How Norman Lockyer Discovered Helium (& the Chromosphere & Nature Magazine)

01 氦元素的发现

一、背景介绍

诺曼·洛克耶 (Norman Lockyer) 是如何从一个没有科学背景或人脉的贫穷公务员，成长为世界著名的天文学家的？他发现了太阳色球层，并发现了色球层中的谱线，来自一种新元素，他将其命名为氦以希腊太阳神赫利俄斯命名。创立并经营了有史以来最具影响力的科学杂志之一《自然》。请注意，所有这一切都发生在不到三年的时间里。那么他是怎么做到的呢？好吧，让我们听 Kathy 老师讲讲这些成就背后的故事吧。

▲ 图1.1.1 Norman Lockyer

二、望远镜和杂志

事情还得 1861 年左右开始说起，当时诺曼·洛克耶是英国温布尔登陆军部一名无聊的 25 岁二等文员兼语言学家。就在那时，洛克耶和那个买了一台他不用的小望远镜的人成了朋友。这位朋友把望远镜借给了洛克耶，洛克耶立刻就迷上了。不久，这个年轻人买了自己的廉价望远镜。他的观察结果足以让他在 1862 年被皇家天文学会录取。这个过程他并没有支付过账单。

▲ 图1.2.1 Norman Lockyer 皇家天文学会会员

然而，同年他遇到了一位名叫 Thomas Cooke 的望远镜制造商，后者对 Lockyer 印象深刻，答应给他一个 6 1/4 英寸的镜头，前提是 Lockyer 可以制造自己的镜筒来容纳它。 Lockyer 用厚纸板做了镜筒，用废金属做了支架支撑整个装置。他在 1871 年制造的这种望远镜的改进版本至今仍在使用。第二件事发生在 1862 年的同一年，一位邻居问他是否愿意担任一本名为《读者》的新杂志的科学编辑。他被录用是因为他聪明、勤奋，人脉很广，至少在天文学方面是这样，正如其中一位老板所说，“他会很乐意以低于任何其他有能力的人的价格来完成这项工作。 “

▲ 图1.2.2 Norman Kockyer 与 Winnifred Lockyer
很快，洛克耶联系了英国的每一位著名科学家，努力为他杂志的获取文章，其中包括查尔斯·达尔文和他非常有影响力的朋友。洛克耶的妻子温妮弗雷德 (Winnifred Lockyer) 也因帮翻译她丈夫于 1867 年编辑的法语天文学书籍《天堂》而开启写作工作。洛克耶很忙，所以温妮弗雷德不得不做更多的翻译，她的工作终于得到了认可。 Winnifred 的翻译和 Lockyer 的写作虽然使得他们获得一定收入，但非常微薄。

三、光谱分析

大约在同一时期，他们了解了一种称为光谱学的研究恒星的新方法。光谱学是指使用棱镜或光栅将燃烧物体发出的光分成不同的颜色，以确定其化学成分，通过这种方式我们可以了解恒星和太阳成分。
对此稍作解释。在 1859 年，一位名叫罗伯特·本生的德国科学家使用他的新本生灯研究了颜色，即燃烧时产生的化学物质。并发现燃烧的固体和液体基本上会形成连续的彩虹，但燃烧的气体会产生不同的光谱，可以说是光学指纹，每个元素都会产生自己独特的光谱。本生还发现，钠气会产生独特的双亮黄线，由于它只在可见光谱中产生这两种颜色，因此这些波段特别明亮。事实上，这种方法非常灵敏，即使只有 120 百万分之一悬浮在烟雾中，它也能检测到钠。

▲ 图1.3.1 Bunsen与光谱
然后本生的朋友古斯塔夫·基尔霍夫突发奇想，在灯光前燃烧钠。由于他的燃气灯产生了基本上连续的光谱，而钠气产生了那两条亮黄色波段。基尔霍夫假设这种组合会产生一条彩虹，上面叠加了额外的亮带。相反，他震惊地观察了光谱的黄色部分并发现了两条深黑色的吸收谱线，“恰好在亮线应该出现的地方。” 基尔霍夫立即意识到，他已经解决了一个 45 年之久的阳光线之谜，称为夫琅和费线。

早在 1814 年，一位名叫约瑟夫·弗劳恩霍夫的透镜制造商发现，当你非常仔细地观察阳光穿过棱镜后，你会看到一道彩虹，里面有暗影，有两条黄线，在完全相同的地方是燃烧钠的亮黄色，标记为 D 线，因为它们是阳光下的第四条主要暗线。

▲ 图1.3.2 夫琅禾费现象
因此，在 1859 年，基尔霍夫意识到太阳的中心像他的灯一样产生连续光谱，而太阳大气中的气体也根据其中元素吸收特定的频率。因此，你需要做的就是找到元素在地球上形成的亮线，在阳光下找到相应的暗线，很快，你就知道太阳大气中有什么了。

