小氣泡大發(fā)現(xiàn)(下)——惰性氣體元素發(fā)現(xiàn)的思考

□王震元

小氣泡大發(fā)現(xiàn)(下)
——惰性氣體元素發(fā)現(xiàn)的思考

□王震元

>>拉姆塞

“遲到”人間卅七載 早就相識(shí)陽(yáng)光中

第二天清晨，拉姆塞就接到了一位化學(xué)教授梅爾斯的來(lái)信，說(shuō)：“早在1888-1890年間，美國(guó)地質(zhì)學(xué)家希萊布蘭德就把釔鈾礦放在硫酸中加熱，結(jié)果冒出許多氣泡。這種氣體既不能自燃，也不能助燃。究竟是氮?dú)膺€是氬氣？不妨鑒定一下?！?/p>

拉姆塞立即派人找遍了倫敦的化學(xué)藥品商店，才買(mǎi)到了一克釔鈾礦，并進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)。果然收集到了幾立方厘米的氣體。他和助手特萊凡斯又用了整整4天的工夫，把氣體中能跟其他物質(zhì)化合的雜質(zhì)除掉。后進(jìn)行光譜分析時(shí)，本以為會(huì)發(fā)現(xiàn)氬的譜線(xiàn)，但出乎意料之外，他們看到的卻是一條黃線(xiàn)和幾條微弱的其他顏色的亮線(xiàn)。

拉姆塞想當(dāng)然地以為，黃線(xiàn)是鈉的譜線(xiàn)。于是他故意在放電管內(nèi)加進(jìn)去一點(diǎn)鈉，重新封好再觀察它的光譜，結(jié)果光譜中雖然出現(xiàn)了鈉的譜線(xiàn)，但是以前看到的黃線(xiàn)還在老位置上，并在鈉的譜線(xiàn)旁邊。毫無(wú)疑問(wèn)，此黃線(xiàn)非鈉的黃線(xiàn)，而是屬于某一種新物質(zhì)。拉姆塞把他所知道的各種物質(zhì)的光譜都重新回憶了一遍，可沒(méi)有一種跟它相似。

“眾里尋他千百度”，驀回首，他想起27年前發(fā)現(xiàn)“太陽(yáng)元素”的那一幕：1868年8月18日，法國(guó)天文學(xué)家詹森和英國(guó)天文學(xué)家羅克耶利用日全食的機(jī)會(huì)，在太陽(yáng)表面噴出的巨大火焰——日珥中觀察到一條黃線(xiàn)，從而發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)上的氦——希臘文helium（太陽(yáng)）的中譯。如果這條黃線(xiàn)跟那條黃線(xiàn)重合的話(huà)，那么釔鈾礦中放出來(lái)的氣體就既不是氮，也不是氬，而是太陽(yáng)元素——氦了。

但是，拉姆塞是一位嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)家，他派人把放電管送到著名光譜學(xué)專(zhuān)家克魯克斯那里，并附了一封信。他沒(méi)有肯定說(shuō)這是氦，而是說(shuō)找到一種新氣體，建議叫做krypton(希臘文“隱藏”的意思)——我國(guó)譯作“氪”，請(qǐng)克魯克斯鑒定。1895年3月23日早晨，拉姆塞收到了一份電報(bào)，里面寫(xiě)著：“氪——這是氦，請(qǐng)過(guò)來(lái)看?？唆斂怂埂！崩啡⒖腾s去與克魯克斯一起用他的精密光譜儀細(xì)心觀察，并確認(rèn)這種氣體正是氦。

太陽(yáng)上的氦是無(wú)法拿來(lái)稱(chēng)重的。天文學(xué)家們猜想，氦是一種很輕的氣體。拉姆塞第一個(gè)稱(chēng)出了氦的密度，證明天文學(xué)家的預(yù)測(cè)是對(duì)的。氦果然是很輕的氣體，空氣都比它幾乎重6.5倍，只有氫比氦還輕，其他氣體都比氦重。

拉姆塞試驗(yàn)了許多物質(zhì)，看看它們會(huì)不會(huì)跟氦發(fā)生反應(yīng)，結(jié)果證明氦和氬一樣，不跟任何物質(zhì)化合。顯然它們都是空氣中的“惰性氣體”。

但是，要把空氣中的的氦和氬區(qū)分開(kāi)來(lái)就不那么容易了。顯然，這不能照搬分離氧氣和氮?dú)獾哪欠N化學(xué)方法。拉姆塞從利用酒精和水的沸點(diǎn)不同的實(shí)驗(yàn)中得到啟發(fā)，決定首先設(shè)法把空氣變成液體，再進(jìn)行分餾。在那個(gè)時(shí)代，這是一門(mén)高新技術(shù)。拉姆塞很幸運(yùn)，他的友人漢普松就是這方面的發(fā)明家，并及時(shí)地給他送來(lái)了剛制成的液態(tài)空氣（750立方厘米）。

