卡文迪许

卡文迪许 亨利?卡文迪许 一、生平简介 卡文迪许(Henry Cavendish,1731.10.10.～1810.3.10.)英国化学家、物理学家。公元1731年10月10日生于法国尼斯。1742—1748年他在伦敦附近的海克纳学校读。1749—1753 年期间在剑桥彼得豪斯学院求学。在伦敦定居后，卡文迪许在他父亲的实验室中当助手，做 了大量的电学、化学研究工作。他的实验研究持续达50年之久。1760年卡文迪许被选为伦敦皇家学会成员，1803年又被选为法国研究院的18名外籍会员之一。 公元1810年3月10日，卡文迪许在伦敦逝世，终身未婚。 二、科学贡献 卡文迪许的才能是多方面的。1784年左右他研究了空气的组成，发现普通空气中氮占五 分之四，氧占五分之一。他确定了水的成分，肯定了它不是元素而是化合物。他还发现了硝 酸。 卡文迪许生前在物理学方面发表的为数极少，一直到麦克斯韦审阅整理并出版了他 的手稿后，人们才知道他在电学方面作出了很多重要发现。他发现一对电荷间的作用力跟它 们之间的距离平方成反比，这就是后来库仑导出的库仑定律内容的一部分；他提出每个带电 体的周围有“电气”，与电场理论很接近；卡文迪许演示了电容器的电容与插入平板中的物质 有关；电势的概念也是卡文迪许首先提出的，这对静电理论的发展起了重要作用；他还提出 了导体上的电势与通过电流成正比的关系。 卡文迪许在热学理论、计温学、气象学、大地磁学等方面都有研究。1798年他完成最后的实验时，已年近七十。在物理学上他最主要的成就是通过扭秤实验验证了牛顿的万有引力 定律，确定了引力常数和地球平均密度。 推算地球密度：卡文迪许测量地球的密度是从求牛顿的万有引力定律中的常数着手，再 推算出地球密度。他的指导思想极其简单，用两个大铅球使它们接近两个小球。从悬挂小球 的金属丝的扭转角度，测出这些球之间的相互引力。根据万有引力定律，可求出常数G。根 据卡文迪许的多次实验，测算出地球的平均密度是水密度的5.481倍（现在的数值为5.517， 误差为14%左右），并确定了万有引力常数（他测得的引力常数G是(6.754?0.041)×10-8 达因?厘米2/克2，这个值同现代值(6.6732?0.0031)×10-8达因?厘米2/克2，相差无几），计算出了地球的质量。被誉为第一个称量地球的人。 卡文迪许验证万有引力定律的实验采用自己的“扭秤”为工具，后人称为著名的“卡 文迪许实验”。 三、趣闻轶事 1．最富有的学者，最博学的富豪 据说卡文迪许很有素养，但是没有当时英国的那种绅士派头。他不修边幅，几乎没有一 件衣服是不掉扣子的；他不好交际，不善言谈，终生未婚，过着奇特的隐居生活。卡文迪许 为了搞科学研究，把客厅改作实验室，在卧室的床边放着许多观察仪器，以便随时观察天象。 他从祖上接受了大笔遗产，成为百万富翁。不过他一点也不吝啬。有一次，他的一个仆人因 病生活发生困难，向他借钱，他毫不犹豫地开了一张一万英镑的支票，还问够不够用。卡文 迪许酷爱图书，他把自己收藏的大量图书，分门别类地编上号，管理得井井有序，无论是借 阅，甚至是自己阅读，也都毫无例外地履行登记手续。卡文迪许可算是一位活到老、干到老 的学者，直到79岁高龄、逝世前夜还在做实验。卡文迪许一生获得过不少外号，有“科学怪 人”，“科学巨擘”，“最富有的学者，最博学的富豪”等。 2．视名利如天上的浮云 有一次卡文迪许出席宴会，一位奥地利来的科学家当面奉承卡文迪许几句，他听了起初 大为忸怩，继而手足无措，终于坐不住站了起来，冲出室外径自坐上马车回家了。卡文迪许 沉默寡言，对慕名来访的客人常常一言不发陪坐在旁，脑中想着科学问，使一些帮闲文人 尴尬扫兴。他一生致力于科学研究，成果丰硕，但只发表过两篇并不重要的论文。 3．卡文迪许实验室 人们为纪念这位大科学家，特意为他树立了纪念碑。卡文迪许一生勤俭，逝世后留下了 大笔遗产，其中一部分由它的家族在1871年捐赠给剑桥大学创办卡文迪许实验室，这个实验 室曾经对物理科学的进步作出了巨大的贡献，先后培养出26名诺贝尔奖获得者。 4．沉睡了一百年的手稿 1810年卡文迪许逝世后，他的侄子齐治把卡文迪许遗留下的20捆实验笔记完好地放进了书橱里，谁也没有去动它。谁知手稿在书橱里一放竟是70年，一进到了1871年，另一位电学大师麦克斯韦应聘担任剑桥大学教授并负责筹建卡文迪许实验室时，这些充满了智慧和 心血的笔记获得了重返人间的机会。麦克斯韦仔细阅读了前辈在100年前的手搞，不由大惊失色，连声叹服说：“卡文迪许也许是有史以来最伟大的实验物理学家，他几乎预料到电学上 的所有伟大事实。