基尔霍夫将石灰光透过烧起钠盐的本生灯照到分光镜上，石灰光的连续光谱上出现了两条黑线，正好在太阳光谱的D线的位置上。换一种盐试试，又出现了新的黑线，位置与那种盐的谱线的位置一样。
原来是这样！基尔霍夫激动得一宿没睡，第二天赶忙跑去找本生。“昨天我弄清楚了：太阳上不是没有钠，而是有钠！”
太阳中心的温度极高，发出来的光本来是连续光谱。但是太阳外围的气体温度比较低。在这外围气体中有什么元素，就会把连续光谱中的相应的谱线吸收掉。这正像本生灯中的钠蒸气，能使石灰光的连续光谱出现两条黑线一样。
方和斐黑线的谜解开了。原来这些黑线与亮线一样，也能表示太阳大气中有什么元素。
本生与基尔霍夫又用铁做了实验。铁的光谱有60多条亮线，而在太阳光谱中，这60多条亮线的位置上正好有60多条方和斐线。这说明：太阳上有铁。
1859年10月20日，基尔霍夫向柏林科学院报告了他的发现。他根据太阳光谱中方和斐线的位置，证明太阳上有氢、钠、铁、钙、镍等元素。
这个新发现很快就传遍全球：本生与基尔霍夫在地球上的实验室里，测出了太阳是由什么构成的。哲学家孔德的语言彻底被打破了。自此以后，光谱分析不仅化学家经常用，也成为天文学家的有力手段。天文学家利用光谱，不断地揭露遥远的星球的秘密。
物理学家帮助化学家解决了化学的难题，化学家帮助物理学家解决了物理学的难题，他们还共同解决了天文学的难题。
七、太阳元素的发现
日全食的时候，月亮正运转到地球与太阳中间，把太阳完全遮住了。这样就能够看清楚太阳最外层的大气——日冕，还能够看到太阳表面喷出的巨大火焰——日珥。这是天文学家研究太阳的最好机会。
1860年7月16日，西班牙发生日全食。许多天文学家把注意力集中在日珥上，还画下了图。大家都想解释，太阳表面的这种突出物到底是什么。但是日全食只有几分钟的时间，要想仔细研究，得等待下一次机会。
八年以后，1868年8月18日，印度又发生日全食。法国的天文学家詹森带着分光镜，长途跋涉来到印度。日全食开始了，詹森把分光镜的细缝对准了日珥。他看到了几条亮线：一条红的，一条蓝的，还有一条黄的。很清楚，红线与蓝线是氢的谱线。而那条黄线呢？难道是钠的吗？钠应该有两条黄线，可是只观测到一条啊！他想再看看清楚，但是日全食已经过去了。难道又要等上十年八年，到下次日全食的时候再研究吗？
詹森注意到这几条线很亮，因此他想：不是日食的时候，也许同样能观测到日珥的光谱。
第二天，当太阳又升起在天空的时候，詹森把分光镜的狭缝对准太阳的边缘，相当于昨天看到的日珥的位置，昨天观测到的光谱又出现在分光镜里。经过研究，詹森发现那条黄线不是钠的两条谱线，而是在钠的谱线旁边的一条新的谱线。
詹森立刻写信把他的发现报告法国科学院。当时的交通很不方便，这封信在路上走了两个多月，于10月26日才到达巴黎。
很凑巧的是，在法国科学院收到詹森的信的同一天，还收到了一封从英国寄来的信。这是英国天文学家罗克耶在10月20日写的，报告的是同一件事。罗克耶在英国用同样方法观察了日珥，也发现了那条不属于钠的新的黄线。
这两封信同时在法国科学院宣读。大家惊叹万分，决定铸造一块金质的纪念牌：一面刻着驾着四套马战车的传说中的太阳神阿波罗像，另一面刻着詹森与罗克耶的头像，下面写着：“1868年8月18日太阳突出物分析”。
