惰性气体的故事
1904年,为了表彰瑞利发现了惰性气体——氩这一重要成就,将诺贝尔物理学奖授予了英国皇家研究所的瑞利勋爵(LordRayleigh,1842-1919年)。
瑞利原名约翰·威廉·斯特拉特(John William Strutt),尊称瑞利男爵三世(Third Baron Rayleigh),1842年11月12日出生于英国埃塞克斯郡莫尔登(Malden)的朗弗德林园。瑞利的幼年和青年时期身体虚弱,学习因病时常中断。瑞利10岁时在伊顿公学度过的一段时间大部分是住在学校的疗养院中。1861年瑞利进入剑桥大学的三一学院攻读数学。开始时他的学业比不上学习最好的同学,但是不久他那突出的才能就使他超过了他的竞争者。1865年他通过了高年级学生的数学学位考试,是一等及格者和斯密斯奖获奖人。
出身名望贵族的瑞利以严谨、广博、精深著称,并善于用简单的设备做实验而能获得十分精确的数据。气体密度测量本来是实验室中的一件常规工作,但是瑞利不放过常人不当回事的实验差异,终于作出了惊人的重大发现。这就是1892年瑞利从密度的测量中发现了第一个惰性气体——氩。
自从门捷列夫周期表提出以后,科学家对寻找新的元素以填补周期表上的空缺,表现出了很大的积极性。但是,人们没有想到,竟然在周期表上遗漏了整整一族性质特殊的惰性气体。
1882年,瑞利为了证实普劳特假说,曾经测过氢和氧的密度。经过长期的测定,他得到氢和氧的原子量之比实际是1∶15.882,而不是1∶16,。测定了氮的密度以后,他发现从液态空气中分馏出来的氮,跟从亚硝酸铵中分离出来的氮,密度有偏差。空气中分馏出来的氮,密度为1.2572g/cm3,而用化学方法从亚硝酸铵直接得到的氮,密度却为1.2505g/cm3。两者数值相差千分之几,在小数点后第三位不相同。他认为,这不可能是实验造成的误差。为此他先后提出过几种假说来解释造成这种不一致的原因。其中有一种是认为在大气中的氮还含有一种同素异形体,就像氧和臭氧那样,这种同素异形体混杂在大气氮之中,而从化学方法所得应该就是纯净的氮。于是,瑞利仿照假定了氮的同素异形体,并以此发表了一篇论文。可是论文发表后没有引起人们的普遍注意,只有化学家拉姆塞(W.Ramsay)表示有兴趣和他合作进一步研究这一问题。拉姆塞重复了瑞利的实验,宣布证实了瑞利的结果,肯定有N3的存在。两位科学家在经过严密的计算后,在1894年确定所谓的N3并不是氮的同素异形体,而是一种特殊的,从未观察到的不活泼的单原子气体,其原子量为39.95,在大气中约含0.93%。他们取名为氩,其希腊文的原意是“不活泼”的意思。第一个惰性气体就这样被发现了。这种普遍存在的大气成分,存在于人类身边,多少科学家在分析空气时,都错过了发现的机会。瑞利之所以能有这样的发现,与他平时严谨的科学态度、认真的周密研究是分不开的。假如他把千分之几的偏差简单地归于实验误差,就会轻易地失之交臂。瑞利和拉姆塞发现氩的过程,历经了十年之久的平凡琐碎的化学实验工作,他们付出巨大劳动,才终于取得有历史意义的重大成果。
在发现氩之后,拉姆塞在瑞利的协助下又发现了氦、氪和氖。据说,拉姆塞在研究其他惰性气体时,曾将百余升的液态空气慢慢蒸发,逐步检查,才得以对空气的组成作出明确的判定。科学界对瑞利和拉姆塞的功绩作了充分的肯定,因此瑞利和拉姆塞在1904年分别被授予诺贝尔物理学奖和化学奖。
瑞利于1919年去世,比拉姆塞晚逝3年,享年77岁。据拉姆塞的学生特拉弗斯回忆说,瑞利与拉姆塞之间往返信件极多,彼此关系十分融洽,“绝少猜疑,也无不正当的行为”,共同为科学而努力,毫无名利之争。瑞利逝世后,他的实验室曾供科学界参观,凡是来访问的科学家,对瑞利所用仪器的简单莫不惊异。瑞利实验室中的一切重要设备虽外形粗糙,但都制造得十分精密。瑞利就是用这些仪器做了极为出色的定量分析。后人经常记起这位伟大科学家的名言:一切科学上的最伟大的发现,几乎都来自精确的量度。