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没有氦!
看来拉姆赛估计错了。一个可能是空气中根本就没有氦气;另一个可能是氦气蒸发得很快,甚至比氧气和氮气蒸发得还快,它早就逃走了。
但是拉姆赛并不懊悔,他仔细观察光谱,发现了两条明亮的新谱线,一条是黄的,一条是绿的。这两条谱线跟已知物质的谱线都不重合。显然,放电管中除了氩气以外,还有一种新的气体。
拉姆赛在研究亿铀矿中的气体的时候,曾经把氦叫做氪。这一回,他把找氦的时候发现的新气体元素,叫做了“氪”。
就这样,拉姆赛想在空气中找氦,氦没有找着,却发现了氪。这真是意外的发现。
这是1898年5月24日的事。
在空气中找到了氦
这一回没有找到氦,拉姆赛并没有失去信心。他已经储存了15升由空气中提取的氨气,他相信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。新的实验开始了,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,积在球中大约有13~14立方厘米。
最后,他们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,他们把玻璃管中的未液化的气体抽了出来,装进了放电管。
通电以后,这气体在放电管中发出美丽的红光。
用光谱仪检查,拉姆赛和特莱凡斯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。
他们给这新气体元素起名字叫做neon(希腊文“新”的意思)——我国译作“氖”。
再仔细检查一下,他们在光谱中找到了那条黄线——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。
氦又被找到了。这个曾经是很神秘的太阳元素,原来在我们周围的空气中就有。
几年以后,拉姆赛在一次公开讲演中谈到氦的发现经过,他说:“寻找氦,使我想到了老教授找眼镜的笑话。他拼命的在地下找,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。氦也被找了很久,而它却就在空气里。”
空气里的新家族
在上面的实验里,15升由空气中提取的氩气被液态空气冻成了液体。拉姆赛和特莱凡斯首先抽出了液体上面没有液化的气体,发现了氖,还有氦。接着,他们让液体不断蒸发,并且一份一份地抽出蒸发的气体,检查它们的光谱。
开头,收集的气体大部分是氩,随后,就是不久前发现的氪。而把最后一点点气体装进放电管,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。
这种发蓝光的新的气体元素起名叫做xenon(希腊文“陌生”的意思)——我国译作“氙”。
就这样,拉姆赛在得到液态空气以后,不到一个半月,就在空气中又发现了三种新的气体元素——氟、氖和氙。
现在让我们来回顾一下这段历史:在瑞利和拉姆赛在空气中发现氩之前,科学家都认为空气是由氧和氮组成的。接着,拉姆赛和特莱凡斯又证明了先前发现的氩也不是纯的气体,它里面还混杂着氦、氖、所氪和氙。
为了研究这些气体的性质,拉姆赛和特莱凡斯蒸馏了大量的液态空气,他们得到了纯粹的氩气,纯粹的氪气和纯粹的氙气。但是氖气和氦气总是在一起,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。
需要比液态空气更低的温度,才有可能使氖气和氦气变成液体。这就需要用液态的氢。液态空气的沸点是零下192摄氏度,而液态氢气的沸点是零下253摄氏度。
可是哪里有液态的氢呢?前面提到的那位杜瓦,在1898年第一回制得了液态氢。可是他连液态空气都不肯给别人,更不用说液态氢了。怎么办呢?
