小气泡大发现(下)——惰性气体元素发现的思考

□王震元

小气泡大发现(下)
——惰性气体元素发现的思考

□王震元

>>拉姆塞

“迟到”人间卅七载 早就相识阳光中

第二天清晨，拉姆塞就接到了一位化学教授梅尔斯的来信，说：“早在1888-1890年间，美国地质学家希莱布兰德就把钇铀矿放在硫酸中加热，结果冒出许多气泡。这种气体既不能自燃，也不能助燃。究竟是氮气还是氩气？不妨鉴定一下。”

拉姆塞立即派人找遍了伦敦的化学药品商店，才买到了一克钇铀矿，并进行重复实验。果然收集到了几立方厘米的气体。他和助手特莱凡斯又用了整整4天的工夫，把气体中能跟其他物质化合的杂质除掉。后进行光谱分析时，本以为会发现氩的谱线，但出乎意料之外，他们看到的却是一条黄线和几条微弱的其他颜色的亮线。

拉姆塞想当然地以为，黄线是钠的谱线。于是他故意在放电管内加进去一点钠，重新封好再观察它的光谱，结果光谱中虽然出现了钠的谱线，但是以前看到的黄线还在老位置上，并在钠的谱线旁边。毫无疑问，此黄线非钠的黄线，而是属于某一种新物质。拉姆塞把他所知道的各种物质的光谱都重新回忆了一遍，可没有一种跟它相似。

“众里寻他千百度”，蓦回首，他想起27年前发现“太阳元素”的那一幕：1868年8月18日，法国天文学家詹森和英国天文学家罗克耶利用日全食的机会，在太阳表面喷出的巨大火焰——日珥中观察到一条黄线，从而发现太阳上的氦——希腊文helium（太阳）的中译。如果这条黄线跟那条黄线重合的话，那么钇铀矿中放出来的气体就既不是氮，也不是氩，而是太阳元素——氦了。

但是，拉姆塞是一位严谨的科学家，他派人把放电管送到著名光谱学专家克鲁克斯那里，并附了一封信。他没有肯定说这是氦，而是说找到一种新气体，建议叫做krypton(希腊文“隐藏”的意思)——我国译作“氪”，请克鲁克斯鉴定。1895年3月23日早晨，拉姆塞收到了一份电报，里面写着：“氪——这是氦，请过来看。克鲁克斯。”拉姆塞立刻赶去与克鲁克斯一起用他的精密光谱仪细心观察，并确认这种气体正是氦。

太阳上的氦是无法拿来称重的。天文学家们猜想，氦是一种很轻的气体。拉姆塞第一个称出了氦的密度，证明天文学家的预测是对的。氦果然是很轻的气体，空气都比它几乎重6.5倍，只有氢比氦还轻，其他气体都比氦重。

拉姆塞试验了许多物质，看看它们会不会跟氦发生反应，结果证明氦和氩一样，不跟任何物质化合。显然它们都是空气中的“惰性气体”。

但是，要把空气中的的氦和氩区分开来就不那么容易了。显然，这不能照搬分离氧气和氮气的那种化学方法。拉姆塞从利用酒精和水的沸点不同的实验中得到启发，决定首先设法把空气变成液体，再进行分馏。在那个时代，这是一门高新技术。拉姆塞很幸运，他的友人汉普松就是这方面的发明家，并及时地给他送来了刚制成的液态空气（750立方厘米）。

装在杜瓦瓶中的液态空气像清水一样，慢慢地冒着小气泡。但是，拉姆塞并不急于做实验，他让大家去吃个午饭。大约过了一个半小时，杜瓦瓶里的液态空气已所剩无几，拉姆塞并不感到可惜。他认为氦气比氧气和氮气蒸发慢，多耽一些时间，可以让氧气和氮气先跑掉，氦气就会剩在杜瓦瓶里。等到液态空气只剩下大约10立方厘米的时候，拉姆塞才把它收集起来。他推断，这其中一定会有氦。

为了把这部分气体中剩余的氧气和氮气除掉，拉姆塞让气体通过装有赤热铜屑和赤热镁屑的瓷管，最后得到几个大气泡。拉姆塞开始研究它的光谱。他看到了橙色和绿色的谱线，这是氩的谱线，没有错。但令人失望的是，预料的那条黄色的氦的谱线却并未出现。没有氦。

看来拉姆塞估计错了。可能是氦气蒸发得很快，甚至比氧气和氮气蒸发还快，它早就逃走了。但是拉姆塞并不懊悔，他仔细观察光谱，还发现了两条明亮的新谱线，一条是黄的，另一条是绿的。这两条谱线的位置跟已知物质的谱线都不重合。显然，放电管中除了氩气，还有一种新的气体。

拉姆塞在研究钇铀矿中的气体时曾把氦叫做氪。这一回，他把在找氦时发现的新气体元素，叫做了“氪”。这真是意外收获！

>>克鲁克斯

没有找到氦，拉姆塞并没有失去信心。他已经储存了15升由空气中提取的氩气，他推断氦气就混在这些氩气中。由上面实验的结果可以预料，氦是非常容易蒸发的。他和他的年轻助手特莱凡斯设计了新的实验方案。

