[物理史] 瑞立男爵(Lord Rayleigh)和氩的发现
时间:2020-06-10 出处:A好生活
(译自APS News,2013年8月)瑞立男爵(John William Strutt $$\mathrm{3^{rd}}$$ Baron Rayleigh)瑞立男爵是斯特拉特(John William Strutt,1842-1919)的头衔,他于 1873 年继承了瑞立男爵的爵位。瑞立男爵于



(译自APS News,2013年8月)

[物理史] 瑞立男爵(Lord Rayleigh)和氩的发现

瑞立男爵(John William Strutt $$\mathrm{3^{rd}}$$ Baron Rayleigh)

瑞立男爵是斯特拉特(John William Strutt,1842-1919)的头衔,他于 1873 年继承了瑞立男爵的爵位。瑞立男爵于 1879 至 1884 年间在剑桥大学当实验物理教授,是马克士威(James Maxwell)的继任者,并于 1887 至 1905 年任职于伦敦的英国皇家科学研究所。他大部分的研究都在位于泰林(Terling)的家中个人实验室完成。

瑞立男爵的研究涵盖的物理範围很广,以他的名字命名的项目包括有瑞立散射、瑞立–京士方程式、瑞立折射计、和瑞立分辨度準则。他的书《声的原理》(The Theory of Sound),上下两册,共 1042 页,1877 年出版,在当时是最完整可靠的一本书,现在仍出版使用。瑞立男爵是他的年代最杰出的物理学家之一,最终让他获得诺贝尔奖的是氩的发现。氩的发现过程是科学史上最不寻常的故事之一。

做为一个物理学家,瑞立的行事风格直接而果断,心中有着明确的目标。然而,他在发现氩的过程中,却是完全相反,他的实验并非针对最后的结果。瑞立于 1815 年起开始研究卜劳特的假设(Prout’s Hypothesis),它主张许多元素的原子重量应该是以氢的原子重量当做 1 的整数倍。

这些极其困难的实验记录在瑞立的儿子罗伯特.斯特拉特所写的传记《约翰.斯特拉特,第三代瑞立男爵的一生》(Life of John William Strutt, Third Baron Rayleigh)中。起先,瑞立测氢气和氧气的重量来决定其密度,他先将 2 公升的烧瓶抽真空、秤重,充气后再秤一次。室内空气的浮力会影响观测到的重量,但接着,浮力会受室温和气压所影响。实验由一位可靠的助理执行,瑞立亲自严格监督,进行了好几年。他得到的结果是氧和氢的密度比为 15.882,瑞立认为这和氧的重量是 16 不相符合。

为了完成此研究,瑞立于是转而秤氮,一个似乎比较容易的问题。要获得「纯」气体最容易的方法就是,以化学方法去除那时空气中已知其他的成分氧、二氧化碳和水蒸气。他的结果和几年前发表的测量结果相当一致,但就在这个时候,他的一个决定却改变了整个研究的过程。「秉持着特有的谨慎,他希望以不同方法得到的气体来证实此结果。」瑞立以氨或含氮化合物的化学反应来获取氮,结果出人意料,经过 2 年的研究,他不得不下结论说,由化学反应得到的氮总是比由空气所得到的密度少 0.5%,远超过实验误差的範围。他无法解释此结果,在《自然》期刊(Nature, 46, 512〔1892〕)首次相关的报告开场白写着「我为氮密度的几个最新结果深感困惑,假如有任一读者能对此提出他的看法,我将感激不尽。」但没有人回应。

终于,伦敦大学学院(University College, London)一位化学家拉姆赛(William Ramsay)得知瑞立的结果,提议说,空气中也许存在着一种之前不知的重气体,没有被用来除去空气中其他成分的化学方法所去除。就在同时,瑞立得知物理学家卡文迪西(Henry Cavendish,1731-1810)于 1795 年所做的实验,暗示空气中有一未知的成分。卡文迪西将空气混合了额外的氧气,让静电产生器产生的电花通过其中,以接触硷溶液;如此去除了氮和氧。在长时间的实验后会留下一小小的气泡,他认为这气泡是大气中无反应性的气体成分。这个实验从未再做过,被人遗忘了将近 100 年。瑞立重做了相同的实验,他的设备产生的电花更强,结果成功了,它收集到大约 1 立方公分的气体。这些气体既没显现出任何氮谱的迹象,也无任何化学反应性。

在此同时,拉姆赛说明,炽热的镁可以把空气中的氮和氧都去除,他收集了足够的剩余气体,测其谱相、比热和其他性质。瑞立和拉姆赛综合他们的研究,证实了大气中有一种新的、惰性的、单原子的成分存在。克耳文男爵(Lord Kelvin)称此为该年度最重大的发现。他们于 1894 年 8 月在英国科学协会的会议上宣布了此发现,这些会议和美国物理学会很类似,会中会发表许多论文,所有的论文都会附上 100 多个字的摘要。英国科学协会对他们如此重要的研究发现所做的报告,出奇的简短,全文如下:

8 月 13 日,星期一「1. 举行 A 组联合会议,会议中瑞立男爵,英国皇家学会秘书,和拉姆赛教授,英国皇家学会会士,提出了一种空气的新气体成分的初步说明。」

拉姆赛继续研究,发现了氦(从太阳光谱得知,并非之前在地球上所知道的)、氖、氪和氙。

此发现使人想起了 18 世纪英国的大诗人蒲柏(Alexander Pope)为牛顿所写的墓誌铭:「自然和自然的法则隐藏在黑暗中,上帝说,让牛顿来,一切都明亮了。」氩和另外的 4 个气体元素隐藏在眼前,有迹象,瑞立勤奋的物理探讨,以及拉姆赛的化学领悟使得一切真相大白。

马丹(H. G. Madan)建议将此新的气体成分取名为「argon」(氩),这源自希腊文「aergon」,意思是「惰性或懒惰」,是两个字「a」和「ergon」的缩写,其中「a」是字首,对后面的字加以否定,如「apolitical」(不关心政治),或的确,「atom」(源自希腊文“atomos”,意思是“不可分割的”。);「ergon」是「energy」(能量),正如物理的「erg」(耳格,能量单位)。

瑞立和拉姆赛分别于 1904 年获得诺贝尔奖,瑞立是物理奖而拉姆赛是化学奖。


原文刊载于物理双月刊2014年8月号36卷第4期,感谢杨信男教授同意授权刊载。

系列文章100篇已集结成册,由五南出版,书名为《物理奇才奇事》。



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