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1.太阳元素的发现

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1.太阳元素的发现1.太阳元素的发现 1918706393.doc 1.太阳元素的发现 能知道太阳的组成吗, 我们现在要讲一种物质。这种物质最初是在太阳上发现的,后来才在地球上找到。 万物生长靠太阳。太阳是一个庞大的火球,给我们光和热。自从发明了望远镜,人们用望远镜研究太阳,看清楚了太阳表面的光斑和黑子。日全食的时候,还可以看到从太阳表面喷出的巨大的火焰——日珥。但是太阳的化学成分是什么,单靠望远镜是看不出来的。 1825年,有一位法国哲学家,名叫孔德,他在他的哲学讲义中武断地说:"恒星的化学组成是人类绝对不能得到的知识。"他的话似...
1.太阳元素的发现
1.太阳元素的发现 1918706393.doc 1.太阳元素的发现 能知道太阳的组成吗, 我们现在要讲一种物质。这种物质最初是在太阳上发现的,后来才在地球上找到。 万物生长靠太阳。太阳是一个庞大的火球,给我们光和热。自从发明了望远镜,人们用望远镜研究太阳,看清楚了太阳表面的光斑和黑子。日全食的时候,还可以看到从太阳表面喷出的巨大的火焰——日珥。但是太阳的化学成分是什么,单靠望远镜是看不出来的。 1825年,有一位法国哲学家,名叫孔德,他在他的哲学讲义中武断地说:"恒星的化学组成是人类绝对不能得到的知识。"他的话似乎有点道理。太阳虽然是最近的一颗恒星,但是离我们也有1.5亿千米。谁能飞到这样远的太阳上去取一些物质回来,在化学实验室里作呢,况且太阳表面的温度就有6000摄氏度。这是无论如何做不到的。 然而,这位哲学家的结论下得早了一点。1859年,就在孔德死后不到三年,一位化学家和一位物理学家合作,发明了一种很巧妙的方法,可以不用离开地球,就能够测定太阳、恒星等遥远的天体的化学组成。 这位化学家是本生,这位物理学家是基尔霍夫。他们发明的方法叫做光谱分析。 本生和他的灯 本生是德国人,1830年,他大学毕业,才19岁。以后,他除了在大学教书,还研究鼓风炉顶上冒出来的气体,创立了气体分析的方法。1854年,汉堡市开办了煤气工厂,本生的实验室里也装上了煤气。本生发明了一种新式的煤气灯,可以很方便地调节火焰的大小和温度。这种灯,现在的化学实验室中还在使用,大家管它叫本生灯。 故事就是从本生的灯开始的。 本生灯燃烧得最好的时候,温度能达到2300摄氏度,火焰几乎没有颜色。有时候灯没有调节好,火焰会缩到灯管里去,铜制的灯管烧红了,火焰就变成了蓝绿色。而在灯上弯玻璃管的时候,玻璃管烧红了,火焰又变成黄色。这些现象引起了本生的注意。他开始研究各种物质在灯上烧的时候,焰色会发生什么变化。 本生用白金镊子夹了一粒普通的食盐,放到火焰中烧,火焰立刻变成亮黄色,同时闻到呛人的氯气的气味——是高温把食盐(氯化钠)分解了。但是火焰为什么 Franc 1 1918706393.doc 变黄呢,是氯的作用还是钠的作用呢, 为了搞清楚这个问题,本生选用了一些不含氯而含钠的化合物,例如纯碱(碳酸钠)和芒硝(硫酸钠)来做试验。如果这些物质也能使火焰变黄,就可以证明是钠起了作用。 结果正是这样。纯碱和芒硝一放到火焰中,火焰立刻变黄了。 最后,本生把金属钠放在火焰中烧,火焰也立刻变成亮黄色。这个决定性的实验,证实了使火焰变黄的确实是钠。实验的成功使本生产生了新的想法:除了钠,别的金属是不是也能使火焰变色呢,他把实验室中所有的化学药品和金属,都-一做了试验。 本生发现,钾和钾的各种化合物使火焰变紫,而钡是绿色火焰,钙是砖红色火焰,锶是亮红色火焰,等等。 这是1858年秋天的事,他把这些发现详细地记在实验记录本中。 本生真高兴,他相信他已经发明了一种新的化学分析方法。这种方法不需要复杂的设备,操作又非常简单,只要把需要分析的物质放在灯上烧一烧,看一下火焰的颜色,就能知道它含有什么金属。现在需要的是研究火焰的语言,弄懂各种彩色信号代表什么元素。 彩色火焰之谜 本生搜集了各种各样的化合物来做实验,他用一根白金丝,一端弯一个小圈。用这个工具蘸上一滴溶液,就可以放到火焰中去烧。 