裝在杜瓦瓶中的液態(tài)空氣像清水一樣，慢慢地冒著小氣泡。但是，拉姆塞并不急于做實(shí)驗(yàn)，他讓大家去吃個(gè)午飯。大約過(guò)了一個(gè)半小時(shí)，杜瓦瓶里的液態(tài)空氣已所剩無(wú)幾，拉姆塞并不感到可惜。他認(rèn)為氦氣比氧氣和氮?dú)庹舭l(fā)慢，多耽一些時(shí)間，可以讓氧氣和氮?dú)庀扰艿?，氦氣就?huì)剩在杜瓦瓶里。等到液態(tài)空氣只剩下大約10立方厘米的時(shí)候，拉姆塞才把它收集起來(lái)。他推斷，這其中一定會(huì)有氦。

為了把這部分氣體中剩余的氧氣和氮?dú)獬?，拉姆塞讓氣體通過(guò)裝有赤熱銅屑和赤熱鎂屑的瓷管，最后得到幾個(gè)大氣泡。拉姆塞開(kāi)始研究它的光譜。他看到了橙色和綠色的譜線(xiàn)，這是氬的譜線(xiàn)，沒(méi)有錯(cuò)。但令人失望的是，預(yù)料的那條黃色的氦的譜線(xiàn)卻并未出現(xiàn)。沒(méi)有氦。

看來(lái)拉姆塞估計(jì)錯(cuò)了?？赡苁呛庹舭l(fā)得很快，甚至比氧氣和氮?dú)庹舭l(fā)還快，它早就逃走了。但是拉姆塞并不懊悔，他仔細(xì)觀察光譜，還發(fā)現(xiàn)了兩條明亮的新譜線(xiàn)，一條是黃的，另一條是綠的。這兩條譜線(xiàn)的位置跟已知物質(zhì)的譜線(xiàn)都不重合。顯然，放電管中除了氬氣，還有一種新的氣體。

拉姆塞在研究釔鈾礦中的氣體時(shí)曾把氦叫做氪。這一回，他把在找氦時(shí)發(fā)現(xiàn)的新氣體元素，叫做了“氪”。這真是意外收獲！

>>克魯克斯

沒(méi)有找到氦，拉姆塞并沒(méi)有失去信心。他已經(jīng)儲(chǔ)存了15升由空氣中提取的氬氣，他推斷氦氣就混在這些氬氣中。由上面實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以預(yù)料，氦是非常容易蒸發(fā)的。他和他的年輕助手特萊凡斯設(shè)計(jì)了新的實(shí)驗(yàn)方案。

過(guò)了幾天，在6月初漢普松又送來(lái)了液態(tài)空氣，這一回有好幾升。他們把一端是球形的玻璃管浸在裝有液態(tài)空氣的杜瓦瓶里，然后把那15升由空氣中提取的氬氣，慢慢送到玻璃管里。在液態(tài)空氣的溫度下，氬氣凝成了液體，有十三四立方厘米。

接著他關(guān)閉了玻璃管上的活塞。

這時(shí)候，玻璃管仍舊浸在液態(tài)空氣里。過(guò)了幾分鐘，他們把玻璃管中未被液化的氣體抽了出來(lái)，進(jìn)行光譜分析。兩人發(fā)現(xiàn)了幾條明亮的橙紅色的譜線(xiàn)。查對(duì)一下，這又是一種新的氣體。他們命名為neon(希臘文“新”的意思)——我國(guó)譯作“氖”。再仔細(xì)檢查，他在光譜中果然找到了那條黃線(xiàn)——氦的譜線(xiàn)，位置一點(diǎn)也不差。但是這條黃線(xiàn)很暗淡，說(shuō)明氦氣很少。

幾年以后，拉姆塞在一次公開(kāi)講演中談到氦的發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)時(shí)說(shuō)：“尋找氦，使我想到了老教授找眼鏡的笑話(huà)。他拼命地在地下找，桌子上找，報(bào)紙底下找，找來(lái)找去，原來(lái)眼鏡就擱在自己的額角上。氦氣被找了很久，而它就在空氣里?！?/p>

在上面的實(shí)驗(yàn)中，拉姆塞接著讓液體不斷蒸發(fā)。開(kāi)始收集的氣體大部分是氬，隨后就是不久前發(fā)現(xiàn)的氪。而把最后一點(diǎn)兒氣體裝進(jìn)放電管，通上電卻發(fā)出了美麗的藍(lán)光——又一種新的氣體元素被發(fā)現(xiàn)了。這是1898年7月12日的事。這種新氣體元素起名叫做xenon(希臘文“陌生”的意思)——我國(guó)譯作“氙”。

拉姆塞和特萊凡斯蒸餾了大量的液態(tài)空氣，雖然得到了純粹的氬氣、純粹的氪氣和純粹的氙氣，但氖氣和氦氣總是混合在一起，沒(méi)法把它們分開(kāi)，因?yàn)樵谝簯B(tài)空氣的溫度下它們都不會(huì)變成液體。如果需要比液態(tài)空氣更低的溫度，就必須借助于液態(tài)的氫。

