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科学合作的力量:拉姆齐与瑞利如何发现稀有气体并填补周期表的最后的空缺(附表:He-Ne-Ar等同位素种类及地球化学意义)

已有 658 次阅读 2024-6-17 11:42 |个人分类:地球科学|系统分类:科普集锦

作者:曹春辉 文章原载:元素和同位素地球化学 2024-06-17 11:19 甘肃.兰州 image.png

(左图)威廉·拉姆齐(Sir William Ramsay)和(右图)约翰·威廉·斯特拉特(John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh),通常称为瑞利勋爵,是19世纪末至20世纪初英国两位杰出的物理学家和化学家,他们因对稀有气体的发现做出了重大贡献而闻名于世。

在19世纪末,科学的疆域正被勇敢的探险者们一步步拓宽,而元素周期表这片知识的版图上,仍有未被标注的空白等待着勇敢者的发现。正是在这个时代背景下,两位英国科学家——威廉·拉姆齐与约翰·威廉·斯特拉特(即瑞利勋爵)携手开启了一场科学史上的伟大探索,揭开了稀有气体家族的神秘面纱。两位科学家的合作不仅体现在直接的实验互动上,也体现在他们对科学严谨性和精确度的共同追求中。他们对稀有气体的研究不仅证明了元素周期律的普遍适用性,还开启了对原子内部结构的新一轮探索,推动了量子理论的发展。

约翰·威廉·斯特拉特(John William Strutt),以其贵族头衔瑞利勋爵更为人熟知,是一位在多个物理领域均有建树的科学家。1892年,瑞利在进行一项看似简单的实验时,却意外发现了空气中的一个秘密。他注意到,从空气中分离出的氮气与从化学反应中得到的氮气在密度上存在细微的差异。这一微小的不一致,仅为0.0062g/L,却足以引起这位严谨科学家的高度重视。瑞利男爵深知,这可能意味着空气中还藏有一种未知的气体。他的发现,为后来的突破性工作埋下了伏笔。

当瑞利公开了他的发现后,拉姆齐敏锐地意识到这可能是打开新元素大门的钥匙。1894年,两人开始了紧密的合作,利用瑞利的物理测量技术和拉姆齐在化学分析方面的专长,共同追寻那隐藏在空气中的秘密。经过不懈努力,1894年8月,瑞利与拉姆齐终于在光谱分析的帮助下,确认了第一种稀有气体——氩气的存在。氩气的发现,如同在元素周期表中投下了一颗石子,激起了层层涟漪。它不仅打破了长久以来认为空气主要由氮气和氧气组成的观念,更预示着一个全新元素家族的诞生。氩气的命名源自希腊语“argos”,意为“懒惰”,恰当地描述了这种气体的化学惰性。

  氦元素的发现,是科学探索历程中一个闪耀的里程碑,它不仅揭示了宇宙的奥秘,还见证了人类对自然法则不懈追求的精神。故事的序幕可追溯至19世纪中叶,而真正进入科学界的视野,则是在1868年的一次天文观测中。1868年8月18日,法国天文学家皮埃尔·詹森(Pierre Jensen)在印度观测日全食时,利用分光镜分析太阳光谱,意外发现了一条不属于任何已知元素的黄线,这条线位于钠光谱的D线附近,但位置稍有不同。几乎在同一时期,英国天文学家诺曼·洛克耶尔(Norman Lockyer)也独立地在太阳光谱中观测到了这条特殊的黄线。洛克耶尔深信这代表了一个全新的元素,并根据其来自太阳的特性,将其命名为氦(Helium),源自希腊语“helios”,意为“太阳”。

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氦的光谱谱线:He I线主要出现在紫外和可见光区域,其中最有名的可能是黄色的氦线,位于587.5纳米处,这条线在早期的太阳光谱研究中被发现。

然而,尽管氦元素的信息首次来源于对太阳的研究,科学家们仍然怀疑这种元素是否存在于地球上。直到近三十年后,这一疑问才得以解答。1895年,拉姆齐与他的助手莫里斯·特拉弗(Maurice Travers)斯在研究铀矿石时,利用化学方法处理矿石并收集释放出的气体。他们将这些气体导入光谱仪,惊喜地发现了一条与太阳光谱中那条黄线完全吻合的谱线,这表明地球上确实存在氦元素。这次发现,不仅证实了氦不仅属于太阳,也是地球化学组成的一部分,而且还证明了元素可以通过光谱分析被识别,开启了元素发现的新途径。

