1 生平介紹
1852年10月2日，威廉姆·拉姆塞出生于蘇格蘭格拉斯哥白金漢郡，然而，沒有人會想到這個孩子會成為舉世聞名的大科學(xué)家。拉姆塞的父親繼承祖?zhèn)鞯娜玖瞎S，日子算得上是小康，又因為他是獨(dú)子，所以倍受寵愛。拉姆塞從小就受到了良好的家庭教育，加上他的聰明好學(xué)，尚是孩童時就學(xué)習(xí)了德語、法語、小提琴等。少年時期的拉姆塞夢想當(dāng)一名足球運(yùn)動員，在他的心目中足球場上狂野的奔跑方能顯男兒本色。然而，在一次比賽中不慎摔傷了腿。躺在病床上養(yǎng)傷的拉姆塞為了打發(fā)時間，隨手拿起一本化學(xué)常識書，書中關(guān)于焰火的制備深深吸引了他，從此他的興趣點(diǎn)從足球轉(zhuǎn)移到了化學(xué)上。14歲那年，因為成績優(yōu)異被格拉斯哥大學(xué)破格錄取，在那里系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了化學(xué)知識。本科畢業(yè)后在本生(Robert Wilhelm Bunsen)的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)了一個學(xué)期，隨后又前往杜賓根大學(xué)學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)，于20歲那年獲得了博士學(xué)位，從此以后踏上了科學(xué)的神奇之路。
1872—1874 在安德森學(xué)院的Young化學(xué)實驗室做助手
1874—1880 在格拉斯哥大學(xué)做助教
1880—1887 在布里斯托大學(xué)任教，并擔(dān)任校長
1887—1913 在倫敦大學(xué)任教
拉姆塞是享譽(yù)全球的化學(xué)家，其一生榮譽(yù)滿載。不僅司職倫敦化學(xué)會、應(yīng)用化學(xué)會的會長，還擔(dān)任過國際應(yīng)用化學(xué)會和國際化學(xué)聯(lián)合會的會長。1895年榮獲戴維獎?wù)拢?902年獲得爵位，因發(fā)現(xiàn)六種稀有氣體并確定了它們在元素周期表中的位置而于1904年獲諾貝爾化學(xué)獎。各國授予的獎?wù)�、勛章、榮譽(yù)稱號更是不計其數(shù)。曾有人這樣評價他：“隨著威廉爵士的故去，科學(xué)界失去了一位機(jī)智的實驗者和大膽的預(yù)言家。”[1]為了紀(jì)念這一偉大的化學(xué)家，在瑞利的倡議下建立了拉姆塞基金，一部分作為獎學(xué)金，一部分用于重建倫敦大學(xué)的化工實驗室。
圖1 拉姆塞在實驗室(他面前的多普勒泵是進(jìn)行有關(guān)稀有氣體研究工作的重要儀器)
2 與稀有氣體的邂逅
2.1 瑞利的難題
1785年卡文迪什(H.Cavebdish)在電火花放電條件下化合N2和O2的實驗中，發(fā)現(xiàn)最終總會殘留一個體積約為原有體積1/120的小氣泡，他認(rèn)為是沒有反應(yīng)完的N2而沒有再去注意。1893年瑞利(Lord Rayleigh)在測N2密度時發(fā)現(xiàn)同樣是1升的N2，從空氣中獲得的質(zhì)量是1.2572克，而從化合物中制得的為1.2505克[2]。這0.54%的偏差已經(jīng)超出了誤差允許范圍。當(dāng)他重復(fù)卡文迪什的實驗后，同樣發(fā)現(xiàn)了反應(yīng)殘留的小氣泡。這些問題另瑞利百思不得其解，他將疑難刊登在《Nature》上，尋求大家的幫助。