詹森与罗克耶在日珥的光谱中发现了什么呢？就是那条新的黄线。经过查对，这条黄线跟当时已知的各种元素的谱线都不重合。结论只有一个，这条黄线属于一种未知的新元素。
这种未知的新元素不是在地球上，而是用光谱分析，首先在太阳上找到的。罗克耶把这种新的元素命名为helium（希腊文“太阳”的意思）——我国就译作“氦”。
4He就这样被发现了，但是它有什么样的性质，人们还没法知道。天文学家们猜测：氦可能是一种很轻的气体。
（第二节）在地球上找到氦
一、读者的来信
罗克耶在发现氦的第二年（1869年），便在英国创办了一种名叫《自然》科学杂志，这种杂志很有价值，一直出版到现在。全世界的物理学家与化学家，没有一个不看这本杂志的。
1892年，英国的《自然》杂志的9月号上刊登了一篇读者来信，信中说：“我对于最近测得的氮的几个密度值颇有怀疑，希望贵刊的读者们能提供宝贵意见。我用两种方法制得的氮的密度不一样。虽然两个密度相差只有千分之五，但是仍然超出了实验误差的范围。”署名是：“瑞利，1892年9月24日”。
瑞利是英国剑桥大学的物理学教授。从1882年开始，他就一直致力于研究各种气体的密度。虽然在此前一个世纪，已经有人做过这方面的工作，但是当时的仪器比较粗糙，结果当然不够准确。瑞利的实验室里有当时最精密的天平，灵敏度达到万分之一克（0.0001克）。他想把各种气体的密度测得准确一些。
气体密度可以用1升气体的质量，以克数计算。气体的体积会随着温度与压力而变化，所以必须规定一个公认的标准状态，气体的密度是在0℃与1个大气压下，每1升的质量。
为了测量气体的密度，瑞利做了一个大玻璃球。他先仔细地测量出它的容积有多大，然后用真空泵把球内的空气抽掉，称出真空球有多少克。再在球内灌满某种纯粹的气体，例如由电解水得到的氢气，再称有多少克。这就能够算出玻璃球里的氢气有多少克。用玻璃球的容积去除氢气的质量就能得到氢气的密度。
测量了氢气测量氧气，然后又测量氮气。
这个实验说来简单，做起来却不容易。由于气体实在太轻，所以误差往往很大，瑞利对每种气体的密度都要测量好几遍。不仅如此，对于同一种气体，还要用不同的方法制出它的纯粹的气体，分别进行测量，看看结果一样不一样。
比如说测量氧气的密度，瑞利先用电解水制造的氧气，又用氯酸钾加热分解制造的氧气，还用高锰酸钾加热分解制造的氧气，分别进行测量。只有对以上三种方法制造的氧气，测得的密度都一样，才算得到了可靠的结果。
氢气与氧气都测准了，但是测量氮气的时候出了问题。
空气是氧气与氮气组成的，这在18世纪就已经搞清楚了。瑞利把空气通过烧得红热的装满钢屑的管子，这时氧气会和铜化合，生成氧化铜，剩下的就是氮气了。测量这种氮气的密度，结果是1.2572克每升。
瑞利又把氧气通过浓氨水，得到氧气与氨气的混合气。把混合气通过赤热的氧化钢管，氨气和氧气反应，生成水与氮气。测量这种氮气的密度，结果是1.2508克每升。
奇怪！两个结果对不起来，相差0.0064克每升。是不是实验出了差错呢？瑞利又重复做了好几次，结果还是一样。
为什么两种不同氮气仅仅是来源不同，密度就不一样呢？这中间一定有什么奥秘。于是，瑞利给《自然》杂志写了上面那封信，希望全世界的科学家一同来解答这个难题。可是一封回信也没收到。
二、雪中送炭的化学家