在氩气被发现之后,拉姆齐意识到空气中可能还隐藏着其他未知的惰性气体。他与特拉弗斯合作,继续深入研究空气的成分。他们的研究方法是将大量的空气液化,然后通过分馏法逐步蒸发这些液态空气中的各组分,如氧气、氮气等,以期发现新的元素。1898年6月,拉姆齐和特拉弗斯在蒸发液态氩时,收集了最先逸出的气体,并使用光谱分析技术对其进行检测。光谱分析是通过分析元素受激发后发射或吸收的特定波长的光来确定元素种类的方法。在对这些气体进行光谱分析时,他们观察到了一组独特的橙红色谱线,这表明他们发现了一种新的元素。拉姆齐和特拉弗斯将这一新元素命名为“氖”,源自希腊语“neos”,意思是“新”,以反映这是一种从空气中新发现的元素。

1898年,拉姆齐和特拉维斯采用了一种创新的方法来探索空气中的其他成分。他们先将空气液化,然后通过精确控制温度和压力,使得空气中的主要成分——氧气、氮气和氩气——逐一蒸发。剩余的微量气体则成为了他们研究的重点。5月30日,当他们对这些残留气体进行光谱分析时,观察到了几条以前从未见过的光谱线。这些独特的光谱特征表明,他们发现了一种新的元素。拉姆齐和特拉维斯将这种新元素命名为“氪”(Krypton),源自希腊语“kryptos”,意为“隐藏的”,因为这种气体在空气中隐藏得如此之深,直到先进的分馏技术出现才被揭示出来。

1898年7月12日,拉姆齐和特拉弗斯在伦敦大学学院进行实验时,通过对液态氪进一步分馏,最终分离出了一种新的、更重的气体。他们在真空管中观察到这种气体在放电时发出了独特的蓝色光芒,通过光谱分析确认了这是一种以前未知的元素。鉴于这种气体的独特性质以及它作为元素周期表中“陌生人”的身份,他们将其命名为氙(Xenon),源自希腊语“ξένον”(xenon),意为“陌生的”或“外来的”。氙的发现是稀有气体化学研究的又一重大突破,它证实了拉姆齐关于惰性气体族存在的理论,并进一步扩展了人类对元素世界的认识。

惰性气体的发现与科学合作的胜利

由于拉姆齐和瑞利在稀有气体领域的开创性工作,他们分别在1904年被授予了诺贝尔奖。瑞利因其在气体密度测量和发现氩气过程中所做的物理学贡献而荣获诺贝尔物理学奖;而拉姆齐则因在化学上发现了多种惰性气体(包括氩、氦、氖、氪、氙)并确立了它们在元素周期表中的位置,荣获诺贝尔化学奖。这一系列的发现不仅填补了元素周期表的空白,还极大地推进了对原子结构和元素分类的理解。这一时期的科学合作和独立探索,为现代化学和物理学奠定了坚实的基础,并展示了跨学科合作在科学发现中的重要性。

威廉·拉姆齐与约翰·威廉·斯特拉特的科学合作,不仅是一段传奇的科学探索历程,更是跨学科合作精神的典范。他们以各自的专长为支点,撬动了科学认知的边界,为后世留下了宝贵的遗产。通过他们的努力,稀有气体不再是元素周期表中隐秘的角落,而是成为化学、物理乃至众多科技领域中不可或缺的角色。这段历史,是对人类好奇心与探索欲的颂歌,也是对科学合作力量的见证。(完)

(作者简介:曹春辉,高级工程师,中国科学院西北生态环境资源研究院从事稀有气体同位素地球化学研究工作)

参考资料:

Fisher, D. (2010). Much ado about (practically) nothing: A history of the noble gases. OUP USA.

Porcelli, D., Ballentine, C. J., & Wieler, R. (2002). An overview of noble gas geochemistry and cosmochemistry. Reviews in mineralogy and geochemistry47(1), 1-19.