2.2 氬的發(fā)現(xiàn)
拉姆塞對此問題頗感興趣，他決定嘗試解決。他先用Cu除去空氣中的O2，再通過氣泵將N2在裝有紅熱的鎂粉的玻璃管中來回抽動，使二者能夠充分反應(yīng)。幾天之后測量剩余氣體的比重為16.1，開始他認(rèn)為是存在類似于O3的N3的緣故�？墒钱�(dāng)反應(yīng)進(jìn)一步發(fā)生，剩余氣體的比重竟高達(dá)20!這時他才意識到可能混有其他比較重的新元素。當(dāng)他用光譜分析儀檢測最終未參與反應(yīng)的氣體時，發(fā)現(xiàn)從紅色到綠色段出現(xiàn)了陌生的光譜，當(dāng)即肯定了他的新元素推測。與此同時，瑞利的實驗也取得了突破，對同一問題的相同解釋讓他們開始了合作。在1894年8月英國學(xué)術(shù)獎勵協(xié)會的年會上兩人共同提出了這一新的發(fā)現(xiàn)，并將其命名為氬(Argon)。由于在過去近一個世紀(jì)的時間里對大氣的研究均未有什么進(jìn)展，大家普遍認(rèn)為對空氣的認(rèn)識已經(jīng)結(jié)束了，所以質(zhì)疑之聲撲面而來。為了證明氬本來就存在于空氣中，瑞利和拉姆塞進(jìn)行了一系列的實驗，用實驗征服了疑問。這一發(fā)現(xiàn)無疑震動了整個化學(xué)界，這就是“第三位小數(shù)的勝利”的故事。
隨后拉姆塞又改進(jìn)了吸收O2和N2的裝置，在進(jìn)行了大量的工作后獲得了15升的氬，這使得隨后發(fā)現(xiàn)其他稀有氣體成為可能。
2.3 礦物中的氦
新元素的發(fā)現(xiàn)自然讓人興奮不已，然而更大的驚喜還在后面。發(fā)現(xiàn)氬后不久，拉姆塞從他的朋友密爾斯那里得知美國地質(zhì)勘測部的希爾布蘭德(W.H.Hillebrand)從釔鈾礦里提取出了一種疑似N2的氣體。正沉浸于氬的性質(zhì)探索的拉姆塞敏感地抓住了這一信息，懷疑氣體里可能含有氬。他重復(fù)了實驗，發(fā)現(xiàn)氣體中并未有氬的蹤影，當(dāng)用光譜儀檢測時，發(fā)現(xiàn)了類似于Na的黃色譜線。這讓他頓生疑問，以為是棱鏡臟了的緣故。可是在清潔棱鏡之后黃色的譜線仍舊存在，拉姆塞堅信實驗結(jié)果的客觀性，他仔細(xì)地與Na的譜線加以對比，發(fā)現(xiàn)二者是稍有差別的，這就是27年前發(fā)現(xiàn)的太陽元素——氦。拉姆塞證明了當(dāng)時科學(xué)界普遍認(rèn)為的只有太陽上才有的元素在地球上同樣存在，這不能不說是又一個振奮人心的消息。
2.4 精彩發(fā)現(xiàn)的繼續(xù)
在隨后的實驗中，拉姆塞發(fā)現(xiàn)氬和氦均不與其他任何物質(zhì)反應(yīng)，這讓對其原子量的測定成為一大難題。后來通過測定恒壓比熱和恒容比熱，發(fā)現(xiàn)它們都是單原子分子，從而測定了原子量分別為4和39.88。由于它們性質(zhì)過于穩(wěn)定，化合價就是0，當(dāng)時的元素周期表中好像沒有它們的立身之地。拉姆塞認(rèn)為應(yīng)該為這兩個元素另外開辟一個零行，同時預(yù)言還存在和氬、氦一系列的原子量約為20、82、130的三個元素，這個信念支撐著他開始了尋找新元素之旅。在對礦物、海水、礦泉水等進(jìn)行搜索未果的情況下，他將視線移回到了空氣上。他認(rèn)為以前之所以沒有發(fā)現(xiàn)，可能是含量太少的緣故，這樣實驗的難度將會更大。然而他并未退縮，邀請了特拉弗斯(M.Travers)為助手，開始了攻堅戰(zhàn)。
