为周期表增补新家族的拉姆塞

William Ramsay 1852一1916


    拉姆塞1852年10月2日生于英国的格拉斯哥。他的父母结婚时,都已年近四十,自虑已没有生育子女的希望,没想到第二年就生下小拉姆塞。拉姆塞的父母都是善良聪明的苏格兰人,家庭幸福美满,他们努力使拉姆塞受到良好的教育。

    拉姆塞从小喜欢大自然,极善音律,爱读书也爱收藏书,而且很喜欢学习外语。他幼年时的许多行为,使成年人都感到吃惊。他小时经常坐在格拉斯哥自由圣马太教堂里,寂寞地好像是听卡尔文教徒讲道,大人们不明白这位活泼好动的孩子,为什么能安静地坐着。人们总看见他在阅读圣经,走近一看才明白,原来小拉姆塞看的不是英文版的圣经,而是看的法文版,有时又看德文版。他是在用这种方法学习法文和德文。拉姆塞去教堂的另一目的是看教堂的窗子,因为那窗上镶嵌着许多几何图形,他通过那些图形验证学校学的几何定理。

    拉姆塞14岁时,被格拉斯哥学院破格录取为大学生。他极肯钻研,他的同班同学菲夫回忆拉姆塞刚上大学时的情形说:“拉姆塞刚入大学时,我们还没学化学,但他一直在家中做各种实验,实验是在卧室中做的,他的卧室四处都放着药瓶,瓶里装着酸类、盐类、汞等等。那时我们才刚刚认识,印象中对他买化学药品和化学仪器很内行。下午,我们常在我家会面,一起做实验,如制取氢、氧,由糖制草酸等。我们还自制了许多玻璃用具,自制了本生灯,拉姆塞是制造玻璃仪器的专家。我相信,学生时代的训练,对他的一生大有好处,除了烧瓶和曲颈瓶以外,所有的仪器,都是我们自制的。”

    1870年,拉姆塞大学毕业。毕业后,去德国海德堡拜本生为师继续学习。一年以后,由本生推荐到蒂宾很大学继续深造,他在那里获博士学位。1872一1880年问,拉姆塞在格拉斯哥学院任教职, 1880年被布里斯托尔学院聘为化学教授, 1882年任该学院院长, 1888年被选为英国皇家学会会员, 1895年获戴维奖章,同年还被选为法国科学院院士, 1911年担任英国科学促进协会主席。1882年,英国化学家、剑桥大学化学教授瑞利(Rayleighj 1842一1919)研究空气的成分,他经过极为精密的定量分析发现,由氨制得的氮,总比由空气制得的氮轻5/1000,反复研究不得其解。于是,他将这一研究事实,刊登在英国《自然界》刊物上,遍请读者解答,但没能得到满意的答复。

    拉姆塞得知瑞利的研究以后:征得了瑞利的允许,也开始研究大气中氮的成分,他研究的方法是让空气在红热的镁上通过,让镁吸收空气中的氧和氮。经过反复作用,原空气体积的79/80都已被吸收,只余下1/80。起初,拉姆塞认为余下的气体是氮的一种变种,可能是类似臭氧的物阮但经过精密的光谱分析发现,余下的气体,除了氮的谱线以外,尚有原来人们不知道的红色和绿色各种谱线,经克鲁克斯分析,剩余气体的谱线多达200余条。

    1894年5月24日,拉姆塞给瑞利的信中与道:“您可曾想到,在周期表第一行最末的地方,还有空位留给气体元素这一事实吗?”同年8月7日他给瑞利的信中又写道:“我想最好用我们两个人的名义发表,对于您的提议,我非常感谢,因为我觉得,一个幸运的机会,已经使我能够制取大量的Q,此外还有两种X……”之后,正值英国科学协会在牛津开会,拉姆塞和瑞利向大会宣布,发现了一种惰性气体。与会学者都很吃惊,这一发现,以主席马登(H.0.Madan)的提议,定名为氩(Argon),即“懒惰的气体”。

    元素氖发现以后,拉姆塞在他开发的领域继续深入研究,1895年3月17日,他把他研究太阳元素氦的情况,写信给布卡南(Bachanan),信中说,“那种沥青铀矿经无机酸处理以后,放出的惰性气体,克鲁克斯认为它的光谱是新的,而我从处理方法上来看,我敢确定它不是氖,现在我们正忙于继续制取,数日以后,我希望能制得足量的做密度测定,我想,也许就是我们寻求已久的氢吧。”不到一周,拉姆塞就证明了,这种物质是氦。