▲ 图1.3.3 吸收光谱
这是发现的第一种了解太阳或星星组成的方法。今天它仍然是天文学的主要内容。本生和基尔霍夫在太阳中不仅发现了钠，还发现了氢、铁甚至金线，但没有发现氦，因为当时还没有人知道氦。

四、太阳黑子

回到洛克耶，通过他的出版工作，洛克耶结识了苏格兰天文学家贝尔·福斯图尔特并成为了亲密的朋友，他正在与其他科学家就太阳黑子的性质进行激烈的辩论。一些科学家认为太阳的内部比外部凉爽，太阳黑子是通向温度低的内部的窗户。而斯图尔特和其他人则认为太阳黑子来自大气层更厚、温度更低的地区，可以吸收更多的阳光。

▲ 图1.4.1 太阳黑子成因
1866 年 3 月，洛克耶决定使用光谱来解开这个谜团。现在他知道太阳黑子实际上并不是没有阳光的地方，就像任何其他阴影一样。它们只是一个比周围区域光线更少的区域，太阳其余部分的亮度使它们看起来是黑色的。因此，Lockyer 用他的纸机望远镜将太阳光聚焦在屏幕上，然后在屏幕上放置小孔，让太阳黑子的光穿过它，然后用棱镜确定从那个地方发出阳光的光谱。然后他发现太阳黑子的吸收带在该点的光谱中可见。此外，当它们进入黑子光谱时，它们显得更厚。换句话说，来自太阳黑子的阳光比太阳其他部分吸收的更多。通过这种方式，洛克耶用光谱学验证了斯图尔特的理论是正确的。

▲ 图1.4.2 使用光谱解决黑子问题

五、红色火焰

在验证太阳黑子成功之前，洛克耶和斯图尔特就太阳周围奇怪的红色火焰景象和完全日食进行了讨论，得出的结论是日冕中一定存在大量发光的气体。洛克耶自然而然地想知道他是否也可以利用光谱学来解开这个谜团。

▲ 图1.5.1 日冕中的红色火焰

事实上，他在 1866 年关于太阳黑子的论文中的一些结论是：“三棱镜不能为我们提供红色火焰存在的证据吗？日全食已经向我们揭示了太阳大气层中的红色火焰。” 这说明这些火焰一直都在那里，只是你看不见，因为它们被来自太阳同一侧的明亮阳光遮住了。洛克耶希望，如果他将分光镜聚焦在太阳的边缘，他仍然可以看到它。然而，洛克耶说他费劲地扫过太阳圆盘以寻找红色火焰的证据但没有结果。

他将失败归因于太阳的过度亮度。他意识到他需要一种方法来阻挡来自太阳中心的阳光，同时又不会使这些红色火焰发出的光变暗。现在，预测 1868 年 8 月会发生日食。然而，洛克耶没有耐心等待两年多来观看日食，也没有资金去到印度旅行看到日食。

▲ 图1.5.2 日全食观测带

六、串联三棱镜

相反，洛克耶想出了一个巧妙的主意，即如何在不发生日食的情况下从太阳中心光线中移除连续光谱。他知道棱镜可以将太阳光分散成不同的颜色，并且想知道是否可以级联多个棱镜。使用更多的棱镜，连续光谱会分散得更多，因此会变得更弱。但他曾预料到，那些红色火焰发出的光来自于燃烧的气体。因此，一旦你用一个棱镜将它们分开，它们就会进入具有特定频率的独特光带。因此，如果你在那之后使用更多的棱镜，它们就不会再被分解，因为它们处于特定的频率。他认为，如果他连续使用很多棱镜，就可以使来自太阳的连续光线变暗，而不会使红色火焰中发光气体的独特光带变暗。

▲ 图1.6.1 棱镜分光镜
洛克耶立即尝试用多棱镜遮住太阳光，但他的设备不够好。于是他在 1867 年初申请并获得了政府补助，以获得更好的设备。 Lockyer 立即求助于他的朋友 Thomas Cooke，后者曾在 1862 年为他的纸机望远镜提供了一个镜头。但不幸的是，到 1867 年底，Cooke 的健康状况每况愈下，他不得不放弃该项目， Lockyer 不得不转向给另一家望远镜制造商。

▲ 图1.6.2 串联的七个棱镜
这就是为什么洛克耶在 1868 年 10 月 16 日才收到他的带有七个棱镜的特殊分光镜。四天后的 10 月 20 日，洛克耶使用了他的棱镜，正如他在几周后描述的那样， “我看到视野中闪过一条明亮的线，当时我的眼睛非常疲劳，以至于我首先怀疑它的存在，尽管无意识地，我惊呼，“终于。” 然而，光线仍然是一条精美的彩色线条，与太阳光谱的 C 线完全重合。” 那天他还发现了两条线。一个几乎与 F 重合，一个靠近 D。靠近 D 的那个偏离了常规 D 线，而那个很重要，后面我们再对它讨论。