附录1:

威廉·拉姆齐(William Ramsay)(1852年10月2日—1916年7月23日)是一位苏格兰化学家,他最著名的成就在于发现了大气中惰性气体。1894年,拉姆齐在与瑞利合作的过程中,首次分离并鉴定了氩气,这一发现打破了当时认为空气仅由氧气和氮气组成的观念。随后,拉姆齐和他的团队继续研究,相继发现了氦、氖、氪、氙等其他稀有气体,彻底改变了人们对元素周期表的认识。他的工作不仅为化学元素的研究开辟了新的方向,还为原子结构理论的发展奠定了基础。由于他在化学领域的突出贡献,拉姆齐于1904年荣获诺贝尔化学奖。

约翰·威廉·斯特拉特(John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh)(1842年11月12日—1919年6月30日),更为人熟知的是他的贵族头衔瑞利勋爵,是一位卓越的物理学家。瑞利在多个物理领域均有建树,其中包括声学、光学以及流体动力学。他对科学的贡献中最显著的是关于气体密度的研究,这项工作最终导致了氩气的发现。瑞利注意到用不同方法制备的氮气密度有微小差异,这一差异促使他与拉姆齐合作探索空气中未知成分的存在。这一发现不仅为瑞利赢得了1904年的诺贝尔物理学奖,还为物理学界带来了新的实验技术和理论思考。

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莫里斯·威廉·特拉弗斯(Maurice William Travers,1872年-1961年)是一位英国化学家,他在化学领域尤其是稀有气体的发现上做出了重要贡献。特拉弗斯最为人所知的是他与著名化学家威廉·拉姆齐爵士的合作,这一合作在19世纪末至20世纪初期间引领了一系列关键性发现,填补了元素周期表上的空白。在1895年,特拉弗斯与拉姆齐一起工作时,通过处理沥青铀矿并分析所得气体的光谱,他们证实了氦元素不仅存在于太阳中,也存在于地球上,这是稀有气体家族中首个在地球发现的成员。此后,他们的研究重点转向了空气中的其他未知成分。1898年,特拉弗斯与拉姆齐利用液化空气并进行分馏的技术,成功地分离出了氖、氪和氙三种新的稀有气体,这一系列发现极大地扩展了人类对元素周期表的认识。特拉弗斯在这些实验中扮演了关键角色,他们通过精细的实验技巧和光谱分析,确认了这些元素的存在,并为它们命名。特拉弗斯的贡献不仅限于元素的发现,他还参与了对这些气体性质的研究,加深了科学界对惰性气体化学性质和物理性质的理解。尽管他在公众中的知名度可能不如拉姆齐,但特拉弗斯的工作是稀有气体研究领域不可或缺的一部分,他的名字也因此与这一系列里程碑式的科学发现紧密相连。特拉弗斯的职业生涯证明了他在化学研究上的才华和对科学进步的执着追求,他的工作体现了科学研究中合作精神的重要性,并对后续的化学和物理学研究产生了深远的影响。

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附表1:惰性气体同位素成因及地球化学意义

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注:稀有气体同位素地球化学是地球科学的一个分支,它专门研究地球上稀有气体(如氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe))的同位素组成及其变化规律,以此来揭示地球及其各层圈(如地壳、地幔、大气圈)的演化历史、物质循环和地质过程。这些稀有气体因其化学性质极为不活泼,不易与其他元素发生化学反应,因此它们的同位素组成可以相对完好地保存下来,成为地质事件的“时间胶囊”。在矿床学中,稀有气体同位素,特别是氦和氩,被用作壳-幔相互作用的示踪剂,因为它们在不同地球圈层中的分布和同位素比值不同。例如,地幔来源的氦通常具有较高的氦-3/氦-4比值,而大气来源的氦则氦-4丰度更高。通过分析岩石或矿物中这些气体的同位素比例,科学家可以推断岩石成因、热液活动、地壳混合作用等过程。

参考资料:

  1. Ozima, M., & Podosek, F. A. (2002). Noble gas geochemistry. Cambridge University Press.

  2. Porcelli, D., Ballentine, C. J., & Wieler, R. (2002). An overview of noble gas geochemistry and cosmochemistry. Reviews in mineralogy and geochemistry, 47(1), 1-19.

  3. 徐永昌, 刘文汇, 沈平, 陶明信, & 郑建京. (2003). 天然气地球化学的重要分支――稀有气体地球化学. 天然气地球科学, 14(3), 157-166.

  4. 王先彬. (1989). 稀有气体同位素地球化学和宇宙化学. 科学出版社.

  5. 李中平, 邱华宁, 陈文, 贺怀宇, 李立武, & 郑国东. (2023). 氩同位素地球化学:探究地球演化和地质年代学工具. 矿物岩石地球化学通报, 42(5), 125-140.image.png

稀有气体同位素比质谱(引自:中国科学院西北生态环境资源研究院气体同位素实验室http://www.lig.cas.cn/huaxuefenxi/)

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