    1895年3月24日,拉姆塞给他的夫人的信中写道:“先讲一个最新的消息吧,我把新气体先封人一个真空管,这样装好以后,就在分光器上看到它的光谱,同时也看到氖的光谱,这气体中是含有氩的,但是忽又见到一种深黄色的明线,光辉灿烂,和钠的光线虽不重合,可也相差不远,我惶惑了,开始觉得可疑。我把这事告诉了克鲁克斯,直到星期六早晨,克鲁克斯拍来电报。电文如下:从钒铀矿中分离出的气体,为氩和氦两神气体的混和物。”

    拉姆塞发现氩、氦两种气体以后,继续研究,又发现了氪、氖和氙。

    拉姆塞继续发现的各种惰性气体,多得特拉弗斯的帮助,他们设法取得了1升的液态空气,然后小心地分步蒸发,在大部分气体沸腾而去之后,遗下的残余部分,氧和氮仍占主要部分。他们进一步用红热的铟和镁吸收残余部分的氧和氮,最后剩下25毫升气体。他们把25毫升气体封人玻璃管中,来观察其光谱,看到了一条黄色明线,比氦线略带绿色,有一条明亮的绿色谱线,这些谱线,绝对不和已知元素的谱线重合。

    拉姆塞和特拉弗斯在1898年5月30日,把他们新发现的气体命名为氪(Krypton),意即隐藏的意思。他们当晚测定了这种气体的密度、原子量,同时发现,这种惰性气体应排在溴和铷两元素之间。为此,他们一直工作到深夜,特拉弗斯竟把第二天他自己要举行的博士论文答辩部忘得一干二净。

    拉姆塞和特拉弗斯用减压法继续分馏残留空气,收集了从氩气中挥发出的部分,他们发现,这种轻的部分,“具有极壮丽的光谱,带着许多条红线,许多淡绿线,还有几条紫线,黄线非常明显,在高度真空下,依旧显著,而且呈现着磷光。”他们深信,又发现了一种新的气体,特拉弗斯说:“由管中发出的深红色强光,已叙述了它自己的身世,凡看过这种景象的人,永远也不会忘记,过去两年的努力,以及在全部研究完成以前所必须克服的一切困难,都不算什么。这种未经前人发现的新气体,是以喜剧般的形式出现的,至于这种气体的实际光谱如何,目前尚无关紧要,因为我们就要看到,世界上没有别的东西,能比它发出更强烈的光来。”

    拉姆塞有个13岁的儿子名叫威利,他曾向父亲说:“这种新气体您打算怎么称呼它,我倒喜欢用nove这个词。”拉姆塞赞成他儿子的提议,但他认为不如改用同义的词neon,这样读起来更好听。这样, 1898年6月,新发现的气体氖就确定了名称,它含有“新奇”的意思。以后氖成了霓虹灯的重要材料。

    1898年7月12日,由于他们有了自己的空气液化机,从而制备了大量的氪和氖,把氖反复分次革取,又分离出一种气体,命名为xenon(氙)。含有“陌生人”的意思。

    拉姆塞晚年,从事放射学的研究,他在这方面的贡献也很大。1910年,他测定了氧的原子量,还提出最早的化合价电子理论。他一生著作很多,主要有《近代理论与系统化学》、《大气中的气体》、《现代化学》、《元素与电子》、《传记与化学论文集》等。1916年7月23日拉姆塞去世,享年64岁,著名科学家威廉·汤姆生在评述拉姆塞的伟大发现时指出:大部分学者认为科学的想象力更胜于精确的量度。其实,瑞利和拉姆塞的工作证明:一切科学上的伟大发现,几乎完全来自精确的量度和从大量伪数字中明察秋毫。拉姆塞的理论思维能力与动手能力都很强,他把发现的氦、氖、氩、氪和氙等气体,作为一族,完整地插入了化学元素周期表中,使化学元素周期表更加完善,他的这一工作,比每一个单独元素的发现都更为重要。

    拉姆塞告诫他的学生,做学问应当“

多看、多学、多试验,如取得成果,绝不炫耀。学习和研究中要顽强努力,一个人如果怕费时、怕费事,则将一事无成。”