洛克耶在第二天向伦敦皇家学会发表了他的发现。洛克耶已经证明，太阳周围的红色火焰是由发光的气体构成的。贝尔福·斯图尔特也很兴奋，立即写信给法国的朋友，感叹道：“洛克耶已经全胜了，他用新的分光镜发现了红色火焰。”

▲ 图1.6.3 洛克耶利用光谱发现太阳的红色火焰
1868 年 10 月 26 日，在第一封信的五天后，这封信连同洛克耶本人的第二封更长的信以及更多细节被宣读给了巴黎科学院。然而，由于设备的延误，洛克耶的观察结果尚未得到证实。实际上是在那次日全食之后的两个月。

七、日全食

现在，一位有钱去印度观察日食的科学家是一位 44 岁的法国天文学家，名叫 Jules Janssen。现在 Janssen 和 Lockyer 一样对光谱学非常感兴趣，这是光谱学发现后发生的第一次日全食。然而，当他把分光镜放在太阳上时，却惊奇地发现那些红色的火焰是由发光的气体组成的。他立即给朋友发了一封电报，宣称：“观察到日食，红色突起光谱非常显着和出乎意料，红色突起是气态的。” 然后，Janssen 得出了与 Lockyer 两年前相同的结论。也就是说，他意识到如果那些红色火焰来自发光气体，他可以通过使用多个棱镜从连续光谱中去除光，这正是他两天后所做的，这比洛克耶的实验早了将近两个月。然而，由于 Janssen 不了解 Lockyer 的工作，他并不急于发表。几周后，他写了一封信给朋友，描述了这件事，然后他开始了去喜马拉雅山的科学之旅。

▲ 图1.7.1 Janssen 观察到日全食太阳光谱

八、共享荣誉

这就是为什么在向巴黎学院宣读 Stewards 和 Lockyer 关于 Lockyer 成功的信件的同一天， Janssen 的朋友受到激励，也站起来阅读 Janssen 的信。这当然引起了不小的轰动。另一位名叫 Herve Faye 的天文学家站起来请求允许对在学院展示的发现的奇异巧合进行调节。 Faye 然后描述了 Lockyer 最初在 1866 年关于太阳黑子的论文末尾提出这个想法的清楚程度，但 Janssen 首先发现了它，但还没有时间发表它。 Faye 补充说，你可以将荣誉一分为二，Lockyer 是提出这个想法的人，而 Janssen 是第一个发现它的人。但 Faye 反驳说： “把全部荣誉都归于这两位科学界人士不是更好吗？ ”

▲ 图1.8.1 天文历史上新发现过程的巧合

从此以后，法国科学家将成功归功于两人，这对在法国鲜为人知的洛克耶来说占了点便宜。詹森听说后，欣然接受。给一位朋友写信说，如果他知道洛克耶的努力，“我会立即通过电报传达我在印度获得的结果。我不后悔诺曼·洛克耶先生应该设法单独确认了他的想法。我认为他应得的。” 这位朋友发表了这封信，洛克耶开始给詹森写信，很快他们就建立了亲密而终生的友谊。事实上，洛克耶 (Lockyer) 1874 年出版的关于太阳物理学的书，是献给贝尔福·斯图尔特 (Belfour Steward) 和朱尔斯·詹森 (Jules Janssen) 的。与此同时，Lockyer 在每一个晴朗的日子里，都用这台特殊的分光镜研究那些红色突起。他发现，虽然有那些红色突起或火焰的地方，它变厚了，但它实际上包裹了整个太阳。当它绕着整个太阳旋转时，与太阳的其余部分不同。他认为这是太阳构成的一部分，因此需要一个新名称。 1868 年 11 月，在他第一次观察后仅仅几周，他就提出了色球这个名字，一位朋友向他推荐了这个名字，因为它的字面意思是彩色球体，这个名字至今仍在使用。

▲ 图1.8.2 太阳物理的书籍

九、太阳光谱

洛克耶随后在色球层中发现了第四条清晰的线。所以他有一个发现顺序排列在 C、F、D 和 G。然而，当他靠近太阳表面时，他发现了更多的线条，写道：“这给我带来了很多惊喜，当扫过在光谱中，我发现日珥底部有数百条非常明亮的夫琅和费线。” 这对 Lockyer 来说是有意义的，并验证了色球层由许多不同元素组成的想法，但其中大多数太重而无法远离太阳表面。或者正如他所说的那样，“这些气体之所以没有从太阳体上升到这么远，是因为它们的蒸气比已知最轻的陆地物质氢气重得多。”

