海诗网 用户投稿 瑞利对人类最大的贡献是什么?(瑞利还有什么重大发现)

瑞利对人类最大的贡献是什么?(瑞利还有什么重大发现)

瑞利在科学史上距离牛爱麦等伟人有不少差距,也没有划时代的发现发明,但作为剑桥大学卡文迪许实验室主任瑞利还有什么重大发现、诺奖获得者,他还是有很多干货的!我们以下列举一些最有名的:

一、瑞利散射

天空为什么是蓝色的?自古以来有很多解释,比较有名的是大海的蓝色映射到了天空。这显然不可信,内陆地区天空的蓝色并不因为距离海洋太远而比海岸边少一点的。

到了瑞利这里,他发现由于介质中分子质点不停的热运动,从而产生一种分子散射,这被叫做“瑞利散射”。瑞利散射在光通过透明的固体和液体时都会发生,但以气体最为显著。

瑞利更是指出:瑞利散射光的强度和入射光波长λ的四次方成反比。显然,波长较短的蓝光比波长较长的红光更易产生瑞利散射。人类终于知道蓝天的奥秘了!

二、瑞利波

瑞利还预言了“瑞利波”的存在,这个比较专业,原理是在地表和浅层,粒子运动是逆行的。在地震中,“瑞利波”的摧毁力相当巨大,因此是地震学中的主要研究对象。

三、瑞利金斯线

为了解释黑体辐射,瑞利和金斯从经典物理学的能量均分定理,推导出了一个瑞利-金斯定律。当这张图画到纸面上,发现它与实验数据不相符,在高频波段,能量会趋向无穷大,这被称作“紫外灾难”。开尔文勋爵也指出:完美的物理大厦已经建成,除了两朵小乌云,“紫外灾难”就是其中之一。

后来,普朗克用神奇的量子论解决了这个灾难,量子力学诞生了!在这个过程中,瑞利的贡献是通过自己的努力发现了问题在哪。

四、发现新元素

以上都是前戏,瑞利获得诺奖的贡献乃是因为他发现了新元素。关于这一点,我们在下面大书特书一下:

话说19世纪初,在苏格兰化学家汤姆逊主编的《哲学年鉴》上发表了一篇文章,出自一位年轻的英国化学家普劳特。文章指出:各种气体的密度精确地是氢气密度的整数倍,他推测氢原子可能是各种元素的“元粒子”。这被称为“普劳特假说”,也被作为原子论的基础之一。瑞典大牛贝采尼乌斯举出氯气的例子,表示反对。在当时,英国科学界相信“普劳特假说”,而欧洲大陆则拒绝接受。

1879年,电磁学大师麦克斯韦去世,剑桥大学卡文迪许实验室主任职位空缺,接替的是37岁的瑞利。这个人非常严谨,非常重视定量研究。他首先想,如果连“普劳特假说”都证实不了,那化学家们使用的原子量都不能说是准确的,定量分析还有什么意义呢?因此,他决定从称量各种气体的密度开始,验证“普劳特假说”。

【第二任卡文迪许实验室主任:瑞利。】

瑞利先称最轻的气体:氢,然后是氧气。他通过加热高锰酸钾、氯酸钾和电解水三种方法得到氧气,互相验证。经过十年的测定,他宣布氢和氧的原子量之比实际上不是1:16,而是1:15.882,为“普劳特假说”提供了反例。

接下来,他要去称量氮气的质量,那个时代的化学家都知道,空气里除了氧气和极微量的水蒸气、二氧化碳,剩下的就是氮气。所以瑞利先让空气通过红热的铁屑或者铜片,去除氧气,再通过碱溶液,去除二氧化碳,最后通过浓硫酸,吸收水蒸气。瑞利称量了剩下的气体,密度为1.2572克/立方厘米,是氢气的13.984倍。

