1 生平介紹
1852年10月2日，威廉姆·拉姆塞出生于蘇格蘭格拉斯哥白金漢郡，然而，沒有人會想到這個孩子會成為舉世聞名的大科學家。拉姆塞的父親繼承祖?zhèn)鞯娜玖瞎S，日子算得上是小康，又因為他是獨子，所以倍受寵愛。拉姆塞從小就受到了良好的家庭教育，加上他的聰明好學，尚是孩童時就學習了德語、法語、小提琴等。少年時期的拉姆塞夢想當一名足球運動員，在他的心目中足球場上狂野的奔跑方能顯男兒本色。然而，在一次比賽中不慎摔傷了腿。躺在病床上養(yǎng)傷的拉姆塞為了打發(fā)時間，隨手拿起一本化學常識書，書中關(guān)于焰火的制備深深吸引了他，從此他的興趣點從足球轉(zhuǎn)移到了化學上。14歲那年，因為成績優(yōu)異被格拉斯哥大學破格錄取，在那里系統(tǒng)地學習了化學知識。本科畢業(yè)后在本生(Robert Wilhelm Bunsen)的指導下學習了一個學期，隨后又前往杜賓根大學學習有機化學，于20歲那年獲得了博士學位，從此以后踏上了科學的神奇之路。
1872—1874 在安德森學院的Young化學實驗室做助手
1874—1880 在格拉斯哥大學做助教
1880—1887 在布里斯托大學任教，并擔任校長
1887—1913 在倫敦大學任教
拉姆塞是享譽全球的化學家，其一生榮譽滿載。不僅司職倫敦化學會、應(yīng)用化學會的會長，還擔任過國際應(yīng)用化學會和國際化學聯(lián)合會的會長。1895年榮獲戴維獎?wù)拢?902年獲得爵位，因發(fā)現(xiàn)六種稀有氣體并確定了它們在元素周期表中的位置而于1904年獲諾貝爾化學獎。各國授予的獎?wù)�、勛章、榮譽稱號更是不計其數(shù)。曾有人這樣評價他：“隨著威廉爵士的故去，科學界失去了一位機智的實驗者和大膽的預(yù)言家。”[1]為了紀念這一偉大的化學家，在瑞利的倡議下建立了拉姆塞基金，一部分作為獎學金，一部分用于重建倫敦大學的化工實驗室。
圖1 拉姆塞在實驗室(他面前的多普勒泵是進行有關(guān)稀有氣體研究工作的重要儀器)
2 與稀有氣體的邂逅
2.1 瑞利的難題
1785年卡文迪什(H.Cavebdish)在電火花放電條件下化合N2和O2的實驗中，發(fā)現(xiàn)最終總會殘留一個體積約為原有體積1/120的小氣泡，他認為是沒有反應(yīng)完的N2而沒有再去注意。1893年瑞利(Lord Rayleigh)在測N2密度時發(fā)現(xiàn)同樣是1升的N2，從空氣中獲得的質(zhì)量是1.2572克，而從化合物中制得的為1.2505克[2]。這0.54%的偏差已經(jīng)超出了誤差允許范圍。當他重復(fù)卡文迪什的實驗后，同樣發(fā)現(xiàn)了反應(yīng)殘留的小氣泡。這些問題另瑞利百思不得其解，他將疑難刊登在《Nature》上，尋求大家的幫助。
2.2 氬的發(fā)現(xiàn)
拉姆塞對此問題頗感興趣，他決定嘗試解決。他先用Cu除去空氣中的O2，再通過氣泵將N2在裝有紅熱的鎂粉的玻璃管中來回抽動，使二者能夠充分反應(yīng)。幾天之后測量剩余氣體的比重為16.1，開始他認為是存在類似于O3的N3的緣故。可是當反應(yīng)進一步發(fā)生，剩余氣體的比重竟高達20!這時他才意識到可能混有其他比較重的新元素。當他用光譜分析儀檢測最終未參與反應(yīng)的氣體時，發(fā)現(xiàn)從紅色到綠色段出現(xiàn)了陌生的光譜，當即肯定了他的新元素推測。與此同時，瑞利的實驗也取得了突破，對同一問題的相同解釋讓他們開始了合作。在1894年8月英國學術(shù)獎勵協(xié)會的年會上兩人共同提出了這一新的發(fā)現(xiàn)，并將其命名為氬(Argon)。由于在過去近一個世紀的時間里對大氣的研究均未有什么進展，大家普遍認為對空氣的認識已經(jīng)結(jié)束了，所以質(zhì)疑之聲撲面而來。為了證明氬本來就存在于空氣中，瑞利和拉姆塞進行了一系列的實驗，用實驗征服了疑問。這一發(fā)現(xiàn)無疑震動了整個化學界，這就是“第三位小數(shù)的勝利”的故事。
