□王震元

小氣泡大發(fā)現(xiàn)（上）
——惰性氣體元素發(fā)現(xiàn)的思考

□王震元

一個真正的科學(xué)家，是不會輕易放過實驗中所出現(xiàn)的每個反?，F(xiàn)象的。惰性元素的發(fā)現(xiàn)充分顯示了堅持科學(xué)精神的重要性。人們往往認(rèn)為，科學(xué)發(fā)現(xiàn)的起點是細(xì)心觀察，其實不盡然，科學(xué)精神還表現(xiàn)為與時俱進(jìn)，不斷開拓創(chuàng)新……

科學(xué)怪人“怪”實驗 空管何來“小氣泡”

十八世紀(jì)末，英國倫敦住著一位“科學(xué)怪人”，他就是卡文迪許?？ㄎ牡显S的“怪”，不但是因為他一輩子沒有結(jié)婚，更主要的是，他身為一個貴族，雖然很有錢，卻不喜歡交際，甚至一見到婦女就說不出話來?？ㄎ牡显S的錢都用來買科學(xué)儀器和圖書，還在自已家里建立了實驗室。

1784年的一天，卡文迪許取來兩只酒杯并裝滿水銀，然后把一根U型玻璃彎管的兩端和起電器的兩根導(dǎo)線分別插入兩杯水銀里，接著搖動起電器，使圓玻璃板和毛皮不斷地摩擦，這樣摩擦產(chǎn)生的電通過導(dǎo)線積累在水銀杯里。過了一段時間，玻璃彎管內(nèi)就出現(xiàn)了閃電火花，同時出現(xiàn)紅色的煙霧，這是因為管內(nèi)空氣中的氧氣和氮氣有一小部分化合成了二氧化氮之故。

卡文迪許將苛性鈉溶液滴到玻璃管中后，二氧化氮被吸收，紅色煙霧消失了。這時候彎管內(nèi)的氣體體積就縮小了一些?？ㄎ牡显S和他的仆人輪流不停地?fù)u著起電器，讓玻璃管內(nèi)不斷地放電。最后，空氣中的氧氣全部與氮氣化合，而生成的二氧化氮又都被苛性鈉溶液吸收了。玻璃管中氣體的體積縮小到一定程度就不再縮小了。

這時候，卡文迪許向玻璃管內(nèi)又送進(jìn)一些氧氣，再開始放電。新加入的氧氣又與剩余氣體化合，體積又縮小了些。他們連續(xù)工作了三個星期。最后，彎玻璃管中只剩下一個很小的氣泡。這個小氣泡很頑固，無論怎樣放電都不肯跟氧氣化合，當(dāng)然它也不可能是剩余的氧氣。因為卡文迪許在玻璃管中加入了一點多硫化鉀，把多余的氧全部吸收掉了。

卡文迪許的實驗記錄十分詳細(xì)。他寫道：“在彎玻璃管里剩下來一個小氣泡，這是由于某種特殊原因不與氧氣化合而剩下來的濁氣（氮氣）。它不像普通的濁氣，而是另一種濁氣，因為什么樣的電火花都不能使它與氧氣化合。”最后他作出結(jié)論：“空氣中的濁氣不是單一的物質(zhì)，還混有一種不與氧氣化合的濁氣，總量不超過全部空氣的1/120?！?/p>

這個“小氣泡”究竟是什么氣體？不但與卡文迪許同時代的科學(xué)家們都不明白，而且百多年來也無人能回答。隨著這位“科學(xué)怪人”的離去，他那篇《關(guān)于空氣的實驗》的論文也被打入了歷史的“冷宮”……

故紙堆里忽頓悟 一絲不茍大突破

1892年，英國出版的世界聞名的《自然》雜志9月號突然刊登了一封讀者來信。全文如下：

今有一事特向貴刊和貴刊的讀者求教。我最近多次用兩種方法制取氮氣，但它們的密度總不一樣，既是同一物質(zhì)，為什么會有兩種密度呢？

瑞 利

1892年9月24日

瑞利是英國著名的物理學(xué)家。他信中提到的氮氣“密度總不一樣”是怎么一回事呢？這就說來話長了。瑞利私人實驗室里有當(dāng)時最精密的天平，其靈敏度能精確到0.1毫克。

當(dāng)時，瑞利正在用這種精密天平測量氣體的密度。測量時，首先需要用幾種不同的方法制取同一種氣體，然后分別測定其密度。如果它們之間的誤差極小，說明實驗結(jié)果可靠，就能被得到公認(rèn)。

瑞利用三種不同的方法制取氧氣，分別測得的密度值完全相等。但是，他在測定氮氣密度時卻得到一個非常奇怪而又值得懷疑的結(jié)果。按照慣例，他用兩種不同的方法制取氮氣。一種是讓空氣通過赤熱的銅粉，使其中的氧氣跟銅化合而除去，再用堿吸收二氧化碳并除去水氣，就能得到純凈的氮氣。另一種是讓氨和氧混合氣體通過赤熱的氧化銅（催化劑），氨就被氧化而生成氮氣和水。除去反應(yīng)物中的水蒸氣后，也能夠得到純凈的氮氣。

在測定中，瑞利用第一種方法制得氮氣的密度是1.2572克/升，用第二種方法制得氮氣的密度是1.2508克/升。兩種方法制得的都是純凈的氮氣，為什么它們的密度卻不同呢？第二種方法比第一種方法大約小0.5%，兩者竟相差0.0064克/升。瑞利用的天平的靈敏度是萬分之一克，它絕對不會給實驗結(jié)果帶來這樣大的誤差。