本生根据他的实验记录编了一张表,列举了什么物质产生什么焰色,反过来也可以由焰色判定是什么物质。 信号表编好了,但是用起来并不那么简单,因为需要分析的物质不一定都是纯粹的化合物。遇到混合物会怎么样呢,本生做了一些混合物的焰色试验,结果出现了这样的情况: 钠盐溶液——黄色火焰。 混有钾盐的钠盐溶液——黄色火焰。 混有锂盐的钠盐溶液——黄色火焰。 用三个灯同时烧这三种溶液,结果都出现黄色火焰,看不出任何差别。钠的黄色光太亮了,遮盖了钾的紫色光和锂的红色光。 本生没有灰心,他找来了各种不同颜色的玻璃片,透过有色玻璃去观察火焰。一块深蓝色的玻璃可以吸收掉钠的黄色光,透过蓝玻璃,看出了混在钠盐中的钾盐的紫色光,看出了混在钠盐中的锂盐的红色光。这有色眼镜帮了他的大忙。 但是问题并没有彻底解决。一种未知物质的溶液,能使火焰变成深红色。查 Franc 2 1918706393.doc 查信号表:锂盐——深红色;锶盐——深红色。这未知物质是锂盐还是锶盐呢,分辨不清。本生找了各种颜色的玻璃,想用来区别两种深红色的火焰,但是他失败了。 就在这困难的时候,物理学家来帮忙了。 物理学家的建议 本生有个亲密的朋友叫基尔霍夫,是位物理学教授。他们俩经常在一起散步和谈心。 1859年初秋,本生在实验室中做焰色试验已经快一年了。这一天,本生跟基尔霍夫一起散步,他详细地讲了自己的实验和碰到的困难。 "分辨火焰的颜色~分辨火焰的颜色~……"基尔霍夫一边思索,一边喃喃地说。 基尔霍夫对物理学十分精通,他立刻想起了物理界的前辈牛顿首先研究过太阳光,用三棱镜把太阳光分成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色;他也想起了已经去世30多年的德国光学专家方和斐,方和斐在45年前自己磨制了石英的三棱镜,详细研究了太阳光和各种灯光的光谱。 基尔霍夫不但对方和斐的实验了解得很清楚,连方和斐亲手磨制的那块三棱镜,还保存在基尔霍夫的实验室中。 基尔霍夫沉思了一会,对本生说:"我是搞物理的。从物理学的角度来看,我认为应当换一个方法试试。那就是不要直接观察火焰的颜色,而应该去观察火焰的光谱。这就可以把各种颜色清清楚楚地区别开了。" 这是多么好的建议啊~ 本生和基尔霍夫越谈越投机,一个物理学和化学合作的研究就这样定下来了。基尔霍夫回去准备实验用的仪器。本生也回到自己的实验室,他把四面的窗户都挂上了遮光的黑布,准备迎接基尔霍夫和他的仪器。 方和斐发现了什么, 在没有讲本生和基尔霍夫的实验以前,我们先来讲讲1814年方和斐的实验。 方和斐在小黑屋子的窗板上开了一条狭缝,太阳光通过这条缝射进屋里,成为一条扁扁的光束。在光束经过的地方放上一块三棱镜。这条光束通过三棱镜,就变成了宽大的扇形,落在对面的墙上,成为从红到紫的各种颜色的光带,这就是太阳的光谱。原来太阳的白光并不是单色的,而是混在一起的各种颜色的光。不同颜色的光通过三棱镜,偏转程度各不相同:紫色光偏转最大,红色光偏转最小,其他颜色的光的偏转程度在紫色光和红色光之间。正因为这个缘故,通过三 Franc 3 1918706393.doc 棱镜的一束太阳光就被拆开了,变成按颜色排列的彩色光谱。 方和斐实际上在重复他的老前辈牛顿的实验,但是作了不少改进。他做了一条使光通过的狭缝;为了把光谱观察得更清楚,还用凸透镜作了一个窥管。方和斐研究了多种灯光的光谱。他本来想找一种只发出一种颜色的光的光源,这个目的没有达到,却发现了另外一些更重要的现象。 方和斐把一盏油灯放在狭缝外面,观察油灯光的光谱。他发现光谱带上有两条极其明亮的黄线,宽窄和狭缝一个样。不管怎样移动三棱镜的位置,转动窥管里的透镜,两条明亮的黄线依然存在。 方和斐拿掉油灯,换上酒精灯,还是有两条黄线;再换上蜡烛,两条黄线依然存在。不仅如此,只要三棱镜和窥管的位置不变,不管是什么灯光,两条黄线总在老位置上。 应该再研究一下太阳光。方和斐用一面镜子,把阳光反射进狭缝。他在太阳的光谱中找那两条明亮的黄线。可是没有,却发现太阳光谱中有许多黑线。方和斐仔细数了数,黑线有500多条,有的深些,有的淡些。他给那些最深的最清楚的黑线,用A、B、C、D、E等编了号。 看来,太阳光在黑线的位置上,少了某一些颜色的光。 