特莱凡斯决心自己装一台机器制造液态氢。经过一番努力,液态氢真的得到了!头一批产品——100立方厘米的液态氢,立刻用来分离氖气和氦气。
氦气和氖气的混合气体送进了浸在液态氢中的玻璃小球,氖气不仅变成液体,而且立刻凝结成了固体,氦气却仍然是气体。于是,最难分离的氦气和氖气也分开了。
拉姆赛和特莱凡斯证明:在1升空气中大约有10立方厘米的氩气,18立方毫米的氖气,5立方毫米的氦气,1立方毫米的氪气,氙气最少,只有0。1立方毫米。
为了详细地研究这些气体的性质,他们先后用了3年时间。
他们测定了每种气体的密度,结果是按着氦、氖、氩、氪、氙的次序,一个比一个大。
他们做了许多化学实验,结果证明,这一群气体,不仅氩气和氦气,就是后发现的氖气、氢气和氙气,也不肯跟任何物质发生化学反应。它们极不活泼,所以人们把它们叫做“惰性气体”。在门捷列夫周期表上,氦、氖、氩、氪和氙形成单独的一族——零族元素。
在拉姆赛的时代,从空气中取得一点点纯粹的惰性气体,要花很大气力。所以人们也把它们叫做“贵气体”,或者“稀有气体”。
现在就不同了,世界各国都建立了大的气体工厂,这些工厂的原料就是空气。空气在工厂中先变成液体,再用分馏法来分离,制成纯粹的氮气、氧气和氩气,它们都装在钢瓶里出售。氦气、氖气、氪气和氙气也提纯了,装在特制的容器里,供给生产技术部门和科学研究单位使用。
这些“稀有气体”,现在都不是很难得到的东西,价钱也大大降低了,“贵气体”这个名字,现在不大有人用了。1962年,人工合成了氙跟铂、氟的化合物,以后又陆续合成了不少红的化合物和氙的化合物,如氟化氪、氯化氙、氧化氙等等。“惰性气体”这个名字,看来也不大正确了,但是由于习惯,现在仍然使用。
到处找氦
在历史上,氦被人们发现三次了:第一次在太阳上,第二次在钇铀矿里,第三次在空气里。这引起了当时科学家们的莫大兴趣。
既然空气里能找到氦,水里会不会有呢?既然在钇铀矿里有氦,别的矿物和岩石中会不会有呢?于是大家纷纷去找氦,当然同时也去找其他惰性气体。
化学家们检查了雨水、河水、海水、井水和各种矿泉水。他们发现水中也溶解有氦气和其他惰性气体,不过含量比空气中还少。只有矿泉水是例外,某些矿泉水中溶解有相当多的氦气。德国物理学家基索姆在一处山泉水中,拉姆赛在一处矿泉水中,瑞利在一个疗养院的地下水中,都发现了较多的氦气。
还有一些人在动植物体中去找氦,结果没有找到。有人还从各种鱼类的鱼鳔中取出气体来研究,发现鱼鳔中的气体与空气没什么两样。
在矿物和岩石中找氦的成绩比较大。其中含氦气最多的是锡兰岛出产的方钍矿,1千克方钍矿加热后,能放出10升氦气。
在研究了很多种矿石之后,拉姆赛有一个发现,那就是,含有铀和钍的矿石中总是有氦气,而不含铀和钍的矿石中就没有氦气。
真是怪事!氦是惰性气体,它不会跟铀和钍化合,这一点拉姆赛早已试验过了。但是在矿物中,氦为什么总是跟铀和钍一起出现呢?氦跟铀和钍有什么关系呢?
