在地球上找到氦

第二节　在地球上找到氦

一、读者的来信

罗克耶在发现氦的第二年（1869年），便在英国创办了一种名叫《自然》科学杂志，这种杂志很有价值，一直出版到现在。全世界的物理学家与化学家，没有一个不看这本杂志的。

1892年，英国的《自然》杂志的9月号上刊登了一篇读者来信，信中说：“我对于最近测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”。

瑞利是英国剑桥大学的物理学教授。从1882年开始，他就一直致力于研究各种气体的密度。虽然在此前一个世纪，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。

气体密度可以用1升气体的质量，以克数计算。气体的体积会随着温度与压力而变化，所以必须规定一个公认的标准状态，气体的密度是在0℃与1个大气压下，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。这就能够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。

这个实验说来简单，做起来却不容易。由于气体实在太轻，所以误差往往很大，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。

氢气与氧气都测准了，但是测量氮气的时候出了问题。

空气是氧气与氮气组成的，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，这时氧气会和铜化合，生成氧化铜，剩下的就是氮气了。测量这种氮气的密度，结果是1.2572克每升。

瑞利又把氧气通过浓氨水，得到氧气与氨气的混合气。把混合气通过赤热的氧化钢管，氨气和氧气反应，生成水与氮气。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。

为什么两种不同氮气仅仅是来源不同，密度就不一样呢？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，希望全世界的科学家一同来解答这个难题。可是一封回信也没收到。

二、雪中送炭的化学家

一个真正的科学家是不会漠视一个问题存在而不去解答的。遇到实验中出现的反常现象又得不到解答，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，与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。

瑞利用加热亚硝酸钠的方法制造氮气，用赤热的铁屑还原一氧化氮与笑气（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，密度与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，他说：“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。”瑞利十分高兴拉姆赛能跟他合作来研究这个问题。于是，物理学家与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与资料，都保存得十分好。

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，感到十分惊讶。

卡文迪许是个什么人呢？他做了一个什么样的实验呢？

三、小气泡和科学怪人

卡文迪许是生活在18世纪末英国伦敦的一位著名的化学家。他行为怪异，一辈子没有结婚，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。

卡文迪许是个很有钱的贵族，却不喜欢也不善于交际。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与图书。他在自己家中建立了实验室与图书馆。随便什么人都能够去他的图书馆借书，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。50年之后，他的实验记录才由物理学家麦克斯韦整理并发表。每个科学家看了他的工作都大为敬佩，发现后辈科学家做的许多实验，原来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与氧气，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。

瑞利从英国皇家学会1784年与1785年两年的年报中，找出了卡文迪许的论文，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，因为那时候很多物质的命名是当时特有的。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入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，圆玻璃板与毛皮不断地摩擦，摩擦生的电通过导线，积累在水银杯里。过了一段时间，玻璃弯管内产生一闪一闪的电火花，同时出现红色的烟雾，这是管内空气中的氧气与氮气有一小部分化合生成的二氧化氮。

卡文迪许再将苛性钠（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。卡文迪许与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，空气中的氧气全都和氮气化合了，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。新加入的氧气又和剩余气体化合，体积又缩小了一些。

卡文迪许与他的仆人轮流不停地摇着起电器，将这个实验一连做了三个星期。最后，弯玻璃管中只剩下一个很小的小气泡。这是一个很顽固的小气泡，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”（草木灰的浸出液和硫黄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非常详细。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和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和氧气化合。”最后，卡文迪许做出结论：“空气中的浊气不是单一的物质，还混有一种不和氧气化合的浊气，总量不超过全部空气的1／120。”

“啊！原来是这样！”瑞利非常激动，他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。

四、重找小气泡

这时问题渐渐明晰起来，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。

相比较而言，比较时代不同了，瑞利做实验要比卡文迪许容易多了。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，烧瓶内通入两根金属导线，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与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，能够喷入苛性钠溶液来快速吸收掉生成的二氧化氮，也能够往瓶内送入氧气与补充新的空气。

通过这个装置，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。

尽管有了改进后的装置，为了得到足够供实验用的气体，瑞利还是干了好几个月。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。

拉姆赛采用的是另一种方法。他发现氮气与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、二氧化碳与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。

拉姆赛并不满于这个结果。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。

卡文迪许的小气泡终于得到了。至于这是一种什么气体呢，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，发现光谱中有橙色与绿色的谱线。这是已知的元素所没有的谱线，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就不是纯粹的了，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，物理学家与化学家合作，又一次取得了惊人的发现。

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。

那么它能跟哪些物质化合呢？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”。

五、第三位小数的胜利

1894年8月7日，拉姆赛与瑞利协商，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，宣布他与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，与氧气、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。这是真的吗？长期以来，人们不仅知道空气是由氧气与氮气构成的，而且还精确地测定了它们的构成比例。空气中含有0.03%的碳酸气（即二氧化碳），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气的专门讨论会。

半年之后的1895年1月31日，伦敦大学的讲堂里再次坐满了科学家。瑞利与拉姆赛走上讲台，详细报告了他们发现氩气的经过、实验装置与氩气的性质。

瑞利用土烟嘴当场证明了氩气的存在，大家就更加惊奇了。

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，能够把夹层内的气体抽掉。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。

瑞利往土烟嘴管的一头通入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毫升剩下来的气体。当着大家的面称了一下，结果比1毫升普通的氮气重了12%～15%。这个实验结果的解释只有一个，空气中的氮气不是纯粹的气体，而是氮气与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他在前几个月中研究成功的新的物理方法——扩散法，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与1.2572之间的差数开始的。小数点后边第三位数字的差别引出了氩气。

这个发现让人们不禁想起了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，没有可以真正的发现氩气。

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。