经过仔细观察,方和斐发现灯光光谱中的那两条亮黄线,恰好落在太阳光谱中编号为D的那两条深黑线上,也就是说,位置恰好相同。 这真是怪事,灯光发出来的亮黄线,太阳光里恰好没有。但是,方和斐没能解释这是什么原因。 在方和斐以后,有不少人做了类似的实验。他们分析了各种光源,十之八九要出现这两条亮黄线。他们又研究太阳光谱,找到了更多的黑线(后来人们把这种黑线叫做方和斐线)。但是他们和方和斐一样,都说不清楚这是怎么回事。 现在,轮到本生和基尔霍夫来做实验了。 谜解开了 基尔霍夫带了他的仪器,来到本生的实验室。这套仪器是些什么样的宝贝呀,一块方和斐亲手磨制的石英三棱镜;一个直筒望远镜,已经被基尔霍夫锯成两截;还有一个雪茄烟盒;一片打了一道狭缝的圆铁片。都是一些最普通的东西。他们正是用这套简单的仪器,完成了伟大的科学发现。 实验的准备工作开始了。基尔霍夫在雪茄烟盒内糊上了一层黑纸,把三棱镜安装在烟盒中间。在对着三棱镜的两个面的位置上,把烟盒开了两个洞:一个洞装上望远镜的目镜的那半截,这是方和斐的窥管;另一个洞装上望远镜的另外半截,物镜在盒内对着三棱镜,朝外的筒口上盖着那开有细缝的圆铁片,这叫做平 Franc 4 1918706393.doc 行光管。各部分都固定了,烟盒盖上了,世界上第一台"分光镜"就装配好了。 本生也没闲着,他在准备试料。试料有各种纯的金属,各种纯的化合物的溶液。几把白金丝做的小圈,也用硝酸洗得干于净净。 基尔霍夫先让太阳光射在平行光管的细缝上。在窥管中,他看到清晰的太阳光谱,还有那一条条黑色的方和斐线。仪器检查完毕,没有毛病。黑窗帘拉上了,本生点着了煤气灯,基尔霍夫把平行光管对准了煤气灯的火焰,实验开始了。 第一个实验就是食盐(氯化钠)。本生用白金丝蘸了一粒食盐在灯上烧,火焰立刻变成黄色。基尔霍夫把眼睛凑到窥管口上。 "我看到两条黄线靠在一起。背景是黑的,只有两条黄线。"基尔霍夫说。 本生重复了他一年前的实验。苏打,芒硝,硝酸钠,各种钠盐都试过了,结果都一样,黑的背景上有两条靠在一起的黄线,而且位置也不改变。看来,这两条黄线就是钠的谱线。 下一个实验是钾。本生用白金丝蘸了钾盐去烧,火焰变成了淡紫色。 基尔霍夫看了几秒钟,说道:"在黑暗背景上有一条紫线和一条红线。当中的光谱连成一片,没有明亮的线条。" 实验在继续。 所有的锂盐都产生一条明亮的红线和一条较暗的橙线。 所有的锶盐都产生一条明亮的蓝线和几条红线、橙线和黄线。 总之,每种元素都产生几条特有的谱线,这些谱线都有固定的位置。 本生和基尔霍夫轮换着烧蘸有各种物质的白金丝,轮换着看光谱。后来,本生装了一个架子把白金丝夹住,两个人在自制的分光镜前你看一眼我看一眼,一直看到眼睛都花了。 他们还不想休息,准备做一个新的实验。基尔霍夫揉着发酸的眼睛,在屋内走来走去。本生也一声不响,他把几种不同的盐混在一起。 实验开始了,本生用白金丝把混合的盐送到火焰中去,火焰立刻变成亮黄色。基尔霍夫趴在分光镜前仔细观察。 实验室内静悄悄的,最后,基尔霍夫说话了:"你掺在一起的有钠盐、钾盐、锂盐和锶盐。" "对~"本生激动极了。他把白金丝夹在架子上,立刻跑过去看。光谱显示得十分清楚:两条靠在一起的亮黄线是钠的;那条紫线是钾的;红线是锂的;属于锶的那条蓝线也很清楚。 成功了~他们这时候的高兴劲儿是可以想象出来的。 他们创立了一种新的化学分析方法——光谱分析法。 Franc 5 1918706393.doc 大搜查 本生和基尔霍夫像着了迷一样,在实验室中夜以继日地工作。他们编制了各种已知元素的光谱表。凡是能到手的东西,他们都要放到灯上去烧一烧,看一看光谱,搜查里面到底有些什么元素。 光谱分析法非常灵敏,只要1毫克(千分之一克)的三百万分之一的钠,送到火焰里,在光谱中就能看到钠的黄线。只要用手指摸一下白金丝,就可以烧出黄线,因为汗水中就有氯化钠。 他们发现海水中,牛奶中,烟灰中,都含有锂。 更重要的是他们用光谱分析方法,在一种矿泉水中发现了新元素铯;在一种云母矿中又发现了另一种新元素铷。在铯的光谱中有两条美丽的蓝色的谱线,因此,他们把它叫做"铯"——拉丁文的原意是"蓝色的";铷的光谱中有两条深红色的谱线,因而就被称为"铷"——拉丁文的原意是"红色的"。 