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点评
瑞利

(1842—1919)

又译雷拉。英国物理学家。未封为勋爵前,原名斯特列特(John William Strutt)。在声学、振动、光学理论及热辐射等方面都有贡献。瑞利金斯辐射公式、瑞利散射公式的建立和氩气的发现,都是他的重要成就。因发现氩气而获得1904年诺贝尔物理学奖。

——瑞利

在19世纪末,人们都以为对空气的了解已经够详尽了。当时,许多著名的化学家对空气作过上千次分析,都一致表明:空气是氮气、氧气和少量的二氧化碳、灰尘、水蒸气组成的混合物。除此之外,空气中不再含有别的成分。

然而,1892年,英国物理学家瑞利却发现了一件怪事。

那时,瑞利正在测定各种气体的密度(单位体积的质量)。瑞利测定了氢气、氧气的密度,然后开始测定氮气的密度:把磷在空气中燃烧,除掉氧气,然后把所剩的气体通过氢氧化钠溶液和浓硫酸,分别除掉二氧化碳和水蒸气,得到了纯净的氮气。经过测定,得到这样的结果——每升氮气1.2572克。

为了证实这个实验结果是不是可靠,瑞利打算用另一种方法获得纯氮,进行测定,看看结果是不是相符合。瑞利的朋友、英国化学家拉姆赛给他出了一个主意:把氨(NH3 )加热分解,从中可以获得纯氮。

瑞利照着拉姆赛所述的方法制得了纯氮。可是测定密度的结果却是每升1.2508克,比从空气中得到的氮气轻了0.0064克,即6.4毫克!

0.0064克,看来,这只不过是个微不足道的小数罢了,而严谨、精细的瑞利却没有轻易地放过它。瑞利决心重新再做这个实验。他更加谨慎、小心,不放走任何一个小气泡,但结果仍然相差0.0064克。瑞利还不放心,又做了第三次,结果从氨里得到的氮气还是比空气中得到的氮气轻。

瑞利又试着从笑气(N2 O)、尿素[(NH2 )2 CO]等含氮化合物中制得氮气,结果表明:从这些含氮化合物里所得到的氮气的密度,和从氨里得到的一样,总是比他从空气中得到的氮气要轻。

瑞利接着用电火花通过两种密度不同的氮气,又把它们分别封闭起来,静置了8个月。结果都没有能够改变它们之间的密度差异。

这究竟是怎么回事呢?

瑞利是个物理学家,对于化学不很在行,他决定给当时的英国自然科学杂志《自然》写一封公开信,向化学家们求援。这封信发表以后,瑞利很快地便收到许多化学家的来信。他们提出了两种看法:一种是认为氮气本身便存在着两种同素异性体——重氮和轻氮。从空气中得到的氮气是重氮,而从氮的化合物中得到的氮气是轻氮;另一种看法是拉姆赛提出的,他认为空气中含有一种未知的较重的气体,这种气体夹杂在氮气中,使它的密度变大了。

这两种不同的意见,使瑞利十分为难:相信第一种意见吧,这种意见没有确实的根据,况且氮的化合物都是利用空气中的氮做原料制成的,怎能有重氮和轻氮的区别呢?如果相信拉姆赛的意见,那就等于是说,许多化学家对空气所做的上千次的分析都是不够全面的,在空气中除了氮气、氧气、二氧化碳、水蒸气、灰尘之外,还有其他未知的气体!

正当瑞利犹豫不决的时候,在一次科学报告会上,英国物理学家迪瓦提醒了瑞利:“你去看看100多年前化学家开文迪许的几篇关于空气的论文吧,他好像也认为空气中还有其他的成分。”

瑞利迫不及待地去翻阅了英国皇家学会1785年的年报,一口气看完了上面登载着的英国著名化学家、氢的发现者开文迪许的一篇论文。

1785年,开文迪许做过这样一个实验:他在一个玻璃管中插上两根电极,一通电,电极间便产生电火花,这时,玻璃管里的氧气和氮气,就化合变成红棕色的气体——二氧化氮。开文迪许把玻璃管浸没在氢氧化钾溶液里,于是,生成的二氧化氮立即被氢氧化钾溶液所吸收。