隨后拉姆塞又改進了吸收O2和N2的裝置，在進行了大量的工作后獲得了15升的氬，這使得隨后發(fā)現(xiàn)其他稀有氣體成為可能。
2.3 礦物中的氦
新元素的發(fā)現(xiàn)自然讓人興奮不已，然而更大的驚喜還在后面。發(fā)現(xiàn)氬后不久，拉姆塞從他的朋友密爾斯那里得知美國地質(zhì)勘測部的希爾布蘭德(W.H.Hillebrand)從釔鈾礦里提取出了一種疑似N2的氣體。正沉浸于氬的性質(zhì)探索的拉姆塞敏感地抓住了這一信息，懷疑氣體里可能含有氬。他重復(fù)了實驗，發(fā)現(xiàn)氣體中并未有氬的蹤影，當用光譜儀檢測時，發(fā)現(xiàn)了類似于Na的黃色譜線。這讓他頓生疑問，以為是棱鏡臟了的緣故�？墒窃谇鍧嵗忡R之后黃色的譜線仍舊存在，拉姆塞堅信實驗結(jié)果的客觀性，他仔細地與Na的譜線加以對比，發(fā)現(xiàn)二者是稍有差別的，這就是27年前發(fā)現(xiàn)的太陽元素——氦。拉姆塞證明了當時科學界普遍認為的只有太陽上才有的元素在地球上同樣存在，這不能不說是又一個振奮人心的消息。
2.4 精彩發(fā)現(xiàn)的繼續(xù)
在隨后的實驗中，拉姆塞發(fā)現(xiàn)氬和氦均不與其他任何物質(zhì)反應(yīng)，這讓對其原子量的測定成為一大難題。后來通過測定恒壓比熱和恒容比熱，發(fā)現(xiàn)它們都是單原子分子，從而測定了原子量分別為4和39.88。由于它們性質(zhì)過于穩(wěn)定，化合價就是0，當時的元素周期表中好像沒有它們的立身之地。拉姆塞認為應(yīng)該為這兩個元素另外開辟一個零行，同時預(yù)言還存在和氬、氦一系列的原子量約為20、82、130的三個元素，這個信念支撐著他開始了尋找新元素之旅。在對礦物、海水、礦泉水等進行搜索未果的情況下，他將視線移回到了空氣上。他認為以前之所以沒有發(fā)現(xiàn)，可能是含量太少的緣故，這樣實驗的難度將會更大。然而他并未退縮，邀請了特拉弗斯(M.Travers)為助手，開始了攻堅戰(zhàn)。
因為稀有氣體特有的惰性，用化學方法分離肯定是行不通的，拉姆塞根據(jù)各物質(zhì)汽化點的不同選擇了物理方法。他們從制冷機的發(fā)明者漢普生(Hampson)那里得到了約1升的液態(tài)空氣。拉姆塞非常珍惜，決定先用這些液態(tài)空氣熟悉一下操作，驚喜就在這個過程中產(chǎn)生了。當他們用光譜儀檢測分離了N2、O2和Ar后的氣體時，發(fā)現(xiàn)有黃色和綠色的譜線閃爍著，這又是一個新元素!他們興奮地連夜測定了其密度和原子量，將其命名為氪。
這一發(fā)現(xiàn)讓拉姆塞信心大增，他們夜以繼日地工作著。接下來他們先將之前制得的15升氬液化，當剩余12cm3液體時，發(fā)現(xiàn)了氖。在進一步分離氖的過程中，意外地發(fā)現(xiàn)了氦。原來氦不僅隱藏域礦區(qū)之中，它每天也在悄悄地與我們打著交道。隨后，拉姆塞與特拉弗斯又從30升的液態(tài)空氣中發(fā)現(xiàn)了3cm3的氙[3]。這樣，預(yù)言在不到一年的時間里全被他們發(fā)現(xiàn)了，并分別落實了在周期表中的位置，再一次證實了元素周期律的正確性。其發(fā)現(xiàn)順序見圖2。接著，拉姆塞和他的學生又處理了不少于120噸的液態(tài)空氣，為了尋找是否還有比氦輕比氙重的物質(zhì)，結(jié)果再未有新的發(fā)現(xiàn)。