过了几天，在6月初汉普松又送来了液态空气，这一回有好几升。他们把一端是球形的玻璃管浸在装有液态空气的杜瓦瓶里，然后把那15升由空气中提取的氩气，慢慢送到玻璃管里。在液态空气的温度下，氩气凝成了液体，有十三四立方厘米。

接着他关闭了玻璃管上的活塞。

这时候，玻璃管仍旧浸在液态空气里。过了几分钟，他们把玻璃管中未被液化的气体抽了出来，进行光谱分析。两人发现了几条明亮的橙红色的谱线。查对一下，这又是一种新的气体。他们命名为neon(希腊文“新”的意思)——我国译作“氖”。再仔细检查，他在光谱中果然找到了那条黄线——氦的谱线，位置一点也不差。但是这条黄线很暗淡，说明氦气很少。

几年以后，拉姆塞在一次公开讲演中谈到氦的发现经过时说：“寻找氦，使我想到了老教授找眼镜的笑话。他拼命地在地下找，桌子上找，报纸底下找，找来找去，原来眼镜就搁在自己的额角上。氦气被找了很久，而它就在空气里。”

在上面的实验中，拉姆塞接着让液体不断蒸发。开始收集的气体大部分是氩，随后就是不久前发现的氪。而把最后一点儿气体装进放电管，通上电却发出了美丽的蓝光——又一种新的气体元素被发现了。这是1898年7月12日的事。这种新气体元素起名叫做xenon(希腊文“陌生”的意思)——我国译作“氙”。

拉姆塞和特莱凡斯蒸馏了大量的液态空气，虽然得到了纯粹的氩气、纯粹的氪气和纯粹的氙气，但氖气和氦气总是混合在一起，没法把它们分开，因为在液态空气的温度下它们都不会变成液体。如果需要比液态空气更低的温度，就必须借助于液态的氢。

液态空气的沸点是零下192摄氏度，而液态氢的沸点是零下253摄氏度。氦气和氖气的混合气体被送进了浸在液态氢中的玻璃小球，这样氖气便变成液体，而且立刻凝结成了固体，而氦气却依然是气体。

至此分离氦气和氖气的难题终于解决了。

由于它们与氩一样都十分“懒惰”，因而也就被统称为“惰性气体”。

同年获奖不同科 科学精神奏凯歌

1894年瑞利和拉姆塞由于发表《气体密度研究和氩的发现》和《稀有气体元素的发现及其在周期表中位置的确定》，分别荣获诺贝尔物理学奖和化学奖。这就充分表明一项重大科研成果往往是不同专业的科学家共同作出的贡献。

拉姆塞的体会更加深刻。第一种惰性气体——氩的发现就是从氮气的密度测定揭开序幕的。拉姆塞后来更依靠了物理学家所发明的光谱分析仪和空气液化法，在短短几年内陆续发现并分离出氪、氙、氦、氖等惰性气体元素。

相反，当年卡文迪许既没有精密天平，更无上述新技术，面对“小气泡”只能是“无可奈何花落去”。所以，拉姆塞获奖后欣然接受物理学家卢瑟福和另一位化学家索地与他一起研究“镭射气”的邀请。“镭射气”是指金属镭不断地发出的一种放射性气体。在放电管中，拉姆塞和索地看到三条淡蓝色新谱线，从而确定这是一种新的气体元素。但隔了两天，新谱线的光减弱了，却出现了他们熟悉的氦的黄色谱线。这表明镭射气变成了氦。

拉姆塞则进一步研究了镭射气的性质，发现它和氦、氖、氩、氪、氙一样，也是惰性气体，起名radon(拉丁文“射线”的意思)——我国译名为“氡”。1910年拉姆塞又跟另一位科学家格雷合作，共同测定氡的原子量是222。

至此，六种惰性气体元素已经全部发现。按原子量从小到大顺序排列为：氦、氖、氩、氪、氙、氡，构成了门捷列夫元素周期表中新的一族——零族元素。

惰性元素的发现充分显示了坚持科学精神的重要性。人们往往认为，科学发现的起点是细心观察。其实不然。试想如果瑞利仅仅观察到来源不同的氮气密度有微小区别而不再锲而不舍地去质疑“为什么”，那么他很可能就作为实验误差而“略去不计”，最后会导致与氩——第一种惰性元素的重大发现擦肩而过。这又一次证明了“提出问题比解决问题更重要”这句爱因斯坦的名言。

科学精神还表现为与时俱进，不断开拓创新。惰性元素的“惰”源自这六种元素原子的最外层电子数，恰好满足稳定状态的结构，就“懒”于与其他化学元素结合。但到了1962年，英国年轻化学家巴特列却在一次实验中意外地得到了一种六氟合铂酸氧的红色固体化合物，并发现已经达到传统八个电子稳定状态的氧分子，居然会失去一个电子，形成阳离子。这使他深受启迪，并把六氟化铂和过量氙气混合，果然得到了六氟化铂氙的橙黄色固体。这是世界上第一个惰性元素化合物。之后，氙的氯化物、氧化物，以及氟化氡、二氟化氩等相继问世，迄今已有数百种之多……

坚持科学精神，一定会创造奇迹！（完）