一个真正的科学家是不会漠视一个问题存在而不去解答的。遇到实验中出现的反常现象又得不到解答，瑞利就继续把实验做下去。他用各种不同的方法来制造氮气，再仔细地测量密度。
他改用赤热的铁屑去除掉空气中的氧气，又用新制成的氢氧化亚铁去除掉空气中的氧气。用这两种方法由空气中制得的氮气，与用赤热的铜屑除掉空气中的氧气而制得的氮气一样，密度仍然是每升1.2572克。
瑞利用加热亚硝酸钠的方法制造氮气，用赤热的铁屑还原一氧化氮与笑气（氧化亚氮）制造氮气，用次溴酸钠分解尿素制造氮气。结果是，这些化合物分解出来的氮气，密度与从氨气分解出来的氮气的密度一样，都是每升1.2508克。
瑞利又埋头做了两年的实验。这些实验准确地证明了：由氮的各种化合物制成的氮气密度都一样，比由空气中分离出来的氮气小0.5％。
1894年4月19日，瑞利在英国皇家学会上作了报告，详细地介绍了他的实验结果。报告完了，化学家拉姆赛来找瑞利，他说：“两年前，我看到您在《自然》杂志上的那封信。当时我还弄不清楚，为什么氮气会有两种密度。现在明白了。我相信，空气中的氮气一定含有较重的杂质，一种未知的气体。如果您同意的话，我愿意把这个实验继续做下去。”瑞利十分高兴拉姆赛能跟他合作来研究这个问题。于是，物理学家与化学家又一次共同解决科学上的难题了。
在这次会上，还有一位物理学家杜瓦向瑞利提供了一个重要的线索：英国的科学老前辈卡文迪许曾做过一个实验，他也认为从空气中取得的氮气中含有杂质。
瑞利一听说这些情况，高兴得几乎要跳起来，他的实验室就是以卡文迪许命名的。在剑桥大学，卡文迪许在100多年前的科学实验记录与资料，都保存得十分好。
瑞利回去以后，立刻查阅古老的技术档案。果然，卡文迪许在1785年做过一个实验。瑞利看了他的实验记录，感到十分惊讶。
卡文迪许是个什么人呢？他做了一个什么样的实验呢？
三、小气泡和科学怪人
卡文迪许是生活在18世纪末英国伦敦的一位著名的化学家。他行为怪异，一辈子没有结婚，因为他一见到妇女就说不出话来。他很少出门，他一出来，就会有一群小孩子跟在他的马车后面跑，街上的人也要指指点点，议论纷纷。因为他的穿戴还是他祖父时代的式样，古怪得很。
卡文迪许是个很有钱的贵族，却不喜欢也不善于交际。他出门只去两个地方，一是英国皇家学会的科学报告会，他是皇家学会的会员；二是每周一次的科学家晚会。他的钱都用来买科学仪器与图书。他在自己家中建立了实验室与图书馆。随便什么人都能够去他的图书馆借书，只是要办理个借阅手续，按时归还。卡文迪许自己拿书看，也要写一张借条，上面写着“某月某日，卡文迪许借到某书一册。”
卡文迪许整天躲在自己的实验室里做实验。所有的实验，他都做了详细记录，但是很少把他的科研成果整理出来发表。
1810年，卡文迪许去世了。50年之后，他的实验记录才由物理学家麦克斯韦整理并发表。每个科学家看了他的工作都大为敬佩，发现后辈科学家做的许多实验，原来卡文迪许早就做过了。化学家知道了卡文迪许不仅研究了空气的组成，还第一个把水分解为氢气与氧气，并测定了两者的化合体积是2∶1。物理学家知道了是卡文迪许第一个计算出地球的质量。静电作用力跟电荷的大小成正比，跟距离的平方成反比，这个定律卡文迪许比库仑测定的还要早，还要准确。但是物理学课本上还是把这个定律叫做库仑定律，因为卡文迪许没有公开发表他的发现。