看不见的射线
正当拉姆赛在英国热心地寻找空气中的新气体的时候,法国的科学家们也作出了惊人的新发现。
在拉姆赛由钇铀矿中发现氦的第二年,1896年3月,法国巴黎的物理学家贝克勒尔也研究了铀的各种化合物和铀的矿石,但是他找到的不是氦,而是发现铀在不停地发出看不见的射线,也就是说,铀有放射性。
铀是1789年德国化学家克拉普罗斯发现的金属元素,它的外表像银,化学性质像钨。将近100年来,人们都认为铀和其他金属一样,是一种普通的元素。贝克勒尔的实验告诉我们:铀和一般元素不一样,它发出的看不见的射线,可以隔着黑纸使照相底片感光。这可是以前谁也不知道的事。是不是还有一些别的元素像铀一样,也能够发出看不见的射线呢?这吸引了不少科学家去研究。
1898年,拉姆赛和他的助手特莱凡斯一起发现了空气中的氦、氖、氪和氙。就在这同一年里,一位法国女科学家玛丽&;#183;居里不仅发现了钍也有放射性,而且在沥青铀矿里还发现了两种放射性更强的新的放射性元素——钋和镭。
1899年,另一位法国化学家德比尔纳发现了又一种新的放射性元素——锕。
几年之内,新发现了一批放射性元素——钋、镭、锕。对这些放射性元素的研究,又引起了新的发现。
居里夫妇在研究镭的时候发现:镭和空气接触以后,镭拿走了,可是留下的空气还有放射性,好像被镭传染了似的。1900年,德国科学家多恩研究了这个奇怪的现象,发现原来是镭在连续不断地放出一种气体,这种气体也有放射性,这种放射性气体被叫做“镭射气”。
差不多在同时,英国物理学家卢瑟福发现钍也会发出一种放射性气体,后来又发现锕也会发出一种放射性气体。这两种气体分别被叫做“钍射气”和“锕射气”。
这些放射性气体又是什么样的物质呢?
镭射气
1903年,卢瑟福和另一位化学家索地一起,详细地研究了镭射气。
最早,科学家利用使照相底片感光的办法来检查物质的放射性,后来就发明了另一种方法——利用荧光物质。有一些矿石(如硅锌矿)和一些化合物(如硫化锌),碰到了看不见的射线就会闪烁发光。所以,如果硅锌矿或硫化锌在闪烁发光,那就说明一定有放射性物质存在。
卢瑟福和索地在一根两端有活塞的玻璃管里装上一些硅锌矿粒。他们把吹过镭的表面的空气通到这根玻璃管里去,然后关闭玻璃管两端的活塞。把玻璃管拿进黑屋子里去,就看到硅锌矿在闪闪发光,亮得可以照清楚报纸上的大标题。只要把玻璃管中的气体抽掉,硅锌矿立刻不再发光了。这说明被空气带到玻璃管中的镭射气是放射性气体。
为了研究这种气体,卢瑟福和索地在这玻璃管后面接上一个U形管,U形管后面又接上一个圆底烧瓶,圆底烧瓶的壁上涂有硫化锌。他们把U形玻璃管浸到液态空气里,然后把含有镭射气的空气不断吹进去。这时候,装有硅锌矿粒的管子闪闪发光,而涂有硫化锌的烧瓶并不发光。不过,只要把U形管从液态空气中拿出来,过了一会,烧瓶壁上的硫化锌也开始发光了。
这个实验说明:液态空气可以使镭射气变成液体,因而流不到涂硫化锌的烧瓶里去。
更有趣的是把镭射气封在装有硅锌矿粒的玻璃管里,一开始发光很强,几天以后,光就减弱了,过了一个月左右,就完全不发光了。看来镭射气会慢慢地消失。
镭射气消失了,它变成了什么呢?
氦的诞生
为了解决镭射气变成了什么的问题,卢瑟福和索地决定去请教研究气体的专家拉姆赛。
卢瑟福和索地把尽可能多的用液态空气冻下来的镭射气封在管子里。索地带上这管镭射气,就去找拉姆赛。
拉姆赛热情地接待了索地,立刻和他一起研究镭射气。这是1903年春天的事。
镭射气被充到放电管中,通电后发出淡蓝色的光辉。拉姆赛和索地用分光镜观察镭射气的光谱。他们发现了三条新的谱线。镭射气原来是一种新的气体元素。这时候,在光谱里没有看见别的谱线。
两天以后,他们又检查这个充有镭射气的放电管的光谱。三条新的诺线还在老地方,只是比两大前减弱了;但是,出现了一条新的谱线,是黄色的。拉姆赛立刻认出来,这是他的老朋友——氦的谱线。
放电管是封死的,外面不会有气体跑进去。结论只有一个:镭射气变成了氦。
又过了两天,再