铯和铷的发现,是光谱分析的第一个大胜利~ 光谱分析这种新方法很快就推广了,不少工厂成批地制造分光镜和光谱仪。现在,任何一个大的化验室中都有光谱仪,并且利用照相代替了肉眼观测。现代的光谱仪不仅能分析物质的组成,还能求出其中各种元素的含量。而各种光谱仪的老祖宗,就是基尔霍夫和本生装配的那台简陋的分光镜。 用光谱分析各种物质的组成,用光谱寻找新的元素,一时成了最时髦的科学研究工作。许多科学家在实验室中装了分光镜,参加了这次大搜查。除了本生和基尔霍夫发现的铷和铯以外,别的科学家还发现了铊、铟、镓、镱、钛、铥、钐、钕、镨等元素。这中间还有一个重要的元素,那就是我们要讲的太阳元素——氦。 又解开了一个谜 正当本生忙于搜罗各种东西进行光谱分析的时候,基尔霍夫总想着他的那位物理学前辈方和斐观察到的黑线。他认为这个谜一定要解开:为什么太阳光谱的黑线D[[[1、D[[[2,恰好和钠的两条黄线位置一样呢,难道太阳上缺少钠吗, 1859年10月的一天,基尔霍夫开始研究这个问题。他先用分光镜看太阳的光谱,记住了D线的位置,然后遮住阳光,点燃了本生灯,在灯上烧起钠盐。果然,钠的两条亮黄线正好出现在太阳光谱的D线的位置上。 基尔霍夫想:让太阳光和烧钠的灯光同时射人分光镜,钠的亮黄线能不能把太阳光谱的黑线补起来呢,他打开遮板,让太阳光穿过本生灯的火焰照人分光镜。他在火焰上烧起钠盐来,火焰变黄了。但是出乎意料,在分光镜中,他看到太阳光谱中的两条D线不但没有亮起来,反而变得更黑了。 Franc 6 1918706393.doc 真奇怪~再挡住太阳光看一看,钠的两条亮黄线又出现了,而且正在那两条黑线的位置。 基尔霍夫想了很久,他又准备了一个新的实验。他不用太阳光了,换用了石灰光。用温度很高的氢氧焰去烧石灰,石灰会发出耀眼的白光。基尔霍夫知道,石灰光的光谱是连成一片的,没有特别亮的线,也没有方和斐黑线。 基尔霍夫在石灰光和分光镜中间放上本生灯,烧起钠盐。看~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,位置和那种盐的谱线的位置一样。 原来是这样~基尔霍夫激动得一夜没睡,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。原来这些黑线和亮线一样,也能表示太阳大气中有什么元素。 本生和基尔霍夫又用铁作了实验。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。 这个新发现立刻传遍全球:本生和基尔霍夫在地球上的实验室里,测出了太阳是由什么组成的~我们开头提到的那位哲学家的结论,这一回彻底破产了。 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。 就这样,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。 太阳元素 日全食是天文学家研究太阳的最好机会。这时候,月亮正运转到地球和太阳中间,把太阳完全遮住了。这样就可以看清楚太阳最外层的大气——日冕,还可以看到太阳表面喷出的巨大火焰——日珥。 1860年7月16日,在西班牙发生日全食。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 Franc 7 1918706393.doc 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,红线和蓝线是氢的谱线。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,太阳又升起在天空中。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。成功了~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。 无巧不成书,在法国科学院收到詹森的信的同一大,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,另一面刻着詹森和罗克耶的头像,下面写着:"1868年8月18日太阳突出物分析"。 