分享本文至 E-mail 信箱

學術引用格式

MLA (點一下全選)

APA (點一下全選)

EndNote(.enw)

1904 年諾貝爾物理獎:惰性氣體由我們一手包辦!—《物理雙月刊》

文/余海峯|馬克斯.普朗克地外物理研究所博士後研究員

在科學發展史上,不同學科的科學家合作研究往往能更有效地促進整體科學發展。

1904 年的諾貝爾獎就是證明:這一年的物理獎和化學獎分別頒發給兩位研究同一現象的科學家,他們是物理學家約翰.斯特拉特,第三代瑞利男爵(John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh)和化學家威廉.拉姆齊爵士(Sir William Ramsay)。

strutt

John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh。圖/nobelprize.org

ramsay

Sir William Ramsay。圖/nobelprize.org

在 19 世紀,人類已經知道世上存在眾多元素。不同元素的物理和化學特性互不相同,而其中有些元素的特性比較相似,化學家開始把元素分門別類。今天,我們都學過元素週期表,知道擁有相似特性的元素會歸入同一列,叫做族。週期表中最後一族的元素被叫做貴氣體或惰性氣體。故名思義,惰性氣體相對其他元素非常不活躍,因此直到 1894 年才被瑞利和拉姆齊共同發現。

不同的元素可以通過化學反應分離開來,或者以物理方法如冷凍或加壓後以變態(state change)的形式與其他物質分離。瑞利發現由這兩種方法分離出來的氮氣密度相差了 0.5%,而他的實驗精確度為 0.01%。這個相差明顯在誤差範圍之外,因此他嘗試以各種原因去解釋這個相差,不過全都失敗。

1894 年,瑞利舉行了一個講座,座上就有化學家拉姆齊。拉姆齊聽完講座之後非常有興趣,上前與瑞利討論誤差的來源。他們回到各自實驗室之後就立即進行各項實驗,並互相保持聯絡,交換研究進度。

瑞利和拉姆齊最終達成共識,認為已經排除了除了一個可能性以外所有原因。他們發表結論,認為是一種未知的氣體元素造成測量到的氦氣密度相差。他們成功分離出這種未知的氣體並研究其物理和化學特性。這氣體就是氬,惰性氣體的一員。現在我們知道由於惰性氣體的電子結構比其他族的元素穩定,使它們較不常發生化學反應,因此在 19 世紀前一直未被發現。

發現氬之後,瑞利和拉姆齊繼續共同研究,發現了其他惰性氣體:瑞利發現了之前僅在太陽光譜中觀測到的氦(氦的英文 helium 意指太陽)和與羅伯特.懷特洛-格雷(Robert Whytlaw-Gray)共同發現具有放射性的氡,而拉姆齊則發現了氖、氪和氙。現在我們看看元素週期表,就會發現自然的惰性氣體就只有這六種,在族中由輕到重的排序就是氦、氖、氬、氪、氙、氡。換句話說,瑞利和拉姆齊包辦了所有自然惰性氣體的發現

%e6%b0%a3%e9%ab%94%e6%94%be%e9%9b%bb

氦、氖、氬、氪、氙氣體放電發出的光的顏色、其元素代號和其可見光譜。圖/wikimedia

題外話,想必有讀者留意到瑞利的名字了。沒錯,瑞利同時是解釋「天氣為何是藍色的?」的科學家,瑞利散射定律(Rayleigh’s law of scattering)就是他發現的。根據瑞利散射定律,光線波長越短則其被空氣散射的強度越強,因此波長較短的藍色光更容易被地球大氣散射,我們就看到藍色的天空了。


38%e5%8d%b710%e6%9c%88%e8%99%9f%e5%b0%81%e9%9d%a2

 

本文摘自《物理雙月刊》38 卷 10 月號 ,更多文章請見物理雙月刊網站

你的行動知識好友泛讀已全面上線

每天有成千上百則內容透過社群與通訊軟體朝你湧來,要從混雜著偽科學、假消息、純八卦的資訊中過濾出一瓢知識解渴,在這時代似乎變得越來越難?

為了滿足更多跟我們一樣熱愛知識與學習的夥伴,現在我們很害羞也很驕傲地宣布,手機閱讀平台——泛讀 PanRead iOS 版和「泛讀」Android 版都上架啦!使用後有任何心得或建議,都歡迎與我們分享喔

立即下載 優質知識不漏接

 

 

 

關於作者

物理雙月刊

物理雙月刊

《物理雙月刊》為中華民國物理學會旗下之免費物理科普電子雜誌。透過國內物理各領域專家、學者的筆,為我們的讀者帶來許多有趣、重要以及貼近生活的物理知識,並帶領讀者一探這些物理知識的來龍去脈。透過文字、圖片、影片的呈現帶領讀者走進物理的世界,探尋物理之美。《物理雙月刊》努力的首要目標為吸引台灣群眾的閱讀興趣,進而邁向國際化,成為華人世界中重要的物理科普雜誌。