打开原子的大门-第3章
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瑞利又把氧气通过浓氨水，得到氧气和氨气的混合气。把混合气通过赤热的氧化钢管，氨气与氧气反应，生成水和氮气。测量这种氮气的密度，结果是1。2508克每升。
奇怪！两个结果对不起来，相差0。0064克每升。是不是实验出了差错呢？瑞利又重复做了好几次，结果还是一样。
为什么两种不同来源的氮气，密度会不一样呢？这中间一定有什么奥秘。于是，瑞利给《自然》杂志写了上面那封信，请大家一同来解答这个难题。
可是一封回信也没收到。
这次是化学家来帮忙了
怎么办？一个真正的科学家是不会轻易放过实验中出现的反常现象的。问题得不到解答，瑞利就继续把实验做下去。他用各种不同的方法来制造氮气，再仔细地测量密度。
他改用赤热的铁屑去除掉空气中的氧气，又用新制成的氢氧化亚铁去除掉空气中的氧气。用这两种方法由空气中制得的氮气，和用赤热的铜屑除掉空气中的氧气而制得的氮气一样，密度仍然是每升1。2572克。
瑞利用加热亚硝酸铰的方法制造氮气，用赤热的铁屑还原一氧化氮和笑气（氧化亚氮）制造氮气，用次溴酸钠分解尿素制造氮气。结果是，这些化合物分解出来的氮气，密度和从氨气分解出来的氮气的密度一样，都是每升1。2508克。
瑞利又埋头做了两年的实验。这些实验准确地证明了：由氮的各种化合物制成的氮气密度都一样，比由空气中分离出来的氮气小0。5％。
1894年4月19日，瑞利在英国皇家学会上作了报告，详细地介绍了他的实验结果。
报告完了，化学家拉姆赛来找瑞利。拉姆赛说：“两年前，我看到您在《自然》杂志上的那封信。当时我还弄不清楚，为什么氮气会有两种密度。现在明白了。我相信，空气中的氮气一定含有较重的杂质，一种未知的气体。如果您同意的话，我愿意把这个实验继续做下去。”
瑞利非常高兴拉姆赛能跟他合作来研究这个问题。于是，物理学家和化学家又一次共同解决科学上的难题了。
在这次会上，还有一位物理学家杜瓦向瑞利提供了一个重要的线索：英国的科学老前辈卡文迪许曾经做过一个实验，他也认为从空气中取得的氮气中含有杂质。
瑞利一听说这些情况，高兴得几乎要跳起来，他的实验室就是以卡文迪许命名的。在剑桥大学，卡文迪许在100多年前的科学实验记录和资料，都保存得非常好。
瑞利回去以后，立刻查阅古老的技术档案。果然，卡文迪许在1785年做过一个实验。瑞利看了他的实验记录，感到非常惊讶。
卡文迪许是个什么人呢？他做了一个什么样的实验呢？
科学怪人和小气泡
18世纪末，英国伦敦住着一位怪人，他就是卡文迪许。卡文迪许一辈子没有结婚，因为他一见到妇女就说不出话来。他很少出门，他一出来，就会有一群小孩子跟在他的马车后面跑，街上的人也要指指点点，议论纷纷。因为他的穿戴还是他祖父时代的式样，古怪得很。
卡文迪许是个贵族，很有钱，却不喜欢交际。他出门只去两个地方，一是英国皇家学会的科学报告会，他是皇家学会的会员；二是每周一次的科学家晚会。他的钱都用来买科学仪器和图书。他在自己家中建立了实验室和图书馆。随便什么人都可以去他的图书馆借书，只是要办理个借阅手续，按时归还。卡文迪许自己拿书看，也要写一张借条，上面写着：“某月某日，卡文迪许借到某书一册。”
卡文迪许整天躲在自己的实验室里做实验。所有的实验，他都做了详细记录，但是很少把他的科研成果整理出来发表。