瑞利从英国皇家学会1784年与1785年两年的年报中，找出了卡文迪许的论文，题目是《关于空气的实验》。要读懂100多年前的科学论文，需要有一点历史的知识，因为那时候很多物质的命名是当时特有的。瑞利知道在上一个世纪氮气刚刚发现的时候，人们管它叫“浊气”。卡文迪许在论文中讲到的“浊气”就是氮气，这正是他感兴趣的问题。
卡文迪许把两只酒杯装满水银，又把一根U形玻璃弯管的两端分别插入到两只酒杯的水银中，再把起电器的两根导线分别通到两杯水银里。摇动起电器，圆玻璃板与毛皮不断地摩擦，摩擦生的电通过导线，积累在水银杯里。过了一段时间，玻璃弯管内产生一闪一闪的电火花，同时出现红色的烟雾，这是管内空气中的氧气与氮气有一小部分化合生成的二氧化氮。
卡文迪许再将苛性钠（氢氧化钠）溶液滴到玻璃管中，红色消失了：二氧化氮被苛性钠溶液吸收了，这时候弯管内的气体体积就缩小了一些。卡文迪许与他的仆人轮流不停地摇着起电器，让玻璃管内不断地放电。最后，空气中的氧气全都和氮气化合了，而生成的二氧化氮又都被苛性钠溶液吸收了。玻璃管中气体的体积缩小到一定程度，就不再缩小了。
这时候，卡文迪许向玻璃管内送进一些氧气，再开始放电。新加入的氧气又和剩余气体化合，体积又缩小了一些。
卡文迪许与他的仆人轮流不停地摇着起电器，将这个实验一连做了三个星期。最后，弯玻璃管中只剩下一个很小的小气泡。这是一个很顽固的小气泡，无论怎样放电，它也不肯跟氧气化合。这个小气泡也不可能是剩余的氧气。因为最后，卡文迪许在玻璃管中加入了一点“硫肝”（草木灰的浸出液和硫黄共煮得到的肝脏色溶液，主要成分是多硫化钾），把多余的氧吸收掉了。
卡文迪许的实验记录得非常详细。他写道：“在弯玻璃管里剩下来一个小气泡，这是由于某种特殊原因不和氧气化合而剩下来的浊气。它不像普通的浊气，而是另一种浊气，因为什么样的电火花都不能使它和氧气化合。”最后，卡文迪许做出结论：“空气中的浊气不是单一的物质，还混有一种不和氧气化合的浊气，总量不超过全部空气的1／120。”
“啊！原来是这样！”瑞利非常激动，他立刻把这情况告诉了拉姆赛。并且立刻在他那个以卡文迪许命名的实验室中，重新做109年前卡文迪许做过的实验了。
拉姆赛得到很大的启发，也在自己的实验室中继续进行研究，他们决心学习那位科学怪人卡文迪许的精神，各自关在自己的实验室里，不把空气中的这种杂质——卡文迪许的小气泡取出来，就不出实验室的门。为了互通情报，他们靠邮递员经常交换实验结果。
四、重找小气泡
这时问题渐渐明晰起来，空气中的氮气中还有未知的气体，也就是卡文迪许的那个小气泡。可以预料，这种未知气体极不活泼，密度比氮气大。但是要证实这个预料，必需得到这个小气泡，才能研究它的性质，测定它的密度。
相比较而言，比较时代不同了，瑞利做实验要比卡文迪许容易多了。这时候已经发明了能产生高电压的振荡线圈，所以瑞利不必像卡文迪许那样去摇动起电器，摇了三个星期才得到一个很小的小气泡。
为了得到更多的那种小气泡，瑞利用一个大圆底烧瓶代替玻璃弯管，倒立在碱水槽里，烧瓶内通入两根金属导线，其尖端相距只有几厘米。通上高压电，两根金属导线的尖端之间就会连续发生电火花，使瓶中空气里的氧气与氮气化合成二氧化氮。另外还有一根玻璃管通到瓶内。通过这根玻璃管，能够喷入苛性钠溶液来快速吸收掉生成的二氧化氮，也能够往瓶内送入氧气与补充新的空气。
