因对氢气、氧气、氮气等气体密度的测量,并因测量氮气而发现氩,英国科学家瑞利荣获1904年诺贝尔物理学奖。
瑞利以严谨、广博、精深著称,并善于用简单的设备作实验而能获得十分精确的数据。
他是在19世纪末年达到经典物理学颠峰的少数学者之一,在众多学科中都有成果,其中尤以光学中的瑞利散射和瑞利判据、物性学中的气体密度测量几方面影响最为深远。
瑞利,原名约翰·威廉·斯特拉特(John William Strutt),尊称瑞利男爵三世(Third Baron Rayleigh),1842年11月12日出生于英国埃塞克斯郡莫尔登(Malden)的朗弗德林园。
他的父亲是第二世男爵约翰·詹姆斯·斯特拉特,母亲叫克拉腊·伊丽莎白·拉图哲,是理查德·维卡斯海军上校的小女儿。
由于出身贵族,瑞利从小受到良好的教育。据说,瑞利刚开始上学时并不用功,他虽然人很聪明,可却十分贪玩,学习成绩一直平平。10岁那年曾连续两次逃学,为此,他的爸爸妈妈很替他着急,为了孩子的前途,他们决定迁居伦敦。环境的改变,对瑞利的成长起到了良好的作用。另外,瑞利的父母还特地为他聘了一名家庭女教师,从此瑞利一改以前贪玩的习性,一心埋进书本中。
1860年,以优异的成绩考入剑桥大学,1865年大学毕业时,列最优等。当时剑桥的主试人指出:“瑞利的毕业论 极好,不用修改就可以直接付印。”
瑞利毕业后,在剑桥任教职,他对教学尽心尽力。1879年,剑桥大学著名物理教授麦克斯韦去世,空缺的剑桥大学卡 迪许实验室主任职位,由瑞利继任。
瑞利对科研事业热情极高,投入了全部身心。
他担任著名科研机构——卡 迪许实验室主任之后,扩大了招生人数,把革吞学院和纽那姆学院加以整顿,并批准招收女学生,使妇女和男子一样,享有同等的受教育的权力。
瑞利在担任主任期间,自己带头捐出500英镑,同时还向友人募集了1500英镑,为实验室添置了大批的新仪器,从而使实验室的科学研究设备得到充实。
瑞利在卡 迪许实验室,精确地进行了银的电化当量研究,从而为电化学的发展作出了贡献。同时,他还对气体的化合体积及压缩性做了精密的定量研究。此外,他对光化学的研究也很有成就。
瑞利是注重严格定量研究的化学家之一,他的作风极为严谨,对研究给果要求极为准确,这一点,成了他在科学上作出杰出贡献的重要基础。
气体密度测量本来是实验室中的一件常规工作,但是瑞利不放过常人不当回事的实验差异,终于作出了惊人的重大发现。
1882年,瑞利经多年深入研究后向英国科学 提出一份 告,精确地指出,氢和氧的密度比不是1:16,正确的比例应为1:15.882。
从这件事可以看出他那极为严谨的工作态度。
他还从事气体的化合体积及压缩性的精密测量,计算出许多气体在极限情况下的摩尔体积,并严格测定了氮的密度。
瑞利在制取氧和氮的过程中发现,用三种不同的方法制取的氧,密度完全相等,而用不同的方法制取的氮,密度则有微小的差异。
如由氨制得的氮,与由空气制得的氮密度就不同,前者要小5/1000左右。
对此,他自己反复验证了多次。
尽管从实验的角度来看,这个微小的差别是在允许范围内,但瑞利发现,这个“误差”总是表现为由空气除去氧、二氧化碳、水以后获得的氮,比由氮的化合物获得的氮重,误差虽小,但是不对称,这是用传统的说法无法解释的。
因而,他将这一实验给果刊登在英国的《自然界》周刊。寻求读者的解答,但他一直没有收到答复。
瑞利认为,之所以由空气制得的氮比重大一些,可能有四种解释:
(1)由大气中所得的氮,可能还含有少量的氧;
(2)由氨制得的氮,可能混杂了微量的氢;
(3)由大气制得的氮,或许有类似臭氧的N分子存在;
(4)由氨制得的氮,可能有若干分子已经分解,固而把氮气的密度降低了。
第一个假设是不可能的,因为氧和氨的密度相差极微,必须杂有大量的氧、才有可能出现5/1000的差异。
与此同时,瑞利又用实验证明:他由氨制得的氮,其中绝不含氢。
第三个解释也不足置信,因为他采用无声放电使可能混杂N3的氮气变化,并没发现氮的密度有所变化,即不存在N3。
第四种假设几乎是不可能的,因为如果存在游离的氮原子,必然会彼此给合为分子,不可能在正常条件下长期游离。
正当瑞利困惑不解时,拉姆塞向瑞利提出,他要用新方法研究大气中的氮,瑞利对此慨然允许,并与拉姆塞精诚合作,这种研究导致了惊人的重大成果,发现了氦、氖、氩、氪、氙等整个一族的惰性气体元素。
1894年5月24日,拉姆塞给瑞利写信,提出了整个惰性气体族的设想。同年8月7日,以他们两个人的名义宣布了一种惰性气体元素的发现,英国科学 主席马登提议,把这种气体命名为氩(Argon)。
这就是瑞利从密度的测量中发现的第一个惰性气体——氩。
瑞利一生发表了许多学术论 ,他 笔清雅畅达,所写 章大多有严格的数学证明,定量十分准确。
后来,他把自己的论 整理为一部五卷本的论 集。论 集的开头,他写下了这样的言词:伟大精深啊,上帝造物之奇妙!研究探索吧,求得世界的奥秘,乐在其中矣!
1919年6月30日,瑞利逝世于英国埃塞克斯郡的威瑟姆,享年77岁。
瑞利的真实经历告诉我们,科学研究从来就没有捷径可言,在做出一项伟大的发现之前,需要经过长时间不懈的坚持,如果不是瑞利花了20年时间精确测量各种气体的密度,最后可能也不会发现氩气。
而且,不要放过实验中任何一点不起眼的微小差异,0.0064克/升是个很小的数据差异,就是这样一个小数字直接导致了氩气的发现。
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