1810年，卡文迪许去世了。过了50年，他的实验记录才由物理学家麦克斯韦整理发表。每个科学家看了他的工作都大为敬佩，原来后辈科学家做的许多实验，卡文迪许早就做过了。化学家知道了卡文迪许不仅研究了空气的组成，还第一个把水分解为氢气和氧气，并测定了两者的化合体积是2：1。物理学家知道了是卡文迪许第一个计算出地球的质量。静电作用力跟电荷的大小成正比，跟距离的平方成反比，这个定律卡文迪许比库仑测定的还要早，还要准确。但是物理学课本上还是把这个定律叫做库仑定律，因为卡文迪许没有公开发表他的发现。
瑞利在英国皇家学会1784年和1785年两年的年报中，找到了卡文迪许的论文，题目是《关于空气的实验》。
要读懂100多年前的科学论文，需要有一点历史的知识。瑞利知道在上一个世纪氮气刚刚发现的时候，人们管它叫“浊气”。卡文迪许在论文中讲到的“浊气”就是氮气，这正是他感兴趣的问题。
卡文迪许把两只酒杯装满水银，又把一根U形玻璃弯管的两端分别插人到两只酒杯的水银中，再把起电器的两根导线分别通到两杯水银里。
摇动起电器，圆玻璃板和毛皮不断地摩擦，摩擦生的电通过导线，积累在水银杯里。过了一段时间，玻璃弯管内电火花就一闪，同时出现红色的烟雾，这是管内空气中的氧气和氮气有一小部分化合生成的二氧化氮。
卡文迪许将苛性钠（氢氧化钠）溶液滴到玻璃管中，红色消失了：二氧化氮被苛性钠溶液吸收了。这时候弯管内的气体体积就缩小了一些。
卡文迪许和他的仆人轮流不停地摇着起电器，让玻璃管内不断地放电。最后，空气中的氧气全都与氮气化合了，而生成的二氧化氮又都被苛性钠溶液吸收了。玻璃管中气体的体积缩小到一定程度，就不再缩小了。
这时候，卡文迪许向玻璃管内送进一些氧气，再开始放电。新加人的氧气又与剩余气体化合，体积又缩小了一些。
这个实验，卡文迪许和他的仆人轮流不停的摇着起电器，一连做了三个星期。最后，弯玻璃管中只剩下一个很小的小气泡，这个小气泡很顽固，无论怎样放电，它也不肯跟氧气化合。这个小气泡也不可能是剩余的氧气。因为最后，卡文迪许在玻璃管中加入了一点“硫肝”（草木灰的浸出液与硫磺共煮得到的肝脏色溶液，主要成分是多硫化钾），把多余的氧吸收掉了。
卡文迪许的实验记录得十分详细。他写道：“在弯玻璃管里剩下来一个小气泡，这是由于某种特殊原因不与氧气化合而剩下来的浊气。它不像普通的浊气，而是另一种浊气，因为什么样的电火花都不能使它与氧气化合。”最后，卡文迪许作出结论：“空气中的浊气不是单一的物质，还混有一种不与氧气化合的浊气，总量不超过全部空气的1/120。”
“啊！原来是这样！”瑞利十分激动。
瑞利立刻把这情况告诉了拉姆赛。并且立刻在他那个以卡文迪许命名的实验室中，重新做109年前卡文迪许做过的实验了。
拉姆赛得到很大的启发，也在自己的实验室中继续进行研究。
他们决心学习那位科学怪人卡文迪许的精神，各自关在自己的实验室里，不把空气中的这种杂质——卡文迪许的小气泡取出来，就不出实验室的门。为了互通情报，他们靠邮递员经常交换实验结果。
重找小气泡
问题似乎清楚了，空气中的氮气中还有未知的气体，也就是卡文迪许的那个小气泡。可以预料，这种未知气体极不活泼，密度比氮气大。但是要证实这个预料，必需得到这个小气泡，才能研究它的性质，测定它的密度。
