数理化通俗演义：第44章 踏破铁鞋得来却在故纸里 种瓜得豆辛苦总会有收成

第44章 踏破铁鞋得来却在故纸里 种瓜得豆辛苦总会有收成

——惰性气体的发现

上回说到天文学家让逊和洛克尔在日食光中发现一种新谱线，给物理学家出了一个难题，有好几年谁也无法解释。人们只好猜测太阳里可能有一种新元素，于是就把它定名为“氦”（希腊文太阳之意）。谁知一波未平，一波又起。1892年，洛克尔突然收到一封信，信中提出一个无法解释的疑团，洛克尔就干脆把它发表在自己主办的《自然》杂志九月号上：

今有一事特向贵刊和贵刊的读者求教。我最近多次用两种方法制取氮气，但它们的密度总不一样。既是同一物为什么会有两种密度呢？

瑞利

1892年9月24日

各位读者，你知道这个瑞利（1842—1919）是谁？他是英国剑桥大学的教授。

此人有极好的耐心，因此他也就选了一个极要耐心的研究题目，那就是测量各种气体的密度（密度是指一升气体在0摄氏度和一个大气压下的质量）。而他的实验室里也有当时极好的一架天平，灵敏度可达到万分之一克。他制作了一个大玻璃球，用真空泵将球内空气抽空，称出球重，算出体积，再充进各种气体，称出净重，求出密度。干这种重复枯燥的事，他真能不厌其烦。每种气体都要称几次，而且气体每次都得以不同方法制得，如果测量结果都一致了，这才放心。他就这样称了氢气又称氧气，称了氧气又称氯气，称了氯气又称二氧化碳，对着那个玻璃球，抽了又充，充了又称，称了再算，从1882年开始一直干了整整十年。这工作虽然枯燥，但那些气体在他的手中都有了个精确的密度，内心倒也十分愉快。

不想到第十个年头上，瑞利这个办法再也不灵了。他测氮气密度，第一个办法是让空气通过烧得红热的装满铜屑的管子，氧与铜生成氧化铜，剩下的就是氮气，密度为每升1.2572克。第二个办法是让氧气通过浓氨水，生成水和氮气，这种氮气的密度为每升重1.2560克，比空气中的氮轻了0.0062克。瑞利百思不解，便向《自然》杂志写了以上那封信。信发表后，瑞利一面盼着回音，一面不停地重复这个实验。谁知道这个0.0062就像鬼影一般，挥之不去，闭眼又来。直气得他真想把那个玻璃球一拳砸烂。小数点后面三位的小误差，这在一般人也就算了，但是细心的瑞利却绝不肯放它过去。而他的信在杂志上公布了两年，竟没有收到一封回信。瑞利实在等不得了，便带上他的仪器直闯皇家学会。1894年11月19日，他向许多化学家、物理学家当面做了一个关于“两种氮气”的报告。这一招还真灵，报告刚完，便有一个化学家拉姆赛（1852—1916）自告奋勇出来帮忙，他说：“两年前我看到你那封信还没有弄懂其意，今天我明白了，你从空气中得到的氮气一定含有杂质，所以会密度稍大。”这真是响鼓不用重槌，明人不用多说，瑞利恍然大悟：杂质不就是未发现的新物质吗？原来一块新大陆正在召唤他呢！瞬间，心头的愁云早已化成了眉梢上的笑意。他想，或许我已经抓住新元素的尾巴了。这瑞利正喜不自禁，突然有一个叫杜瓦的物理学家又走上前来将他的肩膀拍了一把：“老兄，这个问题卡文迪许早在一百多年前就曾提出过，我建议您去查查他留下来的笔记，或许能帮您一把。”卡文迪许（1731—1810），瑞利现在就正在卡文迪许实验室工作，那些旧笔记就锁在他手边的柜子里。他一听这话更是喜上加喜，连忙喊道：“我现在就收拾东西回剑桥去。”

