科学家都有许多优秀的品质,明晰的洞察力,敏锐的思考秉性,是他们成功的要素之一。因此,科学家从来不会放过蛛丝马迹,一定要寻根究底,弄它个水落石出。
现在我们就来说一个关于小气泡的故事。
18世纪,有一个英国人,他叫卡文迪什,是一位特别擅长研究气体的化学家。他曾详细地研究过氢气,并采用排水银集气法收集和研究了二氧化碳。他还研究了氢气和氧气化合的体积比,并确认大约2体积氢气和1体积氧气化合,生成物只有水等等。他的这些实验成果和研究的结论,都为发现氢是一种元素,否定水是一种单质及推翻当时的伪学说“燃素说”,提供了科学根据。
既然卡文迪什成天跟气体打交道,他必然也要拿空气、氮气(比确认氢气晚6年,比确认氧气早6年的时间确认的)等气体做实验。一次,卡文迪什利用放电的方法研究氢气、氧气和空气。结果,他发现了用空气做实验时,当其中的氢气、氧气和氮气(未被确定前叫“浊气”)及二氧化碳无可怀疑的都被消耗完了时,总会剩下一个小气泡,它的体积小得不足原有空气体积的1/120。
卡文迪什和他的助手,当时做这个实验是十分艰苦的,由于他们用的是手摇静电起电机(不是现今的发电机),摇一阵子才能有一次火花放电,就在这一条件下,一次实验要不断地手摇,经过二十多天,方有结果。为了证实的确最后会剩留下一个小气泡,仅有一轮实验是不足为凭的。科学家就是那样的认真,绝不放过那一丁点的蛛丝马迹。
我们现在知道,那空气中所含的,不足百分之一的气体,是稀有气体(氩、氖、氦、氪、氙)。
可惜的是,那时卡文迪什还没有从燃素说的影响中解脱出来,认为那是不同于“浊气”(氮气)的另一种“浊气”。
卡文迪什本人还有一个怪脾气,就是非常不善于在社交活动中跟人交谈,几乎整天呆在实验室里。就这样,他不仅能把实验做得很精确,而且实验的记录都写得详细,但却很少发表。他拿不准的事(诸如那个小气泡)更不会轻易地公开了。卡文迪什的实验记录,是他死后50多年,由别人整理发表的,这个小气泡的问题(它到底是什么?)也就被积压到100多年后的公元1894年,才又引起了人们的注意。
稀有气体在空气中的含量实在太少了,它的性质又是那样的特别,要让从来不知有其物的人发现它,真是一件难以开始事。后来又是由于一点蛛丝马迹,才让人又想起了卡文迪什的发现。这还是从研究气体(包括空气)旧事重提的。
19世纪,继任剑桥大学卡文迪什实验室主任的英国物理学家瑞利,决定重新测定各种气体的密度,前后用了十多年的时间。由于他工作十分认真,加之有比过去更为精密的实验仪器,很多数据,经他之手而得到修正。
瑞利测定的气体样品,总是每种都从各种途径来制取,分别提纯,分别测定,直到结果完全一致,才确认是可取的数据。
瑞利测定氮气密度时,一种方法是从空气中提取氮气。他用化学方法除掉了空气中的氧气、二氧化碳等气体后,剩下的气体(氮气)密度是每升1.2572克。另一种方法是用氨气(NH3)分解(实际做法是氧化去氢)制氮气,但这一氮气的密度是每升1.2508克。两个数据相差只有0.0064克。几次重做,结果都是如此。
瑞利在这只有千分之五的微小差别面前,从头检查实验过程,确认无误,又用化学方法测定两种来源不同的氮气,并没有发现其中含有杂质。尽管瑞利对此百思不得其解,但他仍不放过这一问题,他写信给一家科学杂志社,介绍了实验情况,征求读者的解答,又在英国皇家学会的一次会议上,宣读了他的实验报告。
这种事情,放在常人眼前,会被看作微不足道,而瑞利的如此严谨认真,终于在科学上有了重大的发现。
1984年,就在瑞利宣读了实验报告后,苏格蓝的化学家莱姆塞,以过人的想象力告知瑞利说,这种由空气而得到的氮气里,一定含有一种未知的密度较大的气体。与此同时,他们又从别人那里得到了一个重要线索,那就是100多年前卡文迪什发现了的小气泡。
很快他们找出了卡文迪什的实验记录,瑞利照着做了,不用多久,果然得到了卡文迪什所说的那个小气泡。莱姆塞则用赤热镁粉吸收氮气的方法,也从空气中得到一种密度是氢气的19.086倍的气体。他们坚信,这是一种新的特殊气体,在各种条件下,跟所有金属、非金属都不发生化学反应。由此可以肯定它是一种元素,是跟以往所发现的元素不同,不是金属也不是非金属的品种的新元素。
1894年的8月13日,他们在英国的科学城牛津,召开的自然科学家代表大会上,正式宣布发现了一种奇怪的新元素,并由大会公认给这种气体元素起了个名字,叫做“迟钝者”,用中文汉语音译叫“氩”。
其实1894年所发现的氩气,并不是纯净的氩气,而是五种稀有气体元素氦、氖、氩、氪、氙的混合物,只是其中氩的含量最多,它占空气中全部稀有气体体积的99.74%。
后来,莱姆塞的助手在莱姆塞的指导和委托下,终于又从空气中发现了另外四种稀有气体元素。