□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(gè)真正的科學(xué)家，是不會(huì)輕易放過(guò)實(shí)驗(yàn)中所出現(xiàn)的每個(gè)反常現(xiàn)象的。惰性元素的發(fā)現(xiàn)充分顯示了堅(jiān)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(diǎn)是細(xì)心觀察，其實(shí)不盡然，科學(xué)精神還表現(xiàn)為與時(shí)俱進(jìn)，不斷開(kāi)拓創(chuàng)新……

科學(xué)怪人“怪”實(shí)驗(yàn) 空管何來(lái)“小氣泡”

十八世紀(jì)末，英國(guó)倫敦住著一位“科學(xué)怪人”，他就是卡文迪許。卡文迪許的“怪”，不但是因?yàn)樗惠呑記](méi)有結(jié)婚，更主要的是，他身為一個(gè)貴族，雖然很有錢(qián)，卻不喜歡交際，甚至一見(jiàn)到婦女就說(shuō)不出話來(lái)?？ㄎ牡显S的錢(qián)都用來(lái)買(mǎi)科學(xué)儀器和圖書(shū)，還在自已家里建立了實(shí)驗(yàn)室。

1784年的一天，卡文迪許取來(lái)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(dòng)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(guò)導(dǎo)線積累在水銀杯里。過(guò)了一段時(shí)間，玻璃彎管內(nèi)就出現(xiàn)了閃電火花，同時(shí)出現(xiàn)紅色的煙霧，這是因?yàn)楣軆?nèi)空氣中的氧氣和氮?dú)庥幸恍〔糠只铣闪硕趸省?/p>

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(shí)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?dú)饣希傻亩趸侄急豢列遭c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(shí)候，卡文迪許向玻璃管內(nèi)又送進(jìn)一些氧氣，再開(kāi)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(gè)星期。最后，彎玻璃管中只剩下一個(gè)很小的氣泡。這個(gè)小氣泡很頑固，無(wú)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?yàn)榭ㄎ牡显S在玻璃管中加入了一點(diǎn)多硫化鉀，把多余的氧全部吸收掉了。

卡文迪許的實(shí)驗(yàn)記錄十分詳細(xì)。他寫(xiě)道：“在彎玻璃管里剩下來(lái)一個(gè)小氣泡，這是由于某種特殊原因不與氧氣化合而剩下來(lái)的濁氣（氮?dú)猓?。它不像普通的濁氣，而是另一種濁氣，因?yàn)槭裁礃拥碾娀鸹ǘ疾荒苁顾c氧氣化合?！弊詈笏鞒鼋Y(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(guò)全部空氣的1/120。”

這個(gè)“小氣泡”究竟是什么氣體？不但與卡文迪許同時(shí)代的科學(xué)家們都不明白，而且百多年來(lái)也無(wú)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(shí)驗(yàn)》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(guó)出版的世界聞名的《自然》雜志9月號(hào)突然刊登了一封讀者來(lái)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?dú)?，但它們的密度總不一樣，既是同一物質(zhì)，為什么會(huì)有兩種密度呢？

瑞 利

1892年9月24日

瑞利是英國(guó)著名的物理學(xué)家。他信中提到的氮?dú)狻懊芏瓤偛灰粯印笔窃趺匆换厥履?？這就說(shuō)來(lái)話長(zhǎng)了。瑞利私人實(shí)驗(yàn)室里有當(dāng)時(shí)最精密的天平，其靈敏度能精確到0.1毫克。

當(dāng)時(shí)，瑞利正在用這種精密天平測(cè)量氣體的密度。測(cè)量時(shí)，首先需要用幾種不同的方法制取同一種氣體，然后分別測(cè)定其密度。如果它們之間的誤差極小，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)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(cè)得的密度值完全相等。但是，他在測(cè)定氮?dú)饷芏葧r(shí)卻得到一個(gè)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?dú)?。一種是讓空氣通過(guò)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?dú)狻Ａ硪环N是讓氨和氧混合氣體通過(guò)赤熱的氧化銅（催化劑），氨就被氧化而生成氮?dú)夂退?。除去反?yīng)物中的水蒸氣后，也能夠得到純凈的氮?dú)狻?/p>