各位读者，你知道这卡文迪许何许人也？他可算得上科学史上的一个怪人。

他出身贵族，很有钱，但是一不做官，二不经商，三不交际。他把钱都用来买科学仪器和图书。他还盖了一个很像样子的私人图书馆，任何人都可以来借书，但是一定要按时归还，就是他自己看书也要先打个借条，办个手续。他的穿戴全是上个世纪的打扮，所以一出门就有许多小孩子跟在后面，又叫又笑。他一辈子没有结婚，不知缺根什么神经，从心里厌恶女人，家里用着女仆，但又规定不许与他见面。每天早晨，他将吩咐女仆办的事写在纸上，放在固定地方。吃饭时女仆先摆好饭菜退出餐厅，他再进来落座。他离开后，才许女仆进来收拾餐具。一天，他在楼梯上与女仆偶然相遇，一时竟气得发抖，返身找到管家，命令再造一个楼梯，男女各行其便。他思维怪异，一生发现甚多，比如：第一个从水中电解出氢、氧，并测出比例；第一个测出地球的密度等等。但是他又极少公开发表，宁肯让这许多成果掩藏在尘封土埋的笔记本里。直到他死后50年，麦克斯韦受命筹建卡文迪许实验室，才十分吃力地将这些“天书”一本本地整理发表。这件事，着实使那个极聪明的麦克斯韦晚年耗费了许多的精力。再说瑞利连忙赶回剑桥，一进实验室就开箱启柜，抱出那一摞摞纸色变黄的笔记，终于在皇家学会1784年和l785年的年报中找见卡文迪许的一篇《关于空气的实验》，而在他的笔记中又读到了更详细的实验记录。原来这个怪人想出了这样一个怪办法，他将一个U形管的两头浸在两个装有水银的酒杯里，架起一个天桥，再用当时还原始的摩擦起电机从两头通电，U形管中的氧气和氮气在电火花一闪时便化合成红色的二氧化氮，接着滴进一种特殊溶液将其吸收，再通氧，再化合，如此反复多次。卡文迪许和他的助手轮流摇起电机，整整摇了三个星期，最后弯管中还剩下一个很小的气泡，任你怎样通电，它也再无丝毫的表示。卡文迪许当时就断定，看来空中的氮气（当时叫浊气）不是单一物质，一定还有一种不与氧化合的气体，而且他还算出了这种气体不会超过全部空气的一百二十分之一。

啊，原来如此。这真是：

踏破铁鞋无寻处，得来却在故纸中。

却说瑞利找见卡文迪许的笔记，喜得手直发痒，立即架起仪器，重做这个109年前的气泡试验。不过，他现在已有了最新设备，这气泡立时就得。他又将此事通知拉姆赛，拉姆赛用其他方法也获得了同样的气泡。看来，这东西肯定是一种未发现的元素了，而且十有八九就是洛克尔和让逊在太阳上发现的那个氦。

现在又用得上基尔霍夫发明的那个雪茄烟盒子照妖镜了。他们兴冲冲地取来分光镜，谁知不照犹可，一照忽如一盆凉水贴着半个身子从头到脚淋了下来。读者或许要问，怎么会是半边凉呢？原来瑞利满以为这回他一定捕到了那个已有26年没有归案的逃犯——氦，不想分光镜里的谱线却又是另外一种，所以浑身就凉了半边。可是他再仔细一看，这谱线是橙、绿两条，和其他已有元素也对不上号，不禁又激动起来。种瓜不收反得豆，他没有逮住“氦”，却发现了另一种新元素。

瑞利给他起了个新名字叫“氩”，这在希腊文里是不活动的意思。同时拉姆赛在伦敦也找到了氩。这是1894年8月的事。

却说瑞利和拉姆赛种瓜得豆，找氦得氩后，拉姆赛总不死心。这时，他们找见氩的消息传出，一位化学家给拉姆赛写信说，钇铀矿和硫酸反应会生成一种气泡，不能助燃，也不能自燃，说不定就是你的氩。拉姆赛连忙一试，这种气体的光谱竟和氩又是不同。他实在想不出这又是一种什么新玩艺儿，便连同装着新气体的玻璃管和分光镜一起送给当时最权威的光谱专家克鲁克斯（1832—1919），请他鉴定。1895年3月23日，拉姆赛正在实验室里工作，突然收到一份电报：