因為稀有氣體特有的惰性，用化學(xué)方法分離肯定是行不通的，拉姆塞根據(jù)各物質(zhì)汽化點(diǎn)的不同選擇了物理方法。他們從制冷機(jī)的發(fā)明者漢普生(Hampson)那里得到了約1升的液態(tài)空氣。拉姆塞非常珍惜，決定先用這些液態(tài)空氣熟悉一下操作，驚喜就在這個過程中產(chǎn)生了。當(dāng)他們用光譜儀檢測分離了N2、O2和Ar后的氣體時，發(fā)現(xiàn)有黃色和綠色的譜線閃爍著，這又是一個新元素!他們興奮地連夜測定了其密度和原子量，將其命名為氪。
這一發(fā)現(xiàn)讓拉姆塞信心大增，他們夜以繼日地工作著。接下來他們先將之前制得的15升氬液化，當(dāng)剩余12cm3液體時，發(fā)現(xiàn)了氖。在進(jìn)一步分離氖的過程中，意外地發(fā)現(xiàn)了氦。原來氦不僅隱藏域礦區(qū)之中，它每天也在悄悄地與我們打著交道。隨后，拉姆塞與特拉弗斯又從30升的液態(tài)空氣中發(fā)現(xiàn)了3cm3的氙[3]。這樣，預(yù)言在不到一年的時間里全被他們發(fā)現(xiàn)了，并分別落實了在周期表中的位置，再一次證實了元素周期律的正確性。其發(fā)現(xiàn)順序見圖2。接著，拉姆塞和他的學(xué)生又處理了不少于120噸的液態(tài)空氣，為了尋找是否還有比氦輕比氙重的物質(zhì)，結(jié)果再未有新的發(fā)現(xiàn)。
新的發(fā)現(xiàn)表明之前的氬并非純氬，那么關(guān)于氬的各項數(shù)據(jù)也就不準(zhǔn)確，拉姆塞不厭其煩地進(jìn)行著實驗，進(jìn)一步修改了數(shù)據(jù)，五種稀有氣體的部分資料見表1。
表1 五種稀有氣體相關(guān)資料[3~6]
元素符號發(fā)現(xiàn)時間名稱
寓意光譜
顏色原子量
(拉姆塞測)原子量
(現(xiàn)在的值)空氣中含量%
(拉姆塞測)空氣中含量%
(現(xiàn)在的值)
He1895年3月太陽亮黃色3.964.0024.0766×10-45.239×10-4
Ne1898年6月嶄新紅色
黃色19.9420.17971.238×10-31.818×10-3
Ar1894年8月懶惰者紅色
綠色39.9239.9480.9370.934
Kr1898年5月隱藏綠色
黃色81.7683.85×10-65.239×10-4
Xe1898年7月陌生人藍(lán)色130.22131.295.9×10-78.6×10-6
從表中可以看出，關(guān)于原子量的測定值和現(xiàn)在的測定值之間存在一些差異，測得的Kr 和Xe在空氣中的含量雖然也與現(xiàn)在的含量相差一個數(shù)量級，但是只需想象一下一百多年前的拉姆塞是在什么樣的條件下進(jìn)行的測量工作，況且他已經(jīng)盡力做到精確，這樣的成就無疑是卓越的、非凡的。
2.5 放射化學(xué)中的驚喜
1898年居里(Maria Curie)發(fā)現(xiàn)了鐳，并首先觀測到處于鐳化合物周圍的空氣帶電。鐳及其放射性的發(fā)現(xiàn)在物理和化學(xué)界均開辟了一個新的研究領(lǐng)域，拉姆塞對此也頗感興趣。1900年德國科學(xué)家多恩(F.Dorn)首先發(fā)現(xiàn)了“鐳射氣”，即222Rn。隨后，拉姆塞、盧瑟福(Ernest Rutherford，1871—1937)和索迪(Frederick Soddy，1877—1956)對“鐳射氣”的化學(xué)性質(zhì)和光譜進(jìn)行了分析，確定這是一個性質(zhì)同氬系列相似的新元素，拉姆塞將其名稱由Radium Emanation改為Nion，即氡。