小氣泡大發現（上）——惰性氣體元素發現的思考

□王震元

小氣泡大發現（上）
——惰性氣體元素發現的思考

□王震元

一個真正的科學家，是不會輕易放過實驗中所出現的每個反常現象的。惰性元素的發現充分顯示了堅持科學精神的重要性。人們往往認為，科學發現的起點是細心觀察，其實不盡然，科學精神還表現為與時俱進，不斷開拓創新……

科學怪人“怪”實驗 空管何來“小氣泡”

十八世紀末，英國倫敦住著一位“科學怪人”，他就是卡文迪許。卡文迪許的“怪”，不但是因為他一輩子沒有結婚，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。卡文迪許的錢都用來買科學儀器和圖書，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，這樣摩擦產生的電通過導線積累在水銀杯里。過了一段時間，玻璃彎管內就出現了閃電火花，同時出現紅色的煙霧，這是因為管內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。這時候彎管內的氣體體積就縮小了一些。卡文迪許和他的仆人輪流不停地搖著起電器，讓玻璃管內不斷地放電。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又送進一些氧氣，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。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。”最后他作出結論：“空氣中的濁氣不是單一的物質，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。”

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家們都不明白，而且百多年來也無人能回答。隨著這位“科學怪人”的離去，他那篇《關于空氣的實驗》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，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時最精密的天平，其靈敏度能精確到0.1毫克。

當時，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，說明實驗結果可靠，就能被得到公認。

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果帶來這樣大的誤差。

他反復做了多次實驗，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？

一個真正的科學家是不會輕易放過實驗中出現的反常現象的。問題得不到解答，瑞利就繼續把實驗做下去。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，瑞利在英國皇家學會上作了報告，詳細地介紹了實驗過程和結果，特別是他的“困惑”。

報告結束后，化學家拉姆塞主動來找瑞利，說兩年前就看到過他那封信。但當時還不清楚為什么氮氣會有兩種不同的密度。現在明白了：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發黃的論文，并進行重復實驗。當然，由于時代的進步，瑞利已經可以用振蕩線圈產生高壓電代替費勁的手搖起電器了，并改進了裝置。幾個月之后，他就得到了足夠實驗用的“小氣泡”。

拉姆塞用的是另一種方法，他將已經除去水汽、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光。用分光鏡檢查，發現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，物理學家和化學家緊密合作，取得了驚人的發現。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，都不發生化學反應。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起反應。根據這種特性，科學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，倫敦大學大講堂里座無虛席。瑞利和拉姆塞進一步運用物理方法——“擴散法”當場向科學家們證明了氬氣的存在。（未完待續）