【瑞利和开尔文在一起。】

很简单是吗?是的。

完了吗?没有。

瑞利是一个特别严谨的人,和小学生做数学题要验算一样,他还得通过另一种方法来制取氮气,验证一下之前的结果。他选择让氨气和氧气通过红热的铜丝,生成水蒸气和氮气,再用浓硫酸吸收剩余的氨和水蒸气,也可以得到纯净的氮气。结果很快也出来了,这种方法得到的氮气密度是1.2505克/立方厘米,跟之前的方法相差千分之五左右。

你也许会想:“千分之五?这也许是实验误差吧,我们在学校做滴定的时候误差比这大多了。”

可是瑞利不这么想,对于严谨的他来说,千分位上出现误差是不能容忍的,足以让他认为这是两种物质:“重氮”和“轻氮”。

他又采用其他物质来制取氮气,笑气、一氧化氮甚至尿。他发现这些氮气都和从氨气里得到的“轻氮”一样重。而无论如何处理空气,最终留下的“重氮”仍旧比较重。

从1892年到1894年,这些工作让他花费了整整两年时间去跟这些气体搏斗。人生中能有多少个两年?瑞利很清楚,在他前面还有几十种有趣的物理问题在等待着他,可他却在提纯氮气这个最基本的实验上陷入泥沼,他从一个物理学家——至少是一个实验室主任——变成了一个化学实验员。

【瑞利的祖上是男爵,因此后来瑞利被称为瑞利勋爵。】

1894年春天,瑞利在英国皇家学会上宣读了他的报告,提出了“轻氮”和“重氮”的问题。报告结束,苏格兰化学家拉姆塞找到瑞利,表示有兴趣跟他合作:“不管是什么原因,一定是因为空气中提取的氮气混入了其他气体,我们要做的就是把杂质给找出来。如果您同意,我愿意把您的实验继续做下去。”走投无路的瑞利当然同意了他,会议结束之后,他们两人经常通信,没有任何隐瞒和保密,成为莫逆之交。

【拉姆塞(左)和瑞利(右)。】

还有一位科学家迪瓦尔也找到瑞利:“去看看卡文迪许的手稿吧,我记得他曾经提到过氮气的质量问题。”

“卡文迪许?100多年前的那一位?”瑞利想到自己身为卡文迪许实验室主任,却没有对卡文迪许的手稿加以研究,不禁脸红,“自己竟然落后了100多年!”

回去以后,瑞利立马走进图书馆,翻找卡文迪许的手稿和18世纪的科学年报,终于在1785年科学年报上找到了那位大隐士的实验记录。

原来,卡文迪许写稿的时候已经发现了燃素化气体(氮气)和脱燃素气体(氧气),他发现用一个起电盘不断制造出电火花,就可以让这两种气体化合,并被氢氧化钾溶液吸收掉。他让空气和一些氧气混合,跟他的仆人就这么用手一直摇了三个礼拜,终于发现管里的气体不再反应了,再用一种“硫肝液”(硫化钾和多硫化钾的混合液)吸收掉未反应完的氧气,结果最后还是有一个小气泡,不参与任何反应。

卡文迪许写到:“根据这个实验,我得出了一条结论:空气里的燃素化气体(氮气)不是单一的,其中约有1/120,跟主要部分性质绝不相同。可见燃素化气体(氮气)并不是单质,而是两种物质的混合物。”

【卡文迪许真算得上超越时代,给人惊喜。】

在瑞利翻找文献的时候,拉姆塞已经回到实验室,开始做实验了。几年前,很偶然的机会,他发现用灼热的镁粉可以有效的吸收氮气。于是事情变得简单了,只要用灼热的镁粉将“重氮”中的氮气吸收掉,剩下的隐藏者就不得不现形了。

果然,每经过一次灼热的镁粉,剩下的“重氮”都会更重,当这些“重氮”被镁粉处理过足够多次以后,它的比重达到了氢气的20倍,就再也不会变重了。很明显,“重氮”里所有的氮气已经都和镁粉反应了,剩下的是一种未知的物质。

【拉姆塞在讲课。】

他花费了整整一个夏天,终于收集到了100立方厘米的新气体。而瑞利重复卡文迪许的实验,速度就慢了许多,只得到0.5立方厘米。这已经不重要了,两位科学家殊途同归,得到了相同的结果。

