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發現稀有氣體

稀有氣體在自然界中的含量很少,並且不容易和其他物質作用,因此發現它們是一件很困難的事。稀有氣體的發現史標誌著人類鍥而不捨,追根究柢的研究精神。
 
 
 
稀有氣體在自然界中的含量很少,並且不容易和其他物質作用,因此發現它們是一件很困難的事。稀有氣體的發現前後共經歷了一個多世紀,整個過程既曲折又有趣。

在地球上,人類首先發現的稀有氣體是氬(argon, Ar)。早在1785年,在之前已經先發現氫的英國化學家開文迪虛(H. Cavendish)在空氣中通入過量的氧氣,用放電法使空氣中的氮氣和氧氣反應生成一氧化氮,然後用鹼溶液吸收它,剩餘的氧再用紅熱的銅除去。但即使把所有的氮氣和氧氣都除去了,仍然存在著少量的殘餘氣體。

開文迪虛報導了他觀察到的這項實驗結果,但在當時沒有引起其他化學家的注意,他本人也沒有再進一步研究。其實,在這「殘餘氣體」內就隱藏著另外一族的化學元素。如此一來,發現新元素的機會就這樣從他身邊溜走了。

大約再過一個世紀後,英國物理學家瑞禮男爵三世(Lord J.M.S. Rayleigh)在研究大氣中各種氣體的密度時,發現從空氣中除去氧以後,所得到「氮氣」的密度是1.2572克/公升,然而從氮化物中製得氮的密度是1.2507克/公升。雖然,兩者之間的差異只顯現在第三位小數上,但已經超過了當時的實驗誤差範圍。瑞禮並無法給予合理的解釋,便把這個實驗事實公布於世,徵求解答。

後來,英國化學家瑞姆賽爵士(Sir W. Ramsay)開始了這項新研究,經過瑞禮和瑞姆賽反覆精確地實驗,最後都得到一種空氣的殘餘氣體,這種氣體的體積約占原空氣體積的1%,而且比氮氣稍重,經過光譜分析後才斷定這種氣體是一種新元素。在1894年,瑞禮和瑞姆賽宣布了這一元素的發現,並且把它定名argon,有「懶惰」的意思,中文的譯名是氬。這也就是在科學界中廣被傳說的「第三位小數的勝利」。

氦(helium, He)的發現有些湊巧,它是唯一先在地球以外發現到的一種元素。1868年8月10日在印度發生日全食,法國天文學家楊森(P. C. Janssen)在觀測這次日全食時,從太陽光譜中得到一條波長587.49奈米的澄黃色光譜線。同時,英國天文學家洛克伊爾(J. N. Lockyer)也在不同的場合從太陽光譜中得到相同的發現。兩個人都寫信把這個結果通知巴黎科學院。

後來經過仔細分析,反覆核對當時地球上所有已發現元素的光譜線,都沒有這一條,因而認定這是一種在地球上尚未發現的新元素的光譜線。由於是在太陽上發現的,因此把它命名為有「太陽」意義的helium。這是人類首次在地球上發現「地球以外的元素」。在這以後的二十多年間,人們都一直認為「氦」只存在於太陽上,而不存在於地球上。

在1888~1890年間,美國化學家希爾布蘭德(W. F. Hillebrand)用硫酸處理瀝青鈾礦時,得到一種不活潑的氣體。雖然,這一種氣體實際上就是氦氣,但是他當時錯把它誤認成氮氣,也使他錯過了發現新元素的重大機會。

後來,瑞姆賽讀到這篇論文時,不同意他的看法。瑞姆賽隨即用另一種鈾礦(釔鈾礦)重複希爾布蘭德的實驗。瑞姆賽在取得氣體以後,借助光譜實驗,證明了這種氣體正好就是27年前在太陽光譜中發現的那種元素,進而證明了地球上也有氦的存在。在1895年的英國化學學會年會中,正式宣布在地球上也發現了元素氦。有些人也把氦的發現一起歸功給楊森、洛克伊爾和瑞姆賽3人。

在1894年宣布氬的誕生後,在1895年宣布地球上也有「氦」的存在。但是在當時的元素週期表中,並沒有這兩個元素的位置,而且它們的性質和鹼金屬(1A族)和鹵素(7A族)差別很大。因此聰明的瑞姆賽根據週期表的規律性,推測氦和氬可能是另一族的新元素,而且除了氦和氬以外,還有其他新元素。或者在氦和氬之間,很可能有另外一種元素。為此,他開始了新元素的探索工作。

最初瑞姆賽和他的助手崔弗斯(M. W. Travers)認為新元素可能與氦相似,存在於稀有礦物中。因此,他們對地球上所能得到的礦物,甚至包括從天空落下的隕石,都一一做了實驗,但都未能成功。後來受到「氬存在於空氣中」這一事實的啟發,又把希望寄託在空氣的分餾產物上。經過他們兩人的大量實驗,終於在1898年6月從空氣中取得了新元素-氖,英文名是neon(Ne),含有「新」的意思。

稀有氣體氪是在尋找氖的期間,幾乎可以說是順便發現的。瑞姆賽他們在液態空氣分餾產物中尋找氖時,蒸發液態空氣到最後只剩下很少的一部分,再把其中的氮氣和氧氣去掉。在確定留下來的是一種不活潑氣體以後,做鑑定並確定是新元素氪。它被命名為krypton(Kr),含有「隱藏」的意思,這時候已經是1898年5月30日了。

然後,他們用液態空氣的前餾部分,經過再處理,再借助光譜分析從中找到了氖,這是6月分的事情。瑞姆賽他們本來想要找氖,反而先得到了氪。他們無比地激動,當晚就測定了這種元素的原子量,測量結果是82.92,剛好處在溴(Br)和銣(Rb)之間,說明氪、氦和氬是同類,都是稀有氣體的成員。

在1898年7月12日,瑞姆賽和崔弗斯用新的空氣液化機,從空氣中又成功地分餾得到了xenon(Xe,氙),它的名字有「陌生人」的意義。從1898年5月底到同年的7月12日,短短的兩個月內,瑞姆賽他們就發現了3種稀有氣體,氖、氪和氙。由此可見,在發現新元素的過程中,化學元素週期表起了巨大的導引作用。

在1900年,德國物理學家同恩(F. E. Dorn)教授從放射性礦物中發現了常溫下最重的氣體-氡。它是鐳(Ra)釋放出阿爾法粒子後,放射性蛻變產物中的一種。起初,同恩教授把這種氣體叫做「鐳射氣」。一直到1923年才正式把它定名成氡(radon,Rn),是稀有氣體的第6個成員。

6個稀有氣體的發現差不多都和瑞姆賽有關,首先他和瑞禮在1894年發現了氬,1895年繼楊森、洛克伊爾在發現太陽光譜中的氦以後,他是第1個從地球上找到氦的人。而氖、氪和氙是他與崔弗斯合作所得的成果。即使在1900年發現氡以後,瑞姆賽還與英國的索迪(F. Soddy)教授在1903年確定氡是由鐳蛻變以後的產物,並確認這個放射性氣體是一種新元素,因此瑞姆賽不愧是稀有氣體的開創者。

由上述的稀有氣體發現史,可以知道在科學實驗中不放過一點點細微的差異,鍥而不捨,以及認真嚴肅的科學態度和一絲不苟的科學作風,是科學工作者成功的重要因素。
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