新的發(fā)現(xiàn)表明之前的氬并非純氬，那么關(guān)于氬的各項數(shù)據(jù)也就不準確，拉姆塞不厭其煩地進行著實驗，進一步修改了數(shù)據(jù)，五種稀有氣體的部分資料見表1。
表1 五種稀有氣體相關(guān)資料[3~6]
元素符號發(fā)現(xiàn)時間名稱
寓意光譜
顏色原子量
(拉姆塞測)原子量
(現(xiàn)在的值)空氣中含量%
(拉姆塞測)空氣中含量%
(現(xiàn)在的值)
He1895年3月太陽亮黃色3.964.0024.0766×10-45.239×10-4
Ne1898年6月嶄新紅色
黃色19.9420.17971.238×10-31.818×10-3
Ar1894年8月懶惰者紅色
綠色39.9239.9480.9370.934
Kr1898年5月隱藏綠色
黃色81.7683.85×10-65.239×10-4
Xe1898年7月陌生人藍色130.22131.295.9×10-78.6×10-6
從表中可以看出，關(guān)于原子量的測定值和現(xiàn)在的測定值之間存在一些差異，測得的Kr 和Xe在空氣中的含量雖然也與現(xiàn)在的含量相差一個數(shù)量級，但是只需想象一下一百多年前的拉姆塞是在什么樣的條件下進行的測量工作，況且他已經(jīng)盡力做到精確，這樣的成就無疑是卓越的、非凡的。
2.5 放射化學中的驚喜
1898年居里(Maria Curie)發(fā)現(xiàn)了鐳，并首先觀測到處于鐳化合物周圍的空氣帶電。鐳及其放射性的發(fā)現(xiàn)在物理和化學界均開辟了一個新的研究領(lǐng)域，拉姆塞對此也頗感興趣。1900年德國科學家多恩(F.Dorn)首先發(fā)現(xiàn)了“鐳射氣”，即222Rn。隨后，拉姆塞、盧瑟福(Ernest Rutherford，1871—1937)和索迪(Frederick Soddy，1877—1956)對“鐳射氣”的化學性質(zhì)和光譜進行了分析，確定這是一個性質(zhì)同氬系列相似的新元素，拉姆塞將其名稱由Radium Emanation改為Nion，即氡。1923年國際化學會議上建議將Nion改為了如今的Radon。拉姆塞邀請索迪一起研究“鐳射氣”，發(fā)現(xiàn)鐳在衰變過程中除了產(chǎn)生氡以外，還放出了氦。這就證實了盧瑟福的α粒子就是氦原子的理論，這也是元素蛻化理論的第一個證據(jù)。當時許多科學家都在努力測量鐳和氡的原子量，其中居里夫人測得值為225.2，拉姆塞和戈瑞(Robert Whytlay-Gray)在他人基礎(chǔ)上，測得鐳的原子量為226.36[7]，氡的原子量為222.4[8]。并將氡列入零族，至此完成了對零族元素的所有發(fā)現(xiàn)。
3 早期活動
因為發(fā)現(xiàn)稀有氣體拉姆塞成為舉世聞名的化學家，但是在此之前他在研究方面也取得了很大的成就。從1874年公開發(fā)表的第一篇文章開始，到發(fā)現(xiàn)氬之前可考證的公開發(fā)表文章共78篇，涉及無機化學、有機化學和物理化學方面。雖然這些工作沒有為他帶來多大的榮譽，但是這些工作經(jīng)歷和對化學科學的持久熱愛為以后的輝煌奠定了基礎(chǔ)。而他的一生發(fā)表了近200多篇科技論文，這是多么豐碩的成果!
