惰性气体
天文学家让逊和洛克尔在观察日食时从太阳光谱中发现了一种新谱线，
给物理学家出了一个难题，很长一段时间谁也无法解释清楚。人们只好猜测
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太阳里可能有一种新元素，于是就把它定名为 “氦”（希腊文太阳之意）。
1892年，洛克尔突然收到一封信，信中提出一个无法解释的疑问，洛克尔就
干脆把它发表在自己主办的 《自然》杂志上：
“今有一事特向贵刊和贵刊的读者求教。我最近多次用两种方法制取氮
气，但它们的密度却总不一样。既然是同一物质为什么会有两种密度呢？
瑞利 1892 年9 月24 日”
瑞利 （1842～1919年）是谁呢？他是剑桥大学的教授，他有极好的耐心，
因而他就选择了一个极需耐心的研究题目，便是测量各种气体的密度 （密度
是指 1 升气体在 0℃和一个大气压下的质量）而他的实验室里也有一架当时
极好的天平，其灵敏度可达到万分之一克。他制成了一个大玻璃球，然后用
真空空泵将球内空气抽空，再称出球重，算出体积，然后充进各种气体，称
出净量后，求出密度。这是一种重复枯燥的事，他却能不厌其烦。每种气体
都要称几次，并且气体每次都是以不同的方法制得，如果测量的结果都一致
了，他这才放心。他就这样对着那个玻璃球，抽了又充，充了又称，称了再
算，从 1882年开始一直干了整整 10年。这工作虽然枯燥繁琐，然而那些气
体在他的手中却都有了一个精确的密度，心情倒也十分愉快。不想有一次，
瑞利这个办法却再也不灵了。他在测氮气密度时，第一个办法是让空气通过
烧得红热的装满铜屑的管子，氧与铜生成氧化铜，那么剩下的就是氮气，密
度为每升 1.2572克。第二个办法便是让氧气通过浓氨水，生成水和氮气，这
种氮气的密度为每升重 1.2560 克，比空气中的氮轻了0.0062 克。瑞利百思
不得其解，便向 《自然》杂志写了以上那封信。信发表后，瑞利一面盼着回
音，一面不停地重复这个实验。但他的信在杂志上公布了二年之久，竟没有
收到一封回信。瑞利实在等得不耐烦了，便带上他的仪器直奔皇家学会。1894
年 11月19 日，他向许多化学家、物理学家当面作了一个关于“两种氮气”
的报告。这一招还真灵，报告刚完，便有一个化学家拉姆赛（1852～1916年）
自告奋勇提出帮忙，他说： “两年前我看到你那封信还没有弄懂其意，今天
我才明白，你从空气中得到的氮气一定含有杂质，因此密度会稍大。”这时
瑞利恍然大悟：杂质不就是未发现的新物质吗？瞬间，蒙在心头的愁云早已
化成了眉梢的笑意。瑞利正喜不自禁，有一个叫杜瓦的物理学家又走上前来
告诉他说： “老兄，这个问题卡文迪许（1731～1810年）早在 100年前就曾
提出过，我建议您去查找他留下来的笔记，对您或许有帮助。”瑞利现在正
是在卡文迪许实验室工作，而那些旧笔记就锁在他身边的柜子里。他一听这
话更是喜上加喜，连忙收拾东西回剑桥去了。
卡文迪许是科学史上的一个怪人。他出身于贵族家庭，很有钱，然而他
却一不做官，二不经商，三不交际。他把钱都用来买科学仪器和图书。他还
建了一个很像样子的私人图书馆，任何人都可以来借书，但是一定要按时归
还，就是他自己看书也要先打个借条，办个手续。他的穿戴全是上个世纪的
打扮，因此一出门就有许多小孩跟在后面，又叫又笑。他一辈子没有结过婚，
不知是缺根什么神经，他从心里厌恶女人，家里雇着女仆，却又规定不许与
他见面。每天早晨，他将吩咐女仆办的事写在纸上，然后放在固定地方。吃
饭时女仆便先摆好饭菜退出餐厅，他再进来用餐。等他离开后，才允许女仆
进来收拾碗筷。一天，他在楼梯上与女仆偶然相遇，竟然气得发抖，返身找
到管家，吩咐再造一个楼梯，男女各行其道。他思维怪异，一生的发现有很
多，比如：第一个从水中电解出氢、氧，并测出比例；第一个测出地球的密
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度等等。然而他却极少公开发表，宁肯让这么多成果掩藏在尘封的笔记本里。
直到他死后50 年，麦克斯韦因受命筹建卡文迪许实验室，才十分吃力地将这
些 “天书”一本本地整理以后发表。
瑞利赶回剑桥后，一进实验室便开箱启柜，抱出那一堆纸色变黄的笔记，
终于在皇家学会 1784年至 1785年的年报中找见卡文迪许的一篇 《关于空气
的实验》，而在其笔记中还看到了更为详细的实验记录。原来这个怪人想出
了这样一个怪办法，他将一个U形管的两头浸在两个装有水银的酒杯里，架
起一个天桥，再用当时还比较原始的摩擦起电机从两头通电，U 形管中的氧
气和氮气便在电火花一闪时化合成红色的二氧化氮，接着又滴进一种特殊溶
液将其吸收，再通氧，再化合，如此反复多次。卡文迪许和他的助手们轮流
