机智的实验者和大胆的预言家拉姆塞-教育文档

机智的实验者和大胆的预言家——拉姆塞

1 生平介绍

1852年10月2日，威廉姆·拉姆塞出生于苏格兰格拉斯哥白金汉郡，然而，没有人会想到这个孩子会成为举世闻名的大科学家。拉姆塞的父亲继承祖传的染料工厂，日子算得上是小康，又因为他是独子，所以倍受宠爱。拉姆塞从小就受到了良好的家庭教育，加上他的聪明好学，尚是孩童时就学习了德语、法语、小提琴等。少年时期的拉姆塞梦想当一名足球运动员，在他的心目中足球场上狂野的奔跑方能显男儿本色。然而，在一次比赛中不慎摔伤了腿。躺在病床上养伤的拉姆塞为了打发时间，随手拿起一本化学常识书，书中关于焰火的制备深深吸引了他，从此他的兴趣点从足球转移到了化学上。14岁那年，因为成绩优异被格拉斯哥大学破格录取，在那里系统地学习了化学知识。本科毕业后在本生(Robert Wilhelm Bunsen)的指导下学习了一个学期，随后又前往杜宾根大学学习有机化学，于20岁那年获得了博士学位，从此以后踏上了科学的神奇之路。

1872—1874 在安德森学院的Young化学实验室做助手

1874—1880 在格拉斯哥大学做助教

1880—1887 在布里斯托大学任教，并担任校长

1887—1913 在伦敦大学任教

拉姆塞是享誉全球的化学家，其一生荣誉满载。不仅司职

伦敦化学会、应用化学会的会长，还担任过国际应用化学会和国际化学联合会的会长。1895年荣获戴维奖章，1902年获得爵位，因发现六种稀有气体并确定了它们在元素周期表中的位置而于1904年获诺贝尔化学奖。各国授予的奖章、勋章、荣誉称号更是不计其数。曾有人这样评价他：“随着威廉爵士的故去，科学界失去了一位机智的实验者和大胆的预言家。”[1]为了纪念这一伟大的化学家，在瑞利的倡议下建立了拉姆塞基金，一部分作为奖学金，一部分用于重建伦敦大学的化工实验室。

图1 拉姆塞在实验室(他面前的多普勒泵是进行有关稀有气体研究工作的重要仪器)

2 与稀有气体的邂逅

2.1 瑞利的难题

1785年卡文迪什(H.Cavebdish)在电火花放电条件下化合N2和O2的实验中，发现最终总会残留一个体积约为原有体积1/120的小气泡，他认为是没有反应完的N2而没有再去注意。1893年瑞利(Lord Rayleigh)在测N2密度时发现同样是1升的N2，从空气中获得的质量是1.2572克，而从化合物中制得的为1.2505克[2]。这0.54%的偏差已经超出了误差允许范围。当他重复卡文迪什的实验后，同样发现了反应残留的小气泡。这些问题另瑞利百思不得其解，他将疑难刊登在《Nature》上，寻求大家的帮助。

2.2 氩的发现

拉姆塞对此问题颇感兴趣，他决定尝试解决。他先用Cu除去空气中的O2，再通过气泵将N2在装有红热的镁粉的玻璃管中来回抽动，使二者能够充分反应。几天之后测量剩余气体的比重为16.1，开始他认为是存在类似于O3的N3的缘故。可是当反应进一步发生，剩余气体的比重竟高达20!这时他才意识到可能混有其他比较重的新元素。当他用光谱分析仪检测最终未参与反应的气体时，发现从红色到绿色段出现了陌生的光谱，当即肯定了他的新元素推测。与此同时，瑞利的实验也取得了突破，对同一问题的相同解释让他们开始了合作。在1894年8月英国学术奖励协会的年会上两人共同提出了这一新的发现，并将其命名为氩(Argon)。由于在过去近一个世纪的时间里对大气的研究均未有什么进展，大家普遍认为对空气的认识已经结束了，所以质疑之声扑面而来。为了证明氩本来就存在于空气中，瑞利和拉姆塞进行了一系列的实验，用实验征服了疑问。这一发现无疑震动了整个化学界，这就是“第三位小数的胜利”的故事。