▲ 图1.9.1 太阳光谱
尽管如此，Lockyer 的部分结果还是令人费解。他在远离太阳的地方发现的四条亮线中的三条，C、F 和 G，与氢完全对应，这是合乎逻辑的。但是有一条线，靠近钠的双 D 的那条线没有与已知物质的光谱重合。这条神秘的线是什么？

起初，Lockyer 认为空气 D 线是在离太阳表面很远的地方发现的，它一定是氢气，可能是高压，或者高温什么的，他不知道，他不是化学家。 1869 年 7 月 8 日 Lockyer 说他在 1868 年 10 月 20 日观察到的 D 附近的亮线是一条氢线，编辑 George Gabrielle Stokes 对此添加了一个脚注，氢气光谱？正如我所说，洛克耶不是化学家，但他与一位名叫爱德华弗兰克兰的着名化学家是非常亲密的朋友。他们竭尽所能用加压氢重建这条新的 D 系列。但到 1870 年 4 月，他和弗兰克兰承认无法在实验室中用氢制造出。然后 Lockyer 发表讲话指出，光谱中黄色的一条线会被注意到。这引起了大量讨论，因为它与任何已知的陆地物质都不重合。

▲ 图1.9.2 四条谱线
与此同时，两年前，洛克耶在等待他的特殊分光镜出现时，出版了一本非常受小学生欢迎的天文学书籍。当《读者》杂志破产时，他作为《读者》编辑的工作就消失了。因此，洛克耶说服他的出版商让他创办一本新的科学杂志，名为《自然》。和他著名的朋友们一起，这本杂志变得非常受欢迎，许多不同的争议都在这里得到了解决。在接下来的 50 年里，Lockyer 一直担任《自然》杂志的编辑和所有者，直到 1920 年去世。而且该杂志的发展势头依然强劲。根据维基百科，《自然》是世界上阅读量最大、最负盛名的学术期刊之一。

十、氦元素

不管怎样，在 1871 年，《自然》杂志发表了 William Thomson（又名开尔文勋爵）的就职演说。这是我能找到的第一个提到氦这个词的地方。在这个演讲中，汤普森讲述了 1868 年的日食如何证明太阳光的一部分来自发光的氢和氦，其中氦这个词被引号和脚注引用，弗兰克兰和洛克耶找到了黄色的日珥，给出一条非常明显的亮线，离 D 不远。它似乎表明一种新物质，他们建议将其称为氦。

▲ 图1.10.1 第一个关于氦元素的文献

多年来，科学家们一直认为氦只能存在于太阳和恒星中。但随后在 1881 年，一位名叫 Luigi Palmieri 的意大利科学家发表了一篇论文，称他在研究火山物质时在地球上发现了氦。然而，这一发现却被德国、英国、法国的科学家们完全忽视了，许多人只是在事后回顾时才提到它。
对 Lockyer 来说，他是在 1895 年才知道在地球上发现氦气的，那是在他们命名氦气 26 年后，当时一位名叫威廉·拉姆齐 (William Ramsay) 的苏格兰化学家在试图制造氩气时发现了氦气。 Ramsey 立即将一小瓶新物质交给 Lockyer 以示尊重，尽管 Ramsey 是一位高超得多的化学家，并且已经准确地确定这是氦气。

▲ 图1.10.2 确定氦气的原子量
六个月后，一些瑞典化学家使用不同的方法设法获得足够的氦来确定它的原子量，只有在地球上才能做到这一点。他们发现，是的，氦气非常非常轻，仅次于氢气。

十一、后记

这就是 Norman Lockyer 成名的方式，命名并发现了色球层，命名并发现了氦气，命名并创造了自然杂志。

▲ 图1.11.1 Norman Lockyer

■ 相关文献链接:

How Norman Lockyer Discovered Helium (& the Chromosphere & Nature Magazine)

● 相关图表链接:

图1.1.1 Norman Lockyer
图1.2.1 Norman Lockyer 皇家天文学会会员
图1.2.2 Norman Kockyer 与 Winnifred Lockyer
图1.3.1 Bunsen与光谱
图1.3.2 夫琅禾费现象
图1.3.3 吸收光谱
图1.4.1 太阳黑子成因
图1.4.2 使用光谱解决黑子问题
图1.5.1 日冕中的红色火焰
图1.5.2 日全食观测带
图1.6.1 棱镜分光镜
图1.6.2 串联的七个棱镜
图1.6.3 洛克耶利用光谱发现太阳的红色火焰
图1.7.1 Janssen 观察到日全食太阳光谱
图1.8.1 天文历史上新发现过程的巧合
图1.8.2 太阳物理的书籍
图1.9.1 太阳光谱
图1.9.2 四条谱线
图1.10.1 第一个关于氦元素的文献
图1.10.2 确定氦气的原子量
图1.11.1 Norman Lockyer

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洛克耶是如何发现氦元素的？