1923年國際化學(xué)會議上建議將Nion改為了如今的Radon。拉姆塞邀請索迪一起研究“鐳射氣”，發(fā)現(xiàn)鐳在衰變過程中除了產(chǎn)生氡以外，還放出了氦。這就證實了盧瑟福的α粒子就是氦原子的理論，這也是元素蛻化理論的第一個證據(jù)。當(dāng)時許多科學(xué)家都在努力測量鐳和氡的原子量，其中居里夫人測得值為225.2，拉姆塞和戈瑞(Robert Whytlay-Gray)在他人基礎(chǔ)上，測得鐳的原子量為226.36[7]，氡的原子量為222.4[8]。并將氡列入零族，至此完成了對零族元素的所有發(fā)現(xiàn)。
3 早期活動
因為發(fā)現(xiàn)稀有氣體拉姆塞成為舉世聞名的化學(xué)家，但是在此之前他在研究方面也取得了很大的成就。從1874年公開發(fā)表的第一篇文章開始，到發(fā)現(xiàn)氬之前可考證的公開發(fā)表文章共78篇，涉及無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)和物理化學(xué)方面。雖然這些工作沒有為他帶來多大的榮譽(yù)，但是這些工作經(jīng)歷和對化學(xué)科學(xué)的持久熱愛為以后的輝煌奠定了基礎(chǔ)。而他的一生發(fā)表了近200多篇科技論文，這是多么豐碩的成果!
1880年拉姆塞前往布里斯托大學(xué)任教，并于第二年擔(dān)任校長。布里斯托大學(xué)成立于1876年，由于缺乏公共的資助，學(xué)校的發(fā)展可謂舉步維艱。在拉姆塞的帶領(lǐng)下，學(xué)校度過了困難期。在繁忙的工作之余，拉姆塞非常熱衷于化學(xué)研究。同楊格(Sydney Young)一起開展了物理化學(xué)方面的研究工作，進(jìn)行了液體的蒸汽張力、表面張力和熱力學(xué)等方面的研究。
在倫敦大學(xué)任職期間，他摒棄了以往單純看重考試分?jǐn)?shù)的評價標(biāo)準(zhǔn)。他認(rèn)為考試不能作為衡量個人能力的首要手段，提倡將平時的工作表現(xiàn)也加入考核的范圍，這與當(dāng)今的學(xué)習(xí)檔案袋評價很是相似。他鼓勵學(xué)生盡可能早的開始科學(xué)方面的探索和研究;對學(xué)生關(guān)愛有加，師生相處地非常和諧;他的熱情感染著身邊的每一個人，鑒于以上幾個方面，許多優(yōu)秀的學(xué)生從世界各地趕來聆聽他的教誨，我國著名化學(xué)家丁緒賢就曾在他的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)過。他十分崇尚科學(xué)理論，是第一個將范特霍夫的溶液理論和阿侖尼烏斯的電力學(xué)說介紹到英國的人[9]。另外，他還是一名優(yōu)秀的語言學(xué)家，精通英、德、意、法四國語言，對漢語也頗感興趣。
4 啟示
4.1 大膽預(yù)測，小心求證
1869年門捷列夫根據(jù)當(dāng)時已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的63種元素整理出元素周期表并提出元素周期律。周期表中給許多元素留下了位置，唯獨(dú)沒有氬系列的容身之地。拉姆塞一方面堅信元素周期律的科學(xué)性，一方面又相信實驗結(jié)果的客觀性，他認(rèn)為既然新元素的性質(zhì)如此穩(wěn)定，按照化合價理論就應(yīng)該是0價，因此他做出理性決策：應(yīng)該在原周期表的基礎(chǔ)上增添一個零行。正是基于元素周期律，他于1897年在多倫多召開的英國學(xué)術(shù)獎勵年會上預(yù)言，自然界中還存在三種類似于氬和氪的元素，并給出了它們的原子量約為20、82和130。這為以后的探索和發(fā)現(xiàn)提供強(qiáng)有力的理論支持。
