajú dve základné témy – kvantová a štatistická fyzika. Prvé tóny sme už počuli. Vzácnosť hélia na Zemi je daná kombináciou štatistickej fyziky (zrážky atómov a molekúl v atmosfére) a kvantovej fyziky (inertnosť hélia). Obrovské množstvo hélia vo vesmíre je dané aj ich kombináciou, ale v iných súvislostiach. Štatistická fyzika tu vstupuje do hry v podobe zrážok protónov a neutrónov pri neporovnateľne vyšších teplotách a hustotách, kvantová fyzika vstupuje do hry nie ako atómová, ale ako jadrová fyzika.
A to bol naozaj len začiatok. Obidve témy sa nám budú v seriáli o héliu opakovane vracať, pričom to opakovanie vôbec nebude nudné. Naopak, bude často úplne prekvapujúce. A hrať nám budú vyberaní muzikanti. Okrem Ramsaya a Rayleigha ešte ďalších osem držiteľov Nobelovej ceny.
.martin Mojžiš
Prečo je hélia vo vesmíre tak veľa? Pretože v podstate jediné dva prvky, ktoré vznikli v priebehu prvých troch minút existencie vesmíru, boli len vodík a hélium. Po prvých troch minútach bolo vo vesmíre z každých desiatich atómových jadier deväť vodíkov a jedno hélium. A tak to zostalo prakticky až dodnes. Medzičasom vznikli v jadrových reakciách v rámci hviezd a pri výbuchoch supernov všetky ostatné prvky Mendelejevovej tabuľky, ale oproti vodíku a héliu je to stále nič. Navyše, čo myslíte, ktorého prvku vzniká vo hviezdach najviac? Áno, uhádli ste.
.dve strany jednej ľahkej mince
Prečo je hélia na Zemi tak málo? Z toho istého dôvodu, prečo je ho vo vesmíre tak veľa. Tým dôvodom je malá hmotnosť. Podmienky na počiatku sveta priali vzniku iba najľahších prvkov, podmienky na Zemi prajú ich odchodu.
V zemskej atmosfére sa atómy a molekuly ustavične zrážajú a pri každej zrážke dochádza k výmene energie. V dôsledku takejto výmeny energie môžu niektoré atómy či molekuly získať značnú rýchlosť – v niektorých prípadoch dokonca aj druhú kozmickú rýchlosť, ktorá je potrebná na únik od zemskej príťažlivosti. A najľahšie sa to podarí najľahším atómom či molekulám.
Dôvod je nasledovný: Všetky molekuly získavajú v zrážkach zhruba rovnaké energie, ale pri danej energii sa ľahšie molekuly pohybujú väčšou rýchlosťou (pretože kinetická energia je daná súčinom hmotnosti a kvadrátu rýchlosti E = ? mv2). Najľahšie molekuly teda majú pri rovnakej energii najvyššie rýchlosti.
Či sú tieto rýchlosti dostatočne veľké na únik do vesmíru, to závisí od dvoch vecí – od teploty atmosféry a od gravitačnej príťažlivosti. Na Mesiaci je príťažlivosť natoľko slabá, že sa tam neudržia molekuly nijakého plynu. Na Zemi sa väčšina molekúl udrží, pre tie najľahšie to však neplatí.
No dobre, ale ak sa tu neudrží hélium, potom by sa tu rozhodne nemal udržať ani vodík. Ale vodíka je na Zemi pomerne dosť. Ako je to možné? Nuž možné je to tak, že vodík je viazaný v nejakých molekulách, ktoré sú dostatočne ťažké na to, aby z atmosféry neunikali. Molekuly vodíka by čakal podobný osud ako atómy hélia, molekuly vody sa však v atmosfére s prehľadom udržia.
A prečo hélium nepoužije vodíkový trik a neudrží sa na Zemi v rámci nejakých zlúčenín? Pretože nijaké zlúčeniny netvorí, nedokáže to. Patrí medzi takzvané inertné plyny, ktoré s nikým chemicky nereagujú. Mimochodom, to je aj dôvod, prečo ich chemici objavili až pomerne neskoro. Objaviť v chémii látky, ktoré chemicky nereagujú, to je niečo ako uvidieť neviditeľné.
.dve Nobelove ceny jednému objavu
V roku 1894 oznámili William Ramsay a lord Rayleigh objav nového prvku v atmosfére. Prvku dali meno lenivec – argón. To preto, lebo nechcel reagovať s nijakou chemickou látkou. O desať rokov neskôr získali za tento objav a za objavy s ním súvisiace Nobelovu cenu.
