歷史 物理

1904年諾貝爾物理獎:約翰.斯特拉特

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撰文者:余海峯 博士
發文日期:2016-11-01
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  • 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)。
    螢幕快照 2016-08-21 下午5_19_02
    [左:瑞利的諾貝爾物理獎官方照片。右:拉姆齊的諾貝爾化學獎官方照片。]
     
    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。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)同共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。

     
    1904
    [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。Credit: Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Noble_gas]
     
    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。
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