1880年拉姆塞前往布里斯托大學任教，并于第二年擔任校長。布里斯托大學成立于1876年，由于缺乏公共的資助，學校的發(fā)展可謂舉步維艱。在拉姆塞的帶領(lǐng)下，學校度過了困難期。在繁忙的工作之余，拉姆塞非常熱衷于化學研究。同楊格(Sydney Young)一起開展了物理化學方面的研究工作，進行了液體的蒸汽張力、表面張力和熱力學等方面的研究。
在倫敦大學任職期間，他摒棄了以往單純看重考試分數(shù)的評價標準。他認為考試不能作為衡量個人能力的首要手段，提倡將平時的工作表現(xiàn)也加入考核的范圍，這與當今的學習檔案袋評價很是相似。他鼓勵學生盡可能早的開始科學方面的探索和研究;對學生關(guān)愛有加，師生相處地非常和諧;他的熱情感染著身邊的每一個人，鑒于以上幾個方面，許多優(yōu)秀的學生從世界各地趕來聆聽他的教誨，我國著名化學家丁緒賢就曾在他的指導下學習過。他十分崇尚科學理論，是第一個將范特霍夫的溶液理論和阿侖尼烏斯的電力學說介紹到英國的人[9]。另外，他還是一名優(yōu)秀的語言學家，精通英、德、意、法四國語言，對漢語也頗感興趣。
4 啟示
4.1 大膽預(yù)測，小心求證
1869年門捷列夫根據(jù)當時已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的63種元素整理出元素周期表并提出元素周期律。周期表中給許多元素留下了位置，唯獨沒有氬系列的容身之地。拉姆塞一方面堅信元素周期律的科學性，一方面又相信實驗結(jié)果的客觀性，他認為既然新元素的性質(zhì)如此穩(wěn)定，按照化合價理論就應(yīng)該是0價，因此他做出理性決策：應(yīng)該在原周期表的基礎(chǔ)上增添一個零行。正是基于元素周期律，他于1897年在多倫多召開的英國學術(shù)獎勵年會上預(yù)言，自然界中還存在三種類似于氬和氪的元素，并給出了它們的原子量約為20、82和130。這為以后的探索和發(fā)現(xiàn)提供強有力的理論支持。
由于稀有氣體在空氣中的含量很少，這客觀上給拉姆塞的實驗帶來了巨大的難度。在提取空氣中的氬以及分離礦物中的氦的過程中，已經(jīng)感受到了實驗的艱巨，更何況是含量更低的另外三種氣體呢?但是，拉姆塞并未被困難擊退，發(fā)現(xiàn)的渴望激勵著他夜以繼日地勞作，只為盡快揭開它們神秘的面紗。雖然從1升的液態(tài)空氣中發(fā)現(xiàn)了氪是意料之外的收獲，但是將15升的液態(tài)氬分離至12cm3，將30升的液態(tài)空氣分離的僅剩3cm3，這個過程中的艱辛是不言而喻的。在測氡的原子量時，更是只獲得了0.005cmm3的氣體![3]拉姆塞對真理的執(zhí)著追求以及實驗的高超技術(shù)為他帶來了巨大的成功，也向世人展示了自然界的豐富。
4.2 精誠合作，共攀高峰
由于拉姆塞耕耘的是科學上的一塊處女地，憑他的一己之力可能會陷入困境，難以尋得答案。所謂“獨學而無友，則孤陋而寡聞”，拉姆塞深諳此道，在他探索的過程中，先后與楊格、瑞利、特拉弗斯、索迪、戈瑞等人并肩協(xié)作，他們?yōu)榱斯餐哪繕�，擁有共同的話語，一樣的熱血澎湃，一樣的充滿激情，只為探尋真理。如果說氬的發(fā)現(xiàn)得益于瑞利對數(shù)據(jù)的敏感，那么另外幾個元素則是拉姆塞及其合作者細膩的實驗與精湛的技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。
本著對科學的熱愛，拉姆塞與他的合作者建立了非常和諧友好的關(guān)系。1908年在倫敦的一次聚會上，瑞利就向與會者提議為拉姆塞干杯，他表示氬的發(fā)現(xiàn)大部分應(yīng)歸功于拉姆塞，拉姆塞應(yīng)得到更多的榮譽。
4.3 轉(zhuǎn)換思路，柳暗花明
由于零族元素性質(zhì)十分穩(wěn)定，在當時并未發(fā)現(xiàn)可以與其他任何物質(zhì)形成化合物，無法用化學方法證明新元素的分子結(jié)構(gòu)。面對這種特殊的元素，拉姆塞另辟蹊徑，通過測定恒壓比熱和恒容比熱的比值來判斷分子結(jié)構(gòu)，完成了測定。采用化學方法將微量的氣體從空氣中分離出來是行不通的，轉(zhuǎn)而運用先液化再汽化的物理方法則達到了預(yù)期的效果。從空氣中提純氖的過程中意外發(fā)現(xiàn)了氦，但是接下來就遇到了一個難題，因為氦的沸點最低，如何讓二者分離呢?許多方法都以失敗告終，最終拉姆塞將混合氣體壓縮到一個管子里放入液態(tài)氫中強冷，這時氖變成了固體，而氦仍是氣體，因此完成了分離[3]。
光譜分析儀，制冷機，精確天平，這些技術(shù)上的先進產(chǎn)物都被運用在拉姆塞的發(fā)現(xiàn)實驗中。試想，如果拉姆塞閉門造車、固步自封，他很有可能與這些偉大的發(fā)現(xiàn)失之交臂。正是他開闊的思路，勇于嘗試、敢于突破的探索精神向世人呈現(xiàn)了化學發(fā)現(xiàn)的精彩。
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