瑞利做实验要比卡文迪许容易多了，因为时代不同了。这时候已经发明了能产生高电压的振荡线圈，所以瑞利不必像卡文迪许那样去摇动起电器，摇了三个星期才得到一个很小的小气泡。
为了得到更多的那种小气泡，瑞利用一个大圆底烧瓶代替玻璃弯管，倒立在碱水槽里，烧瓶内通人两根金属导线，其尖端相距只有几厘米。通上高压电，两根金属导线的尖端之间就会连续发生电火花，使瓶中空气里的氧气和氮气化合成二氧化氮。另外还有一根玻璃管通到瓶内。通过这根玻璃管，可以喷人苛性钠溶液来快速吸收掉生成的二氧化氮，也可以往瓶内送人氧气和补充新的空气。
用这个装置，瑞利终于得到一个较大的气泡。这个气泡在电火花下也不跟氧气发生作用。为了除掉气泡中可能有的氧气，他又让它通过一根烧得赤热的装有铜屑的瓷管。这样，氧气就会跟铜反应而被除掉了。
尽管装置有了改进，为了得到足够供实验用的气体，瑞利也干了好几个月。在这段时间里，他不断地把自己的工作情况写信告诉拉姆赛，同时也经常接到拉姆赛的来信。
拉姆赛用的是另一种方法。他发现氮气和赤热的镁屑能发生化学反应生成氮化镁。他使已经除去水汽、二氧化碳和氧气的空气通过装有赤热的镁屑的瓷管。结果，大部分气体跟镁化合了，只剩下一小部分气体。他把剩下的气体再一次通过赤热的镁屑，气体的体积又缩小了一些。在第三次通过赤热的镁屑之后，拉姆赛把剩下的气体拿出来测定它的密度。普通氮气的密度是氢气的14倍，而这种剩下的气体，密度却是氢气的14。88倍，果然是一种比氮气重的气体。
拉姆赛并没有满足这个初步成绩。他把这剩下的气体一次又一次地通过装有赤热的镁屑的瓷管。结果是每通过一次，气体的体积总要缩小一点，密度总要增大一点，变成氢气的17倍，18倍，19倍；最后体积不再缩小了，密度增大到氢气的20倍也不再变了。拉姆赛计算了一下，剩下的气体的体积是原来空气中的氮气的体积的1／80。
卡文迪许的小气泡得到了。这是一种什么气体呢？这又要用光谱分析了。
拉姆赛把这种气体装在密闭的玻璃管里，玻璃管的两端封有两根白金丝做的电极，这就是气体放电管。通上了高压电，玻璃管中的气体就闪闪发光。用分光镜检查，发现光谱中有橙色和绿色的话线。这是已知的元素所没有的话线，表明这种剩下的气体的确是一种新的气体元素。
瑞利在两年前提出的问题，现在完全弄清楚了。用氮的化合物制成的氮气，原来是纯粹的氮气，它的密度是1。2508克每升。由空气中得到的氮气不是纯粹的，里面混有少量密度为1。9086克每升的未知的气体，因而这种不纯的氮气的密度是1。2572克每升。
就这样，物理学家和化学家合作，又取得了惊人的发现。
他们已经知道，这种新气体既不跟氧化合，也不跟镁化合。他们正是利用新气体的这种性质，使它跟氮气分开的。
那么它跟哪些物质化合呢？他们做了许多试验，结果表明，这种新气体跟氢，跟氯，跟氟，跟各种金属，跟碳，跟硫，都不发生化学反应。不管加温也好，加压也好，用电火花也好，用铂黑作触媒也好，它还是不跟任何物质起反应。根据这个性质，科学家给新气体元素起了个名字叫做argon（希腊文“懒惰”的意思）——我国译作“氩”。
第三位小数的胜利
1894年8月7日，拉姆赛给瑞利去了一封信，建议俩人一起宣布他们的新发现。经过几天准备，8月13日，他们来到了英国的科学城牛津。那时候，牛津正在召开自然科学家代表大会，各门科学家共聚一堂。他们申请出席�
