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

• 1903 年諾貝爾物理獎：貝克與居禮夫婦

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）。

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

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。

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。

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。