这些事实后来通过库仑和法国哲学家的著作闻名于世。”此后麦克韦决定搁 下自己的一些研究课题，呕心沥血地整理这些手稿，使卡文迪许的光辉思想流传了下来。真 是一本名著，两代风流。不啻是科学史上的一段佳话． 卡文迪许，1731年出生在英国。他一生都在实验室和图书馆中度过，在化学、热学、电 学方面进行过许多实验探索。但由于他对荣誉看得很轻，所以对于发表实验结果以及得到发 现优先权却很少关心，致使其许多成果一直未被公开发表。直到19世纪中叶，人们才从他的手稿中发现了一些极其珍贵的资料，证实他对科学发展做出了巨大贡献。 卡文迪许最为人称道的科学贡献，首先是他最早研究了电荷在导体上的分布，并于1771年用类似的实验对电力相互作用的规律进行了说明。他通过对静电荷的测定研究，在1777年向皇家学会提出的中说：“电的吸引力和排斥力很可能反比于电荷间距离的平方。如果 是这样的话，那么物体中多余的电几乎全部堆积在紧靠物体表面的地方。而且这些电紧紧地 压在一起，物体的其余部分处于中性状态。”与此同时，他还研究了电容器的容量；制造了一 整套已知容量的电容器，并以此测定了各种仪器样品的电容量。而且预料到了不同物质的电 容率，并测量了几种物质的电容率，初步提出了“电势”概念。 卡文迪许毕生致力于科学研究，从事实验研究达50年之久，性格孤僻，很少与外界来往。 卡文迪许的主要贡献有：1781年首先制得氢气，并研究了其性质，用实验证明它燃烧后生成 水。但他曾把发现的氢气误认为燃素，不能不说是一大憾事。1785年卡文迪许在空气中引入电火花的实验使他发现了一种不活泼的气体的存在。他在化学、热学、电学、万有引力等方 面进行地行多成功的实验研究，但很少发表，过了一个世纪后，麦克斯韦整理了他的实验论 文，并于1879年出版了名为《尊敬的亨利?卡文迪许的电学研究》一书，此后人们才知道卡 文迪许做了许多电学实验。麦克斯韦说：“这些论文证明卡文迪许几乎预料到电学上所有的伟 大事实，这些伟大的事实后来通过库仑和法国哲学家们的著作而闻名于科学界。” 早在库仑之前，卡文迪许已经研究了电荷在导体上的分布问题。1777年，他向皇家学会提出报告说：“电的吸引力和排斥力很可能反比于电荷间距离的平方，如果是这样的话，那么 物体中多余的电几乎全部堆积在紧靠物体表面的地方，而且这些电紧紧地压在一起，物体的 其余部分处于中性状态。”他还通过实验证明电荷之间的作用力。他还早于法拉第用实验证明 电容器的电容取决于两极板之间的物质。他最早建立电势概念，指出导体两端的电势与通过 它的电流成正比（欧姆定律在1827年才确立）。当时还无法测量电流强度，据说他勇敢地用 自己的身体当作测量仪器，以从手指到手臂何处感到电振动来估计电流的强弱。 卡文迪许的重大贡献之一是1798年完成了测量万有引力的扭秤实验，后世称为卡文迪许 实验。他改进了英国机械师米歇尔（John Michell，1724～1793）设计的扭秤，在其悬线系 统上附加小平面镜，利用望远镜在室外远距离操纵和测量，防止了空气的扰动（当时还没有 真空设备）。他 卡文迪许 用一根39英寸的镀银铜丝吊一6英尺木杆，杆的两端各固定一个直径2英寸的小铅球，另用两颗直径12英寸的固定着的大铅球吸引它们，测出铅球间引力引 起的摆动周期，由此计算出两个铅球的引力，由计算得到的引力再推算出地球的质量和密度。 他算出的地球密度为水密度的5.481倍（地球密度的现代数值为5.517g／cm3），由此可推算出万有引力常量G的数值为 6.754×10-11 Nm2/kg2（现代值前四位数为6.672）。这一实验的构思、设计与操作十分精巧，英国物理学家J.H.坡印廷曾对这个实验下过这样的评语：“开 创了弱力测量的新时代”。 卡文迪许在1766年发表了《论人工空气》的论文并获皇家学会科普利奖章。他制出纯氧， 并确定了空气中氧、氮的含量，证明水不是元素而是化合物。他被称为“化学中的牛顿”。 卡文迪许一生在自己的实验室中工作，被称为“最富有的学者，最有学问的富翁”。卡文 迪许于公元1810年3月10日去世。 后来，他的后代亲属德文郡八世公爵S.C.卡文迪许将自己的一笔财产捐赠剑桥大学于 1871年建成实验室，它最初是以 H.卡文迪什命名的物理系教学实验室，后来实验室扩大为 包括整个物理系在内的科研与教育中心，并以整个卡文迪许家族命名。该中心注重独立的、 系统的、集团性的开拓性实验和理论探索，其中关键性设备都提倡自制。近百年来卡文迪许 实验室培养出的诺贝尔奖金获得者已达26人。麦克斯韦、瑞利、J.J.汤姆逊、卢瑟福等先后主持过该实验室。