随后拉姆塞又改进了吸收O2和N2的装置，在进行了大量的工作后获得了15升的氩，这使得随后发现其他稀有气体成为可能。

2.3 矿物中的氦

新元素的发现自然让人兴奋不已，然而更大的惊喜还在后

面。发现氩后不久，拉姆塞从他的朋友密尔斯那里得知美国地质勘测部的希尔布兰德(W.H.Hillebrand)从钇铀矿里提取出了一种疑似N2的气体。正沉浸于氩的性质探索的拉姆塞敏感地抓住了这一信息，怀疑气体里可能含有氩。他重复了实验，发现气体中并未有氩的踪影，当用光谱仪检测时，发现了类似于Na的黄色谱线。这让他顿生疑问，以为是棱镜脏了的缘故。可是在清洁棱镜之后黄色的谱线仍旧存在，拉姆塞坚信实验结果的客观性，他仔细地与Na的谱线加以对比，发现二者是稍有差别的，这就是27年前发现的太阳元素——氦。拉姆塞证明了当时科学界普遍认为的只有太阳上才有的元素在地球上同样存在，这不能不说是又一个振奋人心的消息。

2.4 精彩发现的继续

在随后的实验中，拉姆塞发现氩和氦均不与其他任何物质反应，这让对其原子量的测定成为一大难题。后来通过测定恒压比热和恒容比热，发现它们都是单原子分子，从而测定了原子量分别为4和39.88。由于它们性质过于稳定，化合价就是0，当时的元素周期表中好像没有它们的立身之地。拉姆塞认为应该为这两个元素另外开辟一个零行，同时预言还存在和氩、氦一系列的原子量约为20、82、130的三个元素，这个信念支撑着他开始了寻找新元素之旅。在对矿物、海水、矿泉水等进行搜索未果的情况下，他将视线移回到了

空气上。他认为以前之所以没有发现，可能是含量太少的缘故，这样实验的难度将会更大。然而他并未退缩，邀请了特拉弗斯(M.Travers)为助手，开始了攻坚战。

因为稀有气体特有的惰性，用化学方法分离肯定是行不通的，拉姆塞根据各物质汽化点的不同选择了物理方法。他们从制冷机的发明者汉普生(Hampson)那里得到了约1升的液态空气。拉姆塞非常珍惜，决定先用这些液态空气熟悉一下操作，惊喜就在这个过程中产生了。当他们用光谱仪检测分离了N2、O2和Ar后的气体时，发现有黄色和绿色的谱线闪烁着，这又是一个新元素!他们兴奋地连夜测定了其密度和原子量，将其命名为氪。

这一发现让拉姆塞信心大增，他们夜以继日地工作着。接下来他们先将之前制得的15升氩液化，当剩余12cm3液体时，发现了氖。在进一步分离氖的过程中，意外地发现了氦。原来氦不仅隐藏域矿区之中，它每天也在悄悄地与我们打着交道。随后，拉姆塞与特拉弗斯又从30升的液态空气中发现了3cm3的氙[3]。这样，预言在不到一年的时间里全被他们发现了，并分别落实了在周期表中的位置，再一次证实了元素周期律的正确性。其发现顺序见图2。接着，拉姆塞和他的学生又处理了不少于120吨的液态空气，为了寻找是否还有比氦轻比氙重的物质，结果再未有新的发现。

新的发现表明之前的氩并非纯氩，那么关于氩的各项数据

也就不准确，拉姆塞不厌其烦地进行着实验，进一步修改了数据，五种稀有气体的部分资料见表1。

表1 五种稀有气体相关资料[3~6]

元素符号发现时间名称

寓意光谱

颜色原子量

(拉姆塞测)原子量

(现在的值)空气中含量%

(拉姆塞测)空气中含量%

(现在的值)

He1895年3月太阳亮黄色

3.96

4.0024.0766×10-4

5.239×10-4

Ne1898年6月崭新红色

黄色19.9420.17971.238×10-31.818×10-3

Ar1894年8月懒惰者红色

绿色39.9239.9480.9370.934

Kr1898年5月隐藏绿色

黄色81.7683.85×10-65.239×10-4

Xe1898年7月陌生人蓝色

130.22131.295.9×10-78.6×10-6

从表中可以看出，关于原子量的测定值和现在的测定值之间存在一些差异，测得的Kr 和Xe在空气中的含量虽然也与