詹森和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"。 太阳元素——氦被发现了,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。 关于怎样在地球上找到氦的故事,我们下边再讲。 一封读者来信 罗克耶在发现氦的第二年(1869年),他在英国创办了一种科学杂志,名叫《自然》,这种杂志很有名,一直出版到现在。全世界的物理学家和化学家,没有一个不看这本杂志的。 1892年,《自然》的9月号上刊登了一篇读者来信,信中说:"我对于最近测 Franc 8 1918706393.doc 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"。 这是怎么回事,瑞利是什么人, 瑞利是英国剑桥大学的物理学教授。从1882年开始,他研究各种气体的密度。虽然在上一个世纪,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。 气体密度就是1升气体的质量,以克数计算。气体的体积会随着温度和压力而变化,所以必须规定,气体的密度是在0摄氏度和1个大气压下(这叫做"状态"),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。这就可以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。 说来简单,做起来却不容易。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。 氢气和氧气都测准了,但是测量氮气的时候出了问题。 空气是氧气和氮气组成的,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,这时氧气会与铜化合,生成氧化铜,剩下的就是氮气了。测量这种氨气的密度,结果是1.2572克每升。 瑞利又把氧气通过浓氨水,得到氧气和氨气的混合气。把混合气通过赤热的氧化钢管,氨气与氧气反应,生成水和氮气。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。 为什么两种不同来源的氮气,密度会不一样呢,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,请大家一同来解答这个难题。 Franc 9 1918706393.doc 可是一封回信也没收到。 这次是化学家来帮忙了 怎么办,一个真正的科学家是不会轻易放过实验中出现的反常现象的。问题得不到解答,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,和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。 瑞利用加热亚硝酸铰的方法制造氮气,用赤热的铁屑还原一氧化氮和笑气(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,密度和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。拉姆赛说:"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。" 瑞利非常高兴拉姆赛能跟他合作来研究这个问题。于是,物理学家和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经做过一个实验,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和,都保存得非常好。 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,感到非常惊讶。 卡文迪许是个什么人呢,他做了一个什么样的实验呢, 科学怪人和小气泡 18世纪末,英国伦敦住着一位怪人,他就是卡文迪许。卡文迪许一辈子没有 Franc 10 1918706393.doc 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。 