在測(cè)定中，瑞利用第一種方法制得氮?dú)獾拿芏仁?.2572克/升，用第二種方法制得氮?dú)獾拿芏仁?.2508克/升。兩種方法制得的都是純凈的氮?dú)猓瑸槭裁此鼈兊拿芏葏s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(wàn)分之一克，它絕對(duì)不會(huì)給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)這樣大的誤差。

他反復(fù)做了多次實(shí)驗(yàn)，依然一無(wú)所獲。

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

一個(gè)真正的科學(xué)家是不會(huì)輕易放過(guò)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的反?，F(xiàn)象的。問(wèn)題得不到解答，瑞利就繼續(xù)把實(shí)驗(yàn)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?dú)猓陀贸酂岬你~屑除掉空氣中的氧氣而制得氮?dú)庖粯?，密度仍然是每?.2572克。

瑞利用加熱亞硝酸胺的方法制造氮?dú)猓贸酂岬蔫F屑還原一氧化氮和笑氣（氧化亞氮）制造氮?dú)?，用次溴酸鈉分解尿素制造氮?dú)?，結(jié)果是這些化合物分解出來(lái)的氮?dú)猓涿芏扰c從氨氣分解出來(lái)氮?dú)獾拿芏纫粯?，都是每?.2508克。

他又埋頭做了兩年的實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確地證明了：由氮的各種化合物制成的氮?dú)饷芏榷家粯?，比由空氣中分離出來(lái)的氮?dú)廨p0.5%。

1894年4月19日，瑞利在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)上作了報(bào)告，詳細(xì)地介紹了實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果，特別是他的“困惑”。

報(bào)告結(jié)束后，化學(xué)家拉姆塞主動(dòng)來(lái)找瑞利，說(shuō)兩年前就看到過(guò)他那封信。但當(dāng)時(shí)還不清楚為什么氮?dú)鈺?huì)有兩種不同的密度?，F(xiàn)在明白了：他推斷空氣中的氮?dú)庖欢ㄟ€含有一種較重的氣體，并表示愿意與瑞利合作。

在這次會(huì)議上，物理學(xué)家杜瓦更向他們提供了一個(gè)重要線索，也就是本文開(kāi)始時(shí)介紹的卡文迪許實(shí)驗(yàn)。瑞利聽(tīng)后喜出望外，因?yàn)樗壳熬驮谝赃@位老前輩命名的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。當(dāng)然，由于時(shí)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(fèi)勁的手搖起電器了，并改進(jìn)了裝置。幾個(gè)月之后，他就得到了足夠?qū)嶒?yàn)用的“小氣泡”。

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(guò)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(guò)赤熱的鎂屑，氣體的體積又縮小了些。在第三次通過(guò)赤熱鎂屑之后，拉姆塞把剩下的氣體拿出來(lái)測(cè)定它的密度。普通氮?dú)獾拿芏仁菤錃獾?4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?dú)庵氐臍怏w。

他并沒(méi)有滿足這個(gè)初步成績(jī)，而是把剩下的氣體一次又一次地通過(guò)裝有赤熱鎂屑的瓷管，結(jié)果每通過(guò)一次氣體的體積總要縮小點(diǎn)，密度總要增大點(diǎn)，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(jì)算了一下，剩下的氣體的體積是原來(lái)空氣中氮?dú)怏w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(méi)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(shí)是一種新的元素。

瑞利在兩年前提出的問(wèn)題，現(xiàn)在完全弄清楚了。用氮的化合物制成的是純粹的氮?dú)猓拿芏葹槊可?.2508克。而由空氣中得到的氮?dú)獠⒉患兇?，里面混有少量密度為每?.9086克的未知?dú)怏w，因而這種不純的氮?dú)獾拿芏仁敲可?.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?dú)夥珠_(kāi)。

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(gè)名字叫做argon（希臘文“懶惰”的意思）——我國(guó)譯作“氬”。

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