诺贝尔奖：小数点误差引发瑞利和拉姆塞的发现

夜幕降临，当您漫步在大街上，一定会为五彩缤纷、闪烁变幻的霓虹灯所吸引。可能您也知道，在霓虹灯管里充满的是惰性气体——氦、氩、氖、氪、氙等。说起惰性气体的发现，还有一个有趣的小故事，这是由小数点后第三位数字的误差所导致的重大发现。

瑞利

拉姆塞

英国物理学家瑞利（原名约翰·威廉·斯特拉特（John William Strutt），尊称瑞利男爵三世（Third Baron Rayleigh））是英国著名的卡文迪许实验室的第二任主任。他以善于用较简单的实验设备获得十分精确的数据而著称，把卡文迪许实验室发展为高级实验中心。他精心制订了研究计划，其中包括重新精密地测定“欧姆”、“安培”和“伏特”3个物理量的工作。

瑞利从1882年开始研究大气中各种气体的密度。在当时大多数人都深信，大气的主要成分是氧和氮，还有少量的碳酸气和水蒸气。瑞利用不同的方法来制取纯净的氧，测得了它们的密度完全一样，并确定了氢和氧的密度之比为1∶15.882。在测定氮的密度时，他发现，从大气中除去氧、碳酸气和水蒸气所得的氮气的密度为1.257 2克/升，而由亚硝酸氨制得的氮的密度却是1.250 8克/升，两者相差为0.006 4克/升。尽管这个误差是在实验容许的误差范围之内，但瑞利没有放过这小数点后第三位数字上的误差，他以万分之一克的精密天平反复测量，结果发现这个差别仍然存在。瑞利对此百思而不得其解。

瑞利在《自然》杂志上公开征答。一位学者向瑞利提供了卡文迪许在一个世纪前遇到的一个重要实验事实：在玻璃容器里用电火花使氮和氧化合，不论化合过程延续多久，总有一个小气泡不能被氧化，卡文迪许猜想空气中的浊气不是单一的，还有一种不与氧化合的成分，其总量不超过全部空气的1/120。另一位有心人、年轻的化学家威廉·拉姆塞（William Ramsay）表示要与瑞利合作。

瑞利重复了卡文迪许的实验，发现在电火花使氮和氧化合的过程中，果然有小气泡不能被氧化，他认为卡文迪许的猜想是有道理的。他和拉姆塞进行了多次测定，以判断“从化合物中制得的氮”和“从空气中制得的氮”是不是一回事。他们先把“从化合物中制得的氮”与镁一起加热，或与氧混合通以电火花，并且用“从空气中制得的氮”进行同样的试验，对两者进行对照。结果证明前者制得的氮是纯氮，后者不是纯氮，含有较重的新元素，并测得这种新气体1升的重量是1.781 5克，密度为19.94（当氧的密度为16时）。在100体积的氮里含有1.186体积，也就是1/84。而测得1升纯氮的重量为1.250 2克。在不纯的氮中，由于含有1.186%的这种气体，所以1升重量应该为1.257 2克。这个计算值与瑞利“从空气中制得的氮”所测得的实验值完全一致，“这些数据的精密一致几乎使人高兴得流泪。”瑞利和拉姆塞如是说。

他们用分光镜对新气体进行光谱分析，发现有橙色和绿色的各组明线。这是有别于已知气体元素的光谱的。他们同时又委托光谱分析权威克鲁克斯协助验证，很快克鲁克斯确证了未知气体——一种新元素的存在。

1894年8月3日，在牛津召开的英国科学振兴会上，拉姆塞和瑞利公布了这一发现。新元素被命名为氩（Argon，意为“懒惰者”）。他们以辛勤的劳动请出了躲藏在深处的“懒惰者”。

然而，在当时有相当多的化学家不认可这一发现，他们坚持认为像空气这种几百年来被人们分析和讨论到了家的气体中，存在着近1%的新元素是不可能的，还有人声称，由于空气中含少量叠氮（N3），才导致空气中氮的密度略大。

从这一年的9月起，瑞利和拉姆塞再次开展了对氩气的实验研究，寻找更有说服力的事实。他们制得了更多的氩，经过反复测量，得到氩的密度为19.94。瑞利又采集了溶于水的空气，在去除氧气之后，收集氮气并精密测定其密度，测得大于空气中氮气的密度，瑞利的测试结果如下表所列，这就证明了氩气原来就包含在空气中，而不是经过除去氧和氮等化学操作所生成的。

他们通过多种实验证明氩的化学特性极不活泼，把氩与其他气体、固体或液体混合在一起加热或者通电，都未发生任何化合和分解现象，它确实是化学性质不同于N3的惰性元素；用物理法测得氩的恒压热容Cp与恒容热容Cv之比为1.653，从而推知氩为单原子分子，进而求得其原子量为40，无可辩驳地确证了新元素氩的客观存在。(www.xing528.com)

发现氩以后，拉姆塞经过不懈的努力，又相继发现了氦、氪、氙、氖和氡等惰性气体。

瑞利因“对一些重要的气体密度的研究，以及这些研究的成果之一——氩的发现”而荣获1904年度的诺贝尔物理学奖。拉姆塞“因其发现新族元素——惰性元素”而获得1904年度的诺贝尔化学奖。

【点评】

氩是人类发现的第一个惰性元素，这是由不起眼的小数点后的第三位数字的误差提供的机遇所导致的重大发现。两位科学家为此同时获得诺贝尔奖，这在科学历史上被传为佳话。事实上，瑞利早在1875年就在气体密度方面存有疑问。在许多人都认为原子的重量都严格地等于氢原子重量的整数倍时，瑞利就已经觉察到了有例外——氧和氢的密度不是严格的整数倍（在当时最精确的值为15.96∶1），这个疑点导致了他以后近十年的精密实验测量，并把他引向了辉煌的顶点。

对科学研究中遇到的可疑之处，哪怕是细小的差别紧追不放、穷追不舍，是瑞利取得成功的关键所在，然而这需要具备明察秋毫的洞察力、一丝不苟的科学研究态度、辛勤的劳动和精益求精的精神。

拉姆塞发现氩以后，又连续发现4个惰性元素，在科学史上创下了奇迹。他若没有观察任何细枝末节的求真精神、严谨的科学态度和实事求是的风格，就不会注重研究实验测试的细微误差，就不会留意剩余氮气密度逐渐上升的变化，也就不能发现隐藏在这些可能被忽略的数据和现象背后的稀有元素。拉姆塞的座右铭是：“多看、多学、多试。如有成果，绝不炫耀。一个人如果怕费时费事则将一事无成。”这使他能够在科研活动中明察秋毫，在别人以为是贫瘠的荒漠里，寻找到肥沃的绿洲，缜密精细的观察本身就是智慧的开拓和运用。

拉姆塞所做出的巨大努力令人惊叹不已。在发现氦的过程中，他曾经研究了一百五十多种稀有矿物、7种陨石、二十多种矿泉水和海水，耗费了大量的时间和精力；在寻找其他惰性气体的过程中，他将百余升液体空气慢慢蒸发，逐一检查，正如他的好友汉普松所指出的：“这个工作不是懒汉所欢迎的。”看来，捕捉机遇需要有准备的头脑，更需要艰苦的劳动和辛勤的汗水。

参考文献

［1］陈敬铨.启示之光——科学发现的契机［M］.合肥：安徽教育出版社，2003：139—147.

［2］刘会敏，胡志刚.机智的实验者和大胆的预言家［J］.化学教育，2012（7）：73—75.

（陈敬铨）