这种新气体究竟是什么物质?是新元素还是我们的老朋友组成的化合物?分光镜将给出答案。

他们将气体放进分光镜,通电之后,管里发出一阵冷光。他们恨不能把眼睛塞进窥镜,窥镜里出现了红线、绿线和更多颜色的谱线,这些谱线的位置跟之前任何元素的都无法对应。看来,新气体里有一种新元素是妥妥的。

严谨的他俩还想到,氩会不会是氮和镁高温之后生成的呢?为了排除这种可能性,他们又使用物理的方法,通过不同分子量气体的扩散速度不同,也得到了新气体。

【瑞利模仿卡文迪许实验,发现氩气的仪器。】

1894年8月13日,两位科学家来到牛津,在英国科学协会的年会上宣读了一份报告:“我们发现了一种新元素,这种元素到处都有,空气里就有。”

这份报告不啻于在牛津、乃至欧洲上空扔下了一颗大炸弹,科学界一下子炸开了锅。

“什么?在空气里还有新元素?”

“100升空气里面就有一升新元素,这怎么可能?”

“是啊,平时我们每天吸入又呼出这种新元素,可是却从来没有感觉。”

“要知道,空气的分析不说做过一万次,一千次也肯定有了,无数学校里的学生、工厂里的实验员都做过精确的定量分析,他们为什么没发现呢?”

最终,正是因为这种气体如此平常,就存在于空气里,而又如此神秘,隐身了许多年,英国科学协会主席马登提议,用希腊文中的“慵懒”、“不活跃”将其命名,翻译成英语就是“Argon”,这就是“氩”的由来。

【在氩气管通电之后发出的冷光,一些霓虹灯里也有氩气的身影。】

这真是令人意外的发现,更让人惊讶的还在后面。

拉姆塞试图了解氩的化学性质,尝试让氩跟最活跃的物质化合,氯气、白磷、强酸、强碱,甚至用了电流、王水,但一切都是徒劳,氩好像一位最坚贞的烈女,面对“满清十大酷刑”,总是不肯屈服。

拉姆塞真是不服气,作为一名化学家,看物质之间的反应——化合、分解、置换、复分解——是自己的天职,也是化学的乐趣所在。就算是冷艳高傲的贵金属——黄金、白金——碰到王水也会溶解。氩气,这空气中的隐士看起来只是最普通的一团气体,却比世界上所有的物质都更高贵吗?

【冷冻成固体的氩。】

科学是要用事实来验证的,拉姆塞也好,瑞利也好,世界上所有的化学家也好,都没找到一种办法能让氩和其他物质化合。(事实上,到现在为止,也只发现了氩和氟、氢的化合物:氟氩化氢。)

这真算的上一个大发现,可是门捷列夫的元素周期律却因此而摇晃起来,氩和拉姆塞后来发现的太阳元素“氦”在元素周期律里找不到自己的位置,没有什么元素跟他俩这么高傲,化学性质如此懒惰。

拉姆塞认为:“一定还有一些元素,跟氦和氩相似,我们应该把它们一一找出来,这些元素可以组成一个新的家庭。它们不是破坏周期律,而是周期律的补充。”果然,没过多久,拉姆塞和助手特拉弗斯又在空气里又找到了三种新元素:氖、氪、氙,它们和氦、氩一起组成了新的一族,它们的性质很类似,都很“懒惰”,不愿意和其他元素化合,因此被称为“惰性元素”。

【惰性元素在元素周期表上自成一族。它们现在大多数作为保护气,出现在工厂里,尤其是氩气,是液化氮气、氧气之后的主要副产物。】

1904年,瑞利和拉姆塞因为氩气的发现包揽诺贝尔物理学奖和化学奖,成为科学史上一段佳话。

最后让我们温习一下瑞利的至理名言:“一切科学上最伟大的发现,几乎都来自精确的量度。”

【拉姆塞获得诺贝尔奖的证书。】

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作者: 汤卡西

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