摇动发电机，整整摇了三个星期，最后在弯管中还剩下一个很小的气泡，任
你怎样通电，它也再无丝毫的表示。卡文迪许当时便断定，空气中的氮气 （当
时叫浊气）决不是单一物质，一定还包含有一种不与氧化合的气体，而且他
还算出了这种气体不会超过全部空气的 1/120。
啊，原来如此。
瑞利看过卡文迪许的笔记本后，喜得手直发痒，立即架起仪器，重做这
个 109年前的气泡试验。由于他现在有了最新的设备，这气泡很快就得到了。
他又将此事通知拉姆赛，拉姆赛用其他方法也获得了同样的气泡。看来，这
东西肯定是一种还未发现的元素，并且有可能就是洛克尔和让逊在太阳上发
现的那个氦。现在可用得上基尔霍夫发明的那个雪茄烟盒子照妖镜了。他们
兴冲冲地取来分光镜，谁知不照犹可，一照心里凉了半截。原来瑞利以为这
回他一定找到了那个已有26 年没有发现得了的氦，却不想分光镜里的光谱却
又是另外的一种，因此浑身凉了半截。但是当他再仔细观察，发现这谱线是
橙、绿两条，和其他已有元素也对不上号，心情不禁又激动起来。他没有抓
住“氦”，却无意中发现了另一种新元素。瑞利便给它起了个新名字叫“氩”，
这个字在希腊文里是不活动的意思。同时拉姆赛在伦敦也找到了氩。这是
1894年8 月的事。
瑞利和拉姆赛找见氩的消息在外界传出后，一位化学家给拉姆赛写信
说，钇铀矿和硫酸反应会生成一种气泡，这种气体不能助燃，也不能自燃，
说不定就是你的氩。拉姆赛连忙进行试验，发现这种气体的光谱竟和氩又是
不同。他实在想不出这又是一种什么新玩艺儿，便连同装着新气体的玻璃管
和分光镜一起送到当时最权威的光谱专家克鲁克斯处，请他鉴定。1895年3
月23 日，拉姆赛正在实验室里工作，突然收到一份电报：
“你送来的气体，原来就是氦气——克鲁克斯。”
真是想不到追寻了27 年的氦，倒这样轻易地被找到了。
然而拉姆赛脾气很倔犟，他总觉得氦这样躲躲藏藏地和他作对，虽然找
到了也不痛快。并且，氦既然不轻易和其他元素结合，那么它一定能独立存
在于空气中，因此他决心要在空气中直接找到氦。他知道氦、氩都有惰性，
不易通过化学反应将他们分离，因此他换了一个物理的办法，便是将空气冷
凝到零下 192℃，使之变为液体，然后根据它们蒸发的先后次序不同，再将
他们一一分离开去。
这天上课了，拉姆赛教授走进课堂，便在桌上放了一个特制的杯状大器
皿。里面装的是冷凝成液态的空气。学生们从没有见过空气会像水一样盛在
杯子里。因而都瞪大眼睛看教授要做些什么，这时拉坶赛拿起一个小橡皮球
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在器皿里浸了浸，再往地上一扔，球没有像往常那样蹦起来，却嚓啦一声跌
个粉碎。学生们惊得一个个眼睛溜圆。教授却不慌不忙，又往一只装满水银
的试管里插进一根铁丝，连试管一起往器皿里一泡，再抓住铁丝往外一拉，
竟拉出一根水银 “冰棍”，拉姆赛又拿起一颗钉子，用这根冰棍，当当几下，
就将钉子钉到墙里，这时教室里又响起一片笑声。然而不等笑声消失，教授
又从口袋里掏出一块面包，当大家还没有看清是怎么一回事，面包却早在器
皿里打了一个滚，又捞了上来。拉姆赛说： “快将窗帘拉上！”只见室内一
暗，这面包竟发出天蓝色的光。这时学生们却有点急了。那宝贵的液态空气
越蒸发越少了，难道花那么多钱就为今天变一阵魔术吗？不想，拉姆赛干脆
宣布实验结束，大家回家吃午饭。他将那杯液态空气大敞着口，锁上门，扬
长而去。
原来拉姆赛早就有了主意。他想氦一定比氧、氮蒸发得慢，那么最后留
在器皿底下慢慢来收拾也不会跑掉。到下午，拉姆赛将器皿底下那点已不多
的空气经过除氧、除氮处理后，收得一个小小的气泡，然后再用分光镜一照，
氦没有找见，却又出现了一种新谱线——这一定又是一种新元素了。真是阴
差阳错。拉姆赛把这种新元素取名为 “氪”（希腊文隐藏的意思）。这天是
1898年5 月24 日。
没有找见氦，拉姆赛并不气馁。他想，没有留在最后就说明已先蒸发走
了。这次他学聪明了，将液态空气一点点蒸发分馏，然后逐次抽样，再用分
光镜检查。他首先找出一种新元素便把它定名为“氖”（希腊文“新”之意），
然后终于找见了那个最难寻的氦，接着在 1898年 7 月12 日又找见了“氖”
（希腊文“陌生”之意）。就这样拉姆赛用分馏法加光谱法，在不到半年内
就连续发现了3种不易为人看到的惰性元素。到此为止，那个氦已经让人发
现过3 次了。第一次在太阳光谱里，第二次在钇铀矿里，第三次在空气里。
因为找它，却又牵出了一串惰性元素。后来拉姆赛说： “寻找氦让我想到了
老教授找眼镜的笑话。他拼命地在地下找，桌子上找，报纸下面找，找来找
去，眼镜就在自己的额头上。氦被我们找了一大圈，原来他就在空气里。”
这些惰性气体是一个家族，由于它们在空气中的含量很少，因此也称为
稀有气体。