液態(tài)空氣的沸點(diǎn)是零下192攝氏度，而液態(tài)氫的沸點(diǎn)是零下253攝氏度。氦氣和氖氣的混合氣體被送進(jìn)了浸在液態(tài)氫中的玻璃小球，這樣氖氣便變成液體，而且立刻凝結(jié)成了固體，而氦氣卻依然是氣體。

至此分離氦氣和氖氣的難題終于解決了。

由于它們與氬一樣都十分“懶惰”，因而也就被統(tǒng)稱(chēng)為“惰性氣體”。

同年獲獎(jiǎng)不同科 科學(xué)精神奏凱歌

1894年瑞利和拉姆塞由于發(fā)表《氣體密度研究和氬的發(fā)現(xiàn)》和《稀有氣體元素的發(fā)現(xiàn)及其在周期表中位置的確定》，分別榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)和化學(xué)獎(jiǎng)。這就充分表明一項(xiàng)重大科研成果往往是不同專(zhuān)業(yè)的科學(xué)家共同作出的貢獻(xiàn)。

拉姆塞的體會(huì)更加深刻。第一種惰性氣體——?dú)宓陌l(fā)現(xiàn)就是從氮?dú)獾拿芏葴y(cè)定揭開(kāi)序幕的。拉姆塞后來(lái)更依靠了物理學(xué)家所發(fā)明的光譜分析儀和空氣液化法，在短短幾年內(nèi)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)并分離出氪、氙、氦、氖等惰性氣體元素。

相反，當(dāng)年卡文迪許既沒(méi)有精密天平，更無(wú)上述新技術(shù)，面對(duì)“小氣泡”只能是“無(wú)可奈何花落去”。所以，拉姆塞獲獎(jiǎng)后欣然接受物理學(xué)家盧瑟福和另一位化學(xué)家索地與他一起研究“鐳射氣”的邀請(qǐng)?！拌D射氣”是指金屬鐳不斷地發(fā)出的一種放射性氣體。在放電管中，拉姆塞和索地看到三條淡藍(lán)色新譜線(xiàn)，從而確定這是一種新的氣體元素。但隔了兩天，新譜線(xiàn)的光減弱了，卻出現(xiàn)了他們熟悉的氦的黃色譜線(xiàn)。這表明鐳射氣變成了氦。

拉姆塞則進(jìn)一步研究了鐳射氣的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)它和氦、氖、氬、氪、氙一樣，也是惰性氣體，起名radon(拉丁文“射線(xiàn)”的意思)——我國(guó)譯名為“氡”。1910年拉姆塞又跟另一位科學(xué)家格雷合作，共同測(cè)定氡的原子量是222。

至此，六種惰性氣體元素已經(jīng)全部發(fā)現(xiàn)。按原子量從小到大順序排列為：氦、氖、氬、氪、氙、氡，構(gòu)成了門(mén)捷列夫元素周期表中新的一族——零族元素。

惰性元素的發(fā)現(xiàn)充分顯示了堅(jiān)持科學(xué)精神的重要性。人們往往認(rèn)為，科學(xué)發(fā)現(xiàn)的起點(diǎn)是細(xì)心觀察。其實(shí)不然。試想如果瑞利僅僅觀察到來(lái)源不同的氮?dú)饷芏扔形⑿^(qū)別而不再鍥而不舍地去質(zhì)疑“為什么”，那么他很可能就作為實(shí)驗(yàn)誤差而“略去不計(jì)”，最后會(huì)導(dǎo)致與氬——第一種惰性元素的重大發(fā)現(xiàn)擦肩而過(guò)。這又一次證明了“提出問(wèn)題比解決問(wèn)題更重要”這句愛(ài)因斯坦的名言。

科學(xué)精神還表現(xiàn)為與時(shí)俱進(jìn)，不斷開(kāi)拓創(chuàng)新。惰性元素的“惰”源自這六種元素原子的最外層電子數(shù)，恰好滿(mǎn)足穩(wěn)定狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，就“懶”于與其他化學(xué)元素結(jié)合。但到了1962年，英國(guó)年輕化學(xué)家巴特列卻在一次實(shí)驗(yàn)中意外地得到了一種六氟合鉑酸氧的紅色固體化合物，并發(fā)現(xiàn)已經(jīng)達(dá)到傳統(tǒng)八個(gè)電子穩(wěn)定狀態(tài)的氧分子，居然會(huì)失去一個(gè)電子，形成陽(yáng)離子。這使他深受啟迪，并把六氟化鉑和過(guò)量氙氣混合，果然得到了六氟化鉑氙的橙黃色固體。這是世界上第一個(gè)惰性元素化合物。之后，氙的氯化物、氧化物，以及氟化氡、二氟化氬等相繼問(wèn)世，迄今已有數(shù)百種之多……

堅(jiān)持科學(xué)精神，一定會(huì)創(chuàng)造奇跡?。ㄍ辏?/p>