他反復(fù)做了多次實驗，依然一無所獲。

瑞利百思不解，最后只好在《自然》雜志上公開征求答案，可是一封回信也沒有收到，怎么辦？

一個真正的科學(xué)家是不會輕易放過實驗中出現(xiàn)的反?，F(xiàn)象的。問題得不到解答，瑞利就繼續(xù)把實驗做下去。他改用赤熱的鐵屑去除掉空氣中的氧氣，又用新制成的氫氧化亞鐵去除空氣中的氧氣。用這兩種方法由空氣中制得氮氣，和用赤熱的銅屑除掉空氣中的氧氣而制得氮氣一樣，密度仍然是每升1.2572克。

瑞利用加熱亞硝酸胺的方法制造氮氣，用赤熱的鐵屑還原一氧化氮和笑氣（氧化亞氮）制造氮氣，用次溴酸鈉分解尿素制造氮氣，結(jié)果是這些化合物分解出來的氮氣，其密度與從氨氣分解出來氮氣的密度一樣，都是每升1.2508克。

他又埋頭做了兩年的實驗。這些實驗準(zhǔn)確地證明了：由氮的各種化合物制成的氮氣密度都一樣，比由空氣中分離出來的氮氣輕0.5%。

1894年4月19日，瑞利在英國皇家學(xué)會上作了報告，詳細(xì)地介紹了實驗過程和結(jié)果，特別是他的“困惑”。

報告結(jié)束后，化學(xué)家拉姆塞主動來找瑞利，說兩年前就看到過他那封信。但當(dāng)時還不清楚為什么氮氣會有兩種不同的密度?，F(xiàn)在明白了：他推斷空氣中的氮氣一定還含有一種較重的氣體，并表示愿意與瑞利合作。

在這次會議上，物理學(xué)家杜瓦更向他們提供了一個重要線索，也就是本文開始時介紹的卡文迪許實驗。瑞利聽后喜出望外，因為他目前就在以這位老前輩命名的實驗室工作。他立即回去查到了那篇紙色已經(jīng)發(fā)黃的論文，并進(jìn)行重復(fù)實驗。當(dāng)然，由于時代的進(jìn)步，瑞利已經(jīng)可以用振蕩線圈產(chǎn)生高壓電代替費勁的手搖起電器了，并改進(jìn)了裝置。幾個月之后，他就得到了足夠?qū)嶒炗玫摹靶馀荨薄?/p>

拉姆塞用的是另一種方法，他將已經(jīng)除去水汽、二氧化碳和氧氣的空氣通過裝有赤熱鎂屑的瓷管，結(jié)果大部分氣體跟鎂化合成氮化鎂，只剩下一小部分氣體。他把剩下的氣體再一次通過赤熱的鎂屑，氣體的體積又縮小了些。在第三次通過赤熱鎂屑之后，拉姆塞把剩下的氣體拿出來測定它的密度。普通氮氣的密度是氫氣的14倍，而這種剩下的氣體，密度卻是氫氣的14.88倍，果然是一種比氮氣重的氣體。

他并沒有滿足這個初步成績，而是把剩下的氣體一次又一次地通過裝有赤熱鎂屑的瓷管，結(jié)果每通過一次氣體的體積總要縮小點，密度總要增大點，逐步變成氫氣的17倍、18倍、19倍；最后體積不再縮小了，密度增大到氫氣的20倍也不再變了。拉姆塞計算了一下，剩下的氣體的體積是原來空氣中氮氣體積的1/80。

卡文迪許的小氣泡得到了。這是一種什么氣體呢？拉姆塞把這種氣體裝在密閉的玻璃管里，玻璃管的兩端封有兩根白金絲做的電極，這就是氣體放電管。通上了高壓電，玻璃管中的氣體就閃閃發(fā)光。用分光鏡檢查，發(fā)現(xiàn)光譜中有橙色和綠色的譜線。這是已知的元素所沒有的譜線，這種方法叫做元素光譜分析，既靈敏又準(zhǔn)確，表明這種剩下的氣體確實是一種新的元素。

瑞利在兩年前提出的問題，現(xiàn)在完全弄清楚了。用氮的化合物制成的是純粹的氮氣，它的密度為每升1.2508克。而由空氣中得到的氮氣并不純粹，里面混有少量密度為每升1.9086克的未知氣體，因而這種不純的氮氣的密度是每升1.2572克。

就這樣，物理學(xué)家和化學(xué)家緊密合作，取得了驚人的發(fā)現(xiàn)。由于這種新氣體既不跟氧化合，也不跟鎂化合，因而才使它跟氮氣分開。

進(jìn)一步研究表明，這種新氣體跟氫、氯、氟、碳、硫以及各種金屬，都不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。不管加溫、加壓、用電火花或者用鉑黑作催化劑，它還是不跟任何物質(zhì)起反應(yīng)。根據(jù)這種特性，科學(xué)家給這種新氣體元素起了個名字叫做argon（希臘文“懶惰”的意思）——我國譯作“氬”。

1895年1月31日，倫敦大學(xué)大講堂里座無虛席。瑞利和拉姆塞進(jìn)一步運用物理方法——“擴(kuò)散法”當(dāng)場向科學(xué)家們證明了氬氣的存在。（未完待續(xù)）