由于稀有氣體在空氣中的含量很少，這客觀上給拉姆塞的實驗帶來了巨大的難度。在提取空氣中的氬以及分離礦物中的氦的過程中，已經(jīng)感受到了實驗的艱巨，更何況是含量更低的另外三種氣體呢?但是，拉姆塞并未被困難擊退，發(fā)現(xiàn)的渴望激勵著他夜以繼日地勞作，只為盡快揭開它們神秘的面紗。雖然從1升的液態(tài)空氣中發(fā)現(xiàn)了氪是意料之外的收獲，但是將15升的液態(tài)氬分離至12cm3，將30升的液態(tài)空氣分離的僅剩3cm3，這個過程中的艱辛是不言而喻的。在測氡的原子量時，更是只獲得了0.005cmm3的氣體![3]拉姆塞對真理的執(zhí)著追求以及實驗的高超技術(shù)為他帶來了巨大的成功，也向世人展示了自然界的豐富。
4.2 精誠合作，共攀高峰
由于拉姆塞耕耘的是科學(xué)上的一塊處女地，憑他的一己之力可能會陷入困境，難以尋得答案。所謂“獨(dú)學(xué)而無友，則孤陋而寡聞”，拉姆塞深諳此道，在他探索的過程中，先后與楊格、瑞利、特拉弗斯、索迪、戈瑞等人并肩協(xié)作，他們?yōu)榱斯餐哪繕?biāo)，擁有共同的話語，一樣的熱血澎湃，一樣的充滿激情，只為探尋真理。如果說氬的發(fā)現(xiàn)得益于瑞利對數(shù)據(jù)的敏感，那么另外幾個元素則是拉姆塞及其合作者細(xì)膩的實驗與精湛的技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。
本著對科學(xué)的熱愛，拉姆塞與他的合作者建立了非常和諧友好的關(guān)系。1908年在倫敦的一次聚會上，瑞利就向與會者提議為拉姆塞干杯，他表示氬的發(fā)現(xiàn)大部分應(yīng)歸功于拉姆塞，拉姆塞應(yīng)得到更多的榮譽(yù)。
4.3 轉(zhuǎn)換思路，柳暗花明
由于零族元素性質(zhì)十分穩(wěn)定，在當(dāng)時并未發(fā)現(xiàn)可以與其他任何物質(zhì)形成化合物，無法用化學(xué)方法證明新元素的分子結(jié)構(gòu)。面對這種特殊的元素，拉姆塞另辟蹊徑，通過測定恒壓比熱和恒容比熱的比值來判斷分子結(jié)構(gòu)，完成了測定。采用化學(xué)方法將微量的氣體從空氣中分離出來是行不通的，轉(zhuǎn)而運(yùn)用先液化再汽化的物理方法則達(dá)到了預(yù)期的效果。從空氣中提純氖的過程中意外發(fā)現(xiàn)了氦，但是接下來就遇到了一個難題，因為氦的沸點(diǎn)最低，如何讓二者分離呢?許多方法都以失敗告終，最終拉姆塞將混合氣體壓縮到一個管子里放入液態(tài)氫中強(qiáng)冷，這時氖變成了固體，而氦仍是氣體，因此完成了分離[3]。
光譜分析儀，制冷機(jī)，精確天平，這些技術(shù)上的先進(jìn)產(chǎn)物都被運(yùn)用在拉姆塞的發(fā)現(xiàn)實驗中。試想，如果拉姆塞閉門造車、固步自封，他很有可能與這些偉大的發(fā)現(xiàn)失之交臂。正是他開闊的思路，勇于嘗試、敢于突破的探索精神向世人呈現(xiàn)了化學(xué)發(fā)現(xiàn)的精彩。
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