卡文迪许是个贵族,很有钱,却不喜欢交际。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和图书。他在自己家中建立了实验室和图书馆。随便什么人都可以去他的图书馆借书,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。过了50年,他的实验记录才由物理学家麦克斯韦整理发表。每个科学家看了他的工作都大为敬佩,原来后辈科学家做的许多实验,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和氧气,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。 瑞利在英国皇家学会1784年和1785年两年的年报中,找到了卡文迪许的,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。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人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,圆玻璃板和毛皮不断地摩擦,摩擦生的电通过导线,积累在水银杯里。过了一段时间,玻璃弯管内电火花就一闪,同时出现红色的烟雾,这是管内空气中的氧气和氮气有一小部分化合生成的二氧化氮。 卡文迪许将苛性钠(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。 卡文迪许和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,空气中的氧气全都与氮气化合了,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。新加人的氧气又与剩余气体化合,体积又缩小了一些。 Franc 11 1918706393.doc 这个实验,卡文迪许和他的仆人轮流不停的摇着起电器,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,这个小气泡很顽固,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"(草木灰的浸出液与硫磺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十分详细。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与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与氧气化合。"最后,卡文迪许作出结论:"空气中的浊气不是单一的物质,还混有一种不与氧气化合的浊气,总量不超过全部空气的1,120。" "啊~原来是这样~"瑞利十分激动。 瑞利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。 重找小气泡 问题似乎清楚了,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。 瑞利做实验要比卡文迪许容易多了,因为时代不同了。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,烧瓶内通人两根金属导线,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和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,可以喷人苛性钠溶液来快速吸收掉生成的二氧化氮,也可以往瓶内送人氧气和补充新的空气。 用这个装置,瑞利终于得到一个较大的气泡。这个气泡在电火花下也不跟氧气发生作用。为了除掉气泡中可能有的氧气,他又让它通过一根烧得赤热的装有铜屑的瓷管。这样,氧气就会跟铜反应而被除掉了。 尽管装置有了改进,为了得到足够供实验用的气体,瑞利也干了好几个月。 