“你送来的气体，原来就是氦。——克鲁克斯。”

真是有心栽花花不发，无意插柳柳成荫，想不到追查了27年的氦，倒这样轻易地被逮捕归案了。

但是拉姆赛脾气很犟，他总觉得氦这样躲躲藏藏地和他作对，虽然找见了也不痛快。而且，氦既然很不易和其他元素结合，那么他一定会独立存在于空气中，所以他决心要在空气中直接找到氦。他知道氦、氩都有惰性，已不易通过化学反应将他们分离，这回他换了一个物理的办法，就是将空气冷凝到零下192℃，变为液体，根据它们蒸发的先后次序不同，再将它们一一分开。

这天上课了，拉姆赛教授走进课堂，他在桌上放了一个特制杯状大器皿。里面是冷凝的液态空气。学生们从没有见过空气会像水一样盛在杯子里，都瞪大眼睛看教授要做些什么。只见拉姆赛拿起一个小橡皮球在器皿里浸了浸，往地上一扔，球没有像往常那样蹦起来，却嚓啦一声跌了个粉碎。只听教室里齐刷刷地“呀”了一声，学生们惊得一个个眼睛溜圆。教授不慌不忙。又往一只装满水银的试管里插进一根铁丝，连试管往器皿里一泡，再抓住铁丝往外一拉，竟拉出一根水银“冰棍”，拉姆赛拿起一个钉子，用这根“冰棍”当锤使，当当当，几下就将钉子钉到墙里，这时教室里又响起一片笑声。但是还不等笑声散去，教授又从口袋里掏出一块面包，大家还没有看清怎么一回事，面包早在器皿里打了一个滚，又捞了上来。拉姆赛说：“快将窗帘拉上！”只见室内一暗，这面包竟发出天蓝色的光。

但是这时学生们却有点急了，那宝贵的液态空气越蒸发越少，难道花那么多钱就为今天变一阵魔术吗？不想，拉姆赛干脆宣布实验结束，大家回家吃午饭。他将那杯液态空气大敞着口，锁上门，扬长而去。

原来拉姆赛心中有一个既定主意。他想氦一定比氧、氮蒸发得慢，最后留在器皿底下，慢慢来收拾也不会跑掉。下午，拉姆赛将器皿底那点已不多的空气经过除氧、除氮处理，收得一个小小的气泡，再用那个分光镜一照，氦没有找见，可是又出现了一种新谱线——这一定又是一种新元素了。这真是种瓜收豆，种豆收麦，跌跤拾宝，阴差阳错。拉姆赛把这种新元素定名为“氪”（希腊文隐藏之意）。

这天是1898年5月24日。没有找见氦，拉姆赛并不气馁。他想，你没有留在最后就说明你先蒸发走了。

这回他学聪明了，将液化空气一点点蒸发分馏，然后逐次抽样，用分光镜检查。

他先查出一种新元素把它定名为“氖”（希腊文“新”之意），然后终于找见了那个最狡猾的氦，接着在1898年7月12日又找见了“氙”（希腊文“陌生”之意）。这样拉姆赛用分馏法加光谱法，在不到半个月内就连克三城，发现了三种最不易为人看到的惰性元素。到此为止，那个氦已经让人发现过三次了。第一次在太阳上，第二次在钇铀矿里，第三次在空气里，因为找它，又牵出了一串惰性元素。后来拉姆赛说：“寻找氦使我想到老教授找眼镜的笑话。他拼命在地下找，桌子上找，报纸下找，找来找去，眼镜就在自己的额头上。氦被我们找了一大圈，原来它就在空气里。”

正是：

种瓜不成反得豆，阴差阳错总能收。

只要张网细打捞，鱼虾蟹蚌都不丢。