2.6　小數(shù)點(diǎn)后第三位數(shù)字的價(jià)值

氦是人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)惰性元素，它的發(fā)現(xiàn)饒有趣味。它是英國(guó)物理學(xué)家瑞利在對(duì)氣體密度作精密測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)的。他的發(fā)現(xiàn)，是小數(shù)點(diǎn)后一個(gè)不起眼的小誤差所提供的機(jī)遇。

瑞利以善于用較簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)設(shè)備獲得十分精確的數(shù)據(jù)而著稱。自1882年起，瑞利開始研究大氣中各種氣體的密度。在當(dāng)時(shí)，大氣中的氧和氮都已被發(fā)現(xiàn)并確定為元素，科學(xué)界大多數(shù)人都深信大氣的成分已經(jīng)研究得很透徹了——主要成分是氧和氮，還有少量碳酸氣和水蒸氣。瑞利分別用電解水、加熱氯酸鉀和加熱高錳酸鉀三種方法制取純凈的氧，測(cè)得了它們的密度完全相同，并確定了氫和氧的密度之比為1∶15.882。接著，他在測(cè)定氮的密度時(shí)發(fā)現(xiàn)從大氣中除去氧、碳酸氣和水蒸氣后所得的氮?dú)獾拿芏葹?.2572克／升，而由亞硝酸氨制得的氮的密度是1.2508克／升，兩者相差0.0064克／升。盡管在實(shí)驗(yàn)允許的誤差范圍之內(nèi)，但瑞利沒有放過這小數(shù)點(diǎn)后第三位和第四位數(shù)字上的誤差，他以高達(dá)萬(wàn)分之一克靈敏度的天平反復(fù)測(cè)試，結(jié)果證明了這個(gè)差別仍然存在。

瑞利

瑞利對(duì)這個(gè)不起眼的誤差百思不得其解，他撰文在《自然》雜志上公開征答。

瑞利的征答公布后，一位學(xué)者向瑞利提供了卡文迪許在100多年前遇到的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)事實(shí)：卡文迪許曾經(jīng)在玻璃容器里用電火花使氮和氧化合，他發(fā)現(xiàn)不論化合過程延續(xù)多久，總有一個(gè)小氣泡不能被氧化，從而猜想空氣中的濁氣不是單一的，還有一種不會(huì)與氧化合的成分，其總量不超過全部空氣的l／120。另一位有心人、年輕的化學(xué)家拉姆塞表示要與瑞利合作。拉姆塞剛發(fā)現(xiàn)了化合物氮化鎂具有吸收大量氮的本領(lǐng)，他因此推測(cè)，瑞利發(fā)現(xiàn)的細(xì)微誤差，可能是兩種方法制取的氮不純而引起的。他試圖用氮化鎂來(lái)檢查氮的純度，然而實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：用空氣中的氮制取氮化鎂之后，剩余的氮越少，測(cè)得氮的密度就越大。開始時(shí)氮的密度接近14，氮化鎂生成后，又吸附剩余的氮，剩下氮的密度從15一直上升到30。拉姆塞仔細(xì)觀察，重復(fù)精密稱量，屢試不爽。他因此推斷，也許剩余氣體中存在三原子的氮（N₃，密度為21），或者存在其他未知的較重元素。拉姆塞決心與瑞利一起解開這個(gè)難題。

瑞利重復(fù)了卡文迪許的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在電火花使氮和氧化合的過程中，果然有小氣泡不能被氧化，他認(rèn)為卡文迪許的猜想是有道理的。他和拉姆塞進(jìn)行了多次測(cè)定，以判斷“從化合物中制得的氮”和“從空氣中制得的氮”是不是一回事。他們先把從“化合物中制得的氮”與鎂一起加熱，或與氧混合通以電火花，再用“從空氣中制得的氮”進(jìn)行同樣的試驗(yàn)，兩者對(duì)照。結(jié)果證明前者制得的氮是純氮，后者不是純氮，含有較重的新元素。

1894年8月3日在牛津召開的英國(guó)科學(xué)振興會(huì)上，拉姆塞和瑞利公布了這一發(fā)現(xiàn)。新元素被命名為氬（意為“懶惰者”）。他們以辛勤的勞動(dòng)請(qǐng)出了躲藏在深處的“懶惰者”。

1888年，美國(guó)礦物學(xué)家將無(wú)機(jī)酸加入鈾礦中發(fā)現(xiàn)有一種不活潑的氣體發(fā)生，而誤稱為氮。拉姆賽見到這個(gè)報(bào)告時(shí)，重做了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與存在的太陽(yáng)元素——氦的譜線相同，證明了氦在地球空氣中也有，但只占空氣成分的1/250000。

由于發(fā)現(xiàn)了氬和氦，并確定了它們?cè)谠刂芷诒碇械奈恢茫焚愑谑菙喽ㄔ诳諝庵兄辽龠€有三種類似的氣體。他與英國(guó)另一位化學(xué)家特拉維斯合作，在三年時(shí)間內(nèi)，終于找到了這三種氣體：氖、氪、氙。他們發(fā)現(xiàn)的方法是將空氣液化，再進(jìn)行分離而得到。這三種氣體都少得可憐，例如氙，只占空氣的一億七千萬(wàn)分之一。拉姆賽根據(jù)放射能的研究，在理論上創(chuàng)立了元素的變質(zhì)論。1910年，拉姆賽與格萊合作，經(jīng)反復(fù)探索，最后發(fā)現(xiàn)了具有放射性的惰性氣體——氡，完成了整個(gè)惰性元素的發(fā)現(xiàn)。