Franc 12 1918706393.doc 在这段时间里,他不断地把自己的工作情况写信告诉拉姆赛,同时也经常接到拉姆赛的来信。 拉姆赛用的是另一种方法。他发现氮气和赤热的镁屑能发生化学反应生成氮化镁。他使已经除去水汽、二氧化碳和氧气的空气通过装有赤热的镁屑的瓷管。结果,大部分气体跟镁化合了,只剩下一小部分气体。他把剩下的气体再一次通过赤热的镁屑,气体的体积又缩小了一些。在第三次通过赤热的镁屑之后,拉姆赛把剩下的气体拿出来测定它的密度。普通氮气的密度是氢气的14倍,而这种剩下的气体,密度却是氢气的14.88倍,果然是一种比氮气重的气体。 拉姆赛并没有满足这个初步成绩。他把这剩下的气体一次又一次地通过装有赤热的镁屑的瓷管。结果是每通过一次,气体的体积总要缩小一点,密度总要增大一点,变成氢气的17倍,18倍,19倍;最后体积不再缩小了,密度增大到氢气的20倍也不再变了。拉姆赛计算了一下,剩下的气体的体积是原来空气中的氮气的体积的1,80。 卡文迪许的小气泡得到了。这是一种什么气体呢,这又要用光谱分析了。 拉姆赛把这种气体装在密闭的玻璃管里,玻璃管的两端封有两根白金丝做的电极,这就是气体放电管。通上了高压电,玻璃管中的气体就闪闪发光。用分光镜检查,发现光谱中有橙色和绿色的话线。这是已知的元素所没有的话线,表明这种剩下的气体的确是一种新的气体元素。 瑞利在两年前提出的问题,现在完全弄清楚了。用氮的化合物制成的氮气,原来是纯粹的氮气,它的密度是1.2508克每升。由空气中得到的氮气不是纯粹的,里面混有少量密度为1.9086克每升的未知的气体,因而这种不纯的氮气的密度是1.2572克每升。 就这样,物理学家和化学家合作,又取得了惊人的发现。 他们已经知道,这种新气体既不跟氧化合,也不跟镁化合。他们正是利用新气体的这种性质,使它跟氮气分开的。 那么它跟哪些物质化合呢,他们做了许多试验,结果表明,这种新气体跟氢,跟氯,跟氟,跟各种金属,跟碳,跟硫,都不发生化学反应。不管加温也好,加压也好,用电火花也好,用铂黑作触媒也好,它还是不跟任何物质起反应。根据这个性质,科学家给新气体元素起了个名字叫做argon(希腊文"懒惰"的意思)——我国译作"氩"。 第三位小数的胜利 1894年8月7日,拉姆赛给瑞利去了一封信,建议俩人一起宣布他们的新发现。经过几天准备,8月13日,他们来到了英国的科学城牛津。那时候,牛津正 Franc 13 1918706393.doc 在召开自然科学家代表大会,各门科学家共聚一堂。他们申请出席作临时报告,要宣布一个重要的新发现。 瑞利走上讲台,宣布他和拉姆赛发现了一种新元素。他说:"这元素到处都有,从四面八方围绕着我们,和氧气氮气一样,都是空气的组成。"他还说:"在每立方米空气中大约有15克这种气体。计算下来,在我们开会的大厅中就有几十公斤这种气体。" 他们的报告震惊了到会的全体科学家。这是可能的吗,长期以来,人们不仅知道空气是由氧气和氮气组成的,而且还精确地测定了它们的组成比例。空气中含有0.03,的碳酸气,也早测出来了。难道还有含量高达1,的新气体,竟长期未被发现,真是不可思议~大家议论纷纷,有的赞赏,有的怀疑。 这个问题太重要了,于是决定半年以后召开关于氩的专门讨论会。 1895年1月31日,伦敦大学的讲堂里坐满了科学家。瑞利和拉姆赛走上讲台,详细报告了他们发现氩气的经过、实验装置和氩气的性质。 瑞利用土烟嘴当场证明了氩气的存在,大家就更加惊奇了。 瑞利做了一根夹层的套管,套管的外层是一根粗玻璃管,内层是8个土烟嘴接在一起,用胶粘成的一条细管子。土烟嘴就是英国人常用的那一种,表面没有上釉,因而管壁上有无数的细孔。套管夹层的两头,都用火漆封死。另外有一根管子一头通进夹层,另一头跟抽气泵相连接,可以把夹层内的气体抽掉。 瑞利往土烟嘴管的一头通人从空气中得到的氮气,气体由另一头出来的时候就少了许多。原来一部分气体穿过土烟嘴管壁的小孔,跑进夹层,被抽气泵抽走了。 瑞利取了1立方厘米剩下来的气体。当着大家的面称了一下,结果比1立方厘米普通的氮气重了12,,15,。 这个实验说明什么问题呢,为什么空气中的氮气通过了土烟管会变重呢, 解释只有一个,空气中的氮气不是纯粹的气体,而是氮气和某种更重的气体的混合物。在通过土烟管的时候,虽然它们都会透过土烟管的细孔,被抽掉一部分,但是轻的气体透过得快,重的气体透过得慢,结果在剩下的气体中,氮气占的比例减小了,氩气占的比例则大大增加了。 物理学家瑞利当众用物理方法——扩散法,也就是他在前几个月中研究成功的新方法,分离出空气中的氩气,证明了这种新气体的存在。 接着拉姆赛也走上了讲台,把他们用不同方法制成的氮气,当众做了各种表演实验。 在事实面前,大会的参加者公认了他们的新发现。 氩气的发现是从1.2508和1.2572之间的差数开始的。小数点后边第三位数字 Franc 14 1918706393.doc 的差别引出了氩气。 人们不禁想起100多年前的卡文迪许,他实际上已经捉住了氩气——一个小气泡,并且指出这个小气泡不跟氧气化合。但是他那时候还没有称量千分之几克的精密天平,也没有光谱分析法,他只好把这个小气泡放走了,没有能够真正的发现氩气。 19世纪末氩气的发现是精密度的胜利,是天平的胜利,是小数点后边第三位数字的胜利。 从天上来到人间 氩气的存在得到了公认。但是这仅仅是开始,拉姆赛还在继续研究氩气的各种性质。 1895年2月1日早晨,他接到伦敦化学教授亨利?梅尔斯的一封来信。信中说:"不知道您是否试验过氩气跟金属铀的反应,如果没有的话,我认为您应该试一试。1888-1890年间,美国地质学家希莱布兰德曾经把钇铀矿放在硫酸中加热,结果冒出来许多气泡。这种气体既不能自燃,又不能助燃。希莱布兰德当时认为这是氮气。不过也可能是氩气。我认为应该检查一下,说不定钇铀矿中含有铀和的氩的化合物~" 拉姆赛把手头的实验告了一个段落以后,立刻根据亨利?梅尔斯的提示进行研究。他派人找遍了伦敦的化学药品商店,才买到了1克钇铀矿。 一个新的实验开始了。拉姆赛的助手特莱凡斯把钇铀矿放在硫酸中加热,气泡冒出来了,收集到了几立方厘米的气体。 拉姆赛和特莱凡斯又用了整整4天的工夫,把气体中能跟其他物质化合的杂质除掉。实际上杂质很少,大部分是跟任何物质都不起反应的气体。 气体装进前面讲过的那种放电管中。通上高压电,气体放出光来。 拉姆赛用分光镜作检查的时候,本来以为会看到氩的谱线,但是出乎意料之外,他看到的是一条黄线和几条微弱的其他颜色的亮线。 拉姆赛想,可能是白金电极上沾了点钠盐,或是分光镜出了毛病。他仔细作了检查,并没有这一类问题。 那么就应该检查一下,这条黄线是不是与销的谱线重合了。拉姆赛于是故意在放电管内放进去一点钠,重新封好再观察它的光谱。 结果光谱中出现了钠的谱线,但是以前看到的黄线还在老位置上,在钠的谱线旁边。毫无疑问,这条黄线不是钠的,而是属于某一种别的物质的。这是一种什么物质呢, 拉姆赛把他所知道的各种物质的光谱都重新回忆了一遍,没有一种跟它相 Franc 15 1918706393.doc 似。经过长久的思索,他记起了詹森和罗克耶在27年前发现的太阳上的氦。氦的光谱不就是黄线吗~如果这条黄线跟那条黄线重合的话,那么钇铀矿中放出来的气体就既不是氮,也不是氩,而是太阳元素——氦了。 太阳元素就这样容易地找到了,这个结论是不是太大胆了,拉姆赛是十分严谨的科学家,他决定请他的朋友,当时英国最好的光谱学专家克鲁克斯(他曾经用光谱法发现了元素铊)帮忙。他派人把放电管送到克鲁克斯那里,并且附了一封信。他没有肯定说这是氦,而是说他找到一种新气体,建议叫做krypton(希腊文"隐藏"的意思)——我国译作"氪",请克鲁克斯仔细确定一下新气体的谱线的位置。 1895年3月23日早晨,拉姆赛正在自己实验室中研究这新气体的光谱,邮递员送来了一份电报,里面写着: "氢——这是氦,请过来看。克鲁克斯。" 太阳元素真的由天上来到人间了~ 拉姆赛立刻来到克鲁克斯那里,用克鲁克斯的精密的光谱仪仔细观察。的确,这气体正是氦。 当天,拉姆赛给法国科学院院长贝特罗拍了个电报,通知他说:氦在地球上发现了。 真是无巧不成书,就像詹森和罗克耶几乎同时发现太阳上的氦一样。在拉姆赛发现氦的两个星期以后,瑞典青年化学家兰格列也在党铀矿中找到了氦。他的老师克利夫把他的发现也报告给同一个贝特罗院长,发信的日期是1895年4月8日。 Franc 16
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