To, že dvaja ľudia dostanú za spoločný objav spoločnú Nobelovu cenu, je pomerne bežná záležitosť. Prípad objavu argónu je však úplne výnimočný – tam totiž nedostali objavitelia spoločnú Nobelovu cenu, každý z nich dostal svoju vlastnú. V roku 1904 získal Sir Wiliam Ramsay (do šľachtického stavu bol povýšený v roku 1902) Nobelovu cenu za chémiu a lord Rayleigh Nobelovu cenu za fyziku.
Pomerne netradičná bola aj forma ich spolupráce. Neboli ani spolupracovníci, ani konkurenti. Pracovali v rôznych laboratóriách, ale v prípade objavu argónu si denne písali a izolovať nový prvok sa im podarilo takmer v ten istý deň.
Všetko sa to začalo Rayleighovým puntičkárskym experimentálnym výskumom atmosférických plynov, pri ktorom narazil na jeden nezrozumiteľný fakt: hmotnosť dusíka pripraveného z amoniaku bola nižšia, ako hmotnosť dusíka získaného zo vzduchu. Rozdiel bol na úrovni promile, ale presnosť meraní bola taká vysoká, že nepochybne išlo o skutočný rozdiel. V roku 1892 publikoval Rayleigh tento svoj výsledok v časopise Nature a požiadal čitateľov, aby navrhli pre takýto jav nejaké vysvetlenie. Požiadavka zostala bez odozvy, a tak v roku 1894 navrhol Rayleigh na zasadnutí Kráľovskej akadémie sám jedno možné riešenie. Spočívalo v domnienke, že dusík pripravený z amoniaku nie je čistý dusík, ale že obsahuje aj nejaký neznámy ľahší plyn. Keď si to Ramsay vypočul, napadlo mu to isté v bledomodrom – čo ak je to naopak, čo ak zo vzduchu pripravený dusík obsahuje nejaký neznámy ťažší plyn?
Obaja páni sa po vzájomnej konzultácii pustili do hľadania jedného z týchto dvoch plynov a hľadali, až kým nenašli vo vzduchu argón. Ramsay potom objavil pri inej príležitosti hélium a po ňom postupne všetky ďalšie inertné plyny.
.dve témy jednej zvláštnej fúgy
Hélium bolo nájdené, ako sme už spomínali, najprv na Slnku. V roku 1868 objavili nezávisle od seba Francúz Pierre Janssen a Angličan Joseph Lockyer v slnečnom svetle jasnú, dovtedy neznámu spektrálnu čiaru. O dva roky neskôr vyslovil Lockyer hypotézu, že túto čiaru má na svedomí nový chemický prvok, s ktorým sme dovtedy neprišli na Zemi do styku. Na počesť Slnka dal tomuto hypotetickému prvku meno hélium.
Veľa slávy tým nezískal, skôr naopak. Pre nemalú časť kolegov bol tento nápad v priebehu nasledujúceho štvrťstoročia vďačným námetom zlomyseľných vtipov. A to až dovtedy, kým Ramsay nezačal v roku 1895 skúmať plyn, ktorý sa uvoľňuje z istej špecifickej vzorky uránu. Ukázalo sa, že tento plyn obsahuje okrem dusíka a argónu ešte niečo, a že spektrum tohto niečoho obsahuje presne tú čiaru, ktorú našli Janssen a Lockyer. Hélium bolo na svete, teda presnejšie povedané, konečne bolo na Zemi. A do šľachtického stavu bol povýšený nielen Ramsay, ale aj Lockyer. V tom čase v Británii zjavne platilo, že veda je panské huncútstvo.
Počas nasledujúcich sto rokov sa hélium stalo ústrednou postavou neuveriteľného príbehu. Tento príbeh je ako fúga, v ktorej sa tými najneočakávanejšími spôsobmi neustále prepletajú dve základné témy – kvantová a štatistická fyzika. Prvé tóny sme už počuli. Vzácnosť hélia na Zemi je daná kombináciou štatistickej fyziky (zrážky atómov a molekúl v atmosfére) a kvantovej fyziky (inertnosť hélia). Obrovské množstvo hélia vo vesmíre je dané aj ich kombináciou, ale v iných súvislostiach. Štatistická fyzika tu vstupuje do hry v podobe zrážok protónov a neutrónov pri neporovnateľne vyšších teplotách a hustotách, kvantová fyzika vstupuje do hry nie ako atómová, ale ako jadrová fyzika.
A to bol naozaj len začiatok. Obidve témy sa nám budú v seriáli o héliu opakovane vracať, pričom to opakovanie vôbec nebude nudné. Naopak, bude často úplne prekvapujúce. A hrať nám budú vyberaní muzikanti. Okrem Ramsaya a Rayleigha ešte ďalších osem držiteľov Nobelovej ceny.
.martin Mojžiš
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.