不过,空气中氮气比氧气多得多,因此氧气很快被消耗完了,即使再通电,剩下多余的氮气,也不能再变成二氧化氮了。这时,开文迪许逐渐再向玻璃管里补进一些纯氧,通过放电,又与原先剩下的氮生成二氧化氮,这样又把剩余的氮气逐渐消耗完。但是,奇怪的是到最后,总是有一个小气泡,仍然留在玻璃管里,不被氢氧化钾所吸收。尽管再通氧气,再通电,这气泡还是没有消失。

于是,开文迪许在自己的论文中写道:“根据这个试验,我得出了一个结论:空气里的氮不是纯的,其中约有1/120跟主要部分的性质绝不相同,可见氮并不是单一的物质,而是两种物质的混合物。”但是,开文迪许的实验,当时并没有引起科学界的重视,甚至连开文迪许自己也没有继续钻研下去,把它轻轻放过了。

瑞利读了开文迪许在100多年前写的论文茅塞顿开,他重新做了开文迪许的实验,在1894年夏末,终于从空气中收集到0.5毫升比氮气重的未知气体。

和瑞利同时,拉姆赛在自己的实验室里,也积极地进行从空气中提取未知气体的研究。不过,他并不是用开文迪许的方法,而是用燃烧镁的方法。

有一次,他在讲演时,表演了在空气中燃烧金属镁的实验,得到一些淡黄色的粉末。回到实验室里,他用水来洗杯子,当水和这些淡黄色的残渣接触时,马上就发出一股气味——氨的臭味。他又仔细进行研究,发现当镁在空气中燃烧时,不仅能和氧气化合生成白色的氧化镁,而且还能和氮化合,生成黄色的氮化镁。氮化镁一遇水,即水解而放出氨气。这个发现给了拉姆赛很大的启发,他把用氢氧化钠和浓硫酸除去二氧化碳和水蒸气后的空气,通过装有炽热金属镁粉末的管子,除去了氧气和氮气,结果也得到了比氮气重的未知气体。

由于拉姆赛的方法比开文迪许的方法好,因此,1894年拉姆赛用此法得到了100毫升的未知气体。

瑞利和拉姆赛都对自己所得的未知气体进行了光谱分析,结果在光谱中出现了已知空气成分中的元素所没有的新谱线。这就是说,这气体是一种还没有被发现的新气体。

1894年8月13日,当英国自然科学团体在牛津开会时,瑞利和拉姆赛向大会宣布:我们发现了一种新的元素,它四面八方围绕着我们,我们平时呼吸的空气中就有它,它同氧、氮都是大气的组成部分。这种新气体的脾气非常古怪——“懒惰”而孤独,几乎不和任何元素相化合。瑞利和拉姆赛对它曾经作过种种试验,比如把它和白磷放在一起,白磷是非常活泼的东西,常温下它在空气中能自燃,与氧化合生成五氧化二磷。然而,在新发现的这种气体中,白磷却安安静静,不跟新气体化合。氯气也是一种很活泼的气体,它能使铝、镁很快地锈蚀掉,但和这种新气体在一起,也是老老实实,不起反应。瑞利和拉姆赛还在新气体中放电火花,加热,倒进强酸,结果新气体依然如故。

这样,瑞利和拉姆赛把这种新气体命名为“Argon”(氩,Ar),意为“不活泼”。氩在空气中的含量并不算太少,按体积计算占0.93%——将近百分之一。

“哟!在空气中原来还有未发现过的新气体!”瑞利和拉姆赛的发现,震惊了当时的科学界。

人们把氩的发现,称为“第三位小数的胜利”,它深刻地说明:做任何事情都必须认真、细致,粗枝大叶不行。粗枝大叶,往往搞错。从此,人类对空气的认识,又向前迈进了一大步。人们索源探微,继续深入研究,又在空气中发现了另外4种惰性气体——氦(He),氖(Ne),氪(Kr),氙(Xe),只是它们在空气中的含量极少。可见瑞利当时命名为“氩”的气体,还不是纯粹的。

后来,人们在研究某些放射性元素的蜕变时,还发现了一种具有放射性的惰性气体氡(Rn)。

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