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第27章 后记(2)

4沉睡了一百年的手稿

1810年卡文迪许逝世后,他的侄子齐治把卡文迪许遗留下的20捆实验笔记完好地放进了书橱里,谁也没有去动它。谁知手稿在书橱里一放竟是70年,一直到了1871年,另一位电学大师麦克斯韦应聘担任剑桥大学教授并负责筹建卡文迪许实验室时,这些充满了智慧和心血的笔记获得了重返人间的机会。麦克斯韦仔细阅读了前辈在100年前的手稿,不由大惊失色,连声叹服说:“卡文迪许也许是有史以来最伟大的实验物理学家,他几乎预料到电学上的所有伟大事实。这些事实后来通过库仑和法国哲学家的著作闻名于世。”此后麦克斯韦放下自己的一些研究课题,呕心沥血地整理这些手稿,使卡文迪许的光辉思想流传了下来。真可谓一本名著,两代风流。不啻为科学史上的一段佳话。

卡文迪许一生都在实验室和图书馆中度过,在化学、热学和电学方面进行过许多实验探索。但由于他对荣誉看得很轻,所以对于发表实验结果以及得到发现优先权却很少关心,致使其许多成果一直未被公开发表。直到19世纪中叶,人们才从他的手稿中发现了一些极其珍贵的资料,证实他对科学发展做出了巨大贡献。

卡文迪许最为人称道的科学贡献,当属他最早研究了电荷在导体上的分布,并于1771年用类似的实验对电力相互作用的规律进行了说明。他通过对静电荷的测定研究,在1777年向皇家学会提出的报告中说:“电的吸引力和排斥力很可能反比于电荷间距离的平方。如果是这样的话,那么物体中多余的电几乎全部堆积在紧靠物体表面的地方。而且这些电紧紧地压在一起,物体的其余部分处于中性状态。”与此同时,他还研究了电容器的容量。制造了一整套已知容量的电容器,并以此测定了各种仪器样品的电容量。而且预料到了不同物质的电容率,并测量了几种物质的电容率,初步提出了“电势”概念。

卡文迪许毕生致力于科学研究,从事实验研究达50年之久,性格孤僻,很少与外界来往。卡文迪许的主要贡献有:1781年首先制得氢气,并研究了其性质,用实验证明它燃烧后生成水。但他曾把发现的氢气误认为燃素,不能不说是一大憾事。1785年卡文迪许在空气中引入电火花的实验使他发现了一种不活泼的气体的存在。他在化学、热学、电学以及万有引力等方面进行了许多成功的实验研究,但很少发表,过了一个世纪后,麦克斯韦整理了他的实验论文,并于1879年出版了名为《尊敬的亨利·卡文迪许的电学研究》一书,此后人们才知道卡文迪许做了许多电学实验。麦克斯韦说:“这些论文证明卡文迪许几乎预料到电学上所有的伟大事实,这些伟大的事实后来通过库仑和法国哲学家们的著作而闻名于科学界。”

卡文迪许的重大贡献之一是1789年完成了测量万有引力的扭秤实验,后世称为卡文迪许实验。他改进了英国机械师米歇尔(John Michell,1724—1793)设计的扭秤,在其悬线系统上附加小平面镜,利用望远镜在室外远距离操纵和测量,防止了空气的扰动(当时还没有真空设备)。

卡文迪许他用一根39英寸的镀银铜丝吊一6英尺(1英尺=3048厘米)木杆,杆的两端各固定一个直径2英寸(1英寸≈2.54厘米)的小铅球,另用两颗直径12英寸的固定着的大铅球吸引它们,测出铅球间引力引起的摆动周期,由此计算出两个铅球的引力,由计算得到的引力再推算出地球的质量和密度。他算出的地球密度为水密度的5.481倍(地球密度的现代数值为5517克/立方厘米),由此可推算出万有引力常量G。这一实验的构思、设计与操作十分精巧,英国物理学家J·H·坡印廷曾对这个实验下过这样的评语:“开创了弱力测量的新时代”。

卡文迪许在1766年发表了《论人工空气》的论文并获皇家学会科普利奖章。他制出纯氧,并确定了空气中氧、氮的含量,证明水不是元素而是化合物。他被称为“化学中的牛顿”。

(三)安托万·洛朗·拉瓦锡

安托万·洛朗·拉瓦锡

生平简介

安托万·洛朗·拉瓦锡,法国著名化学家,近代化学的奠基人之一。1743年8月26日生于巴黎,1794年5月8日去世。

1763年,拉瓦锡获得法学学士学位,并取得律师开业证书,后转向研究自然科学。他最早的化学论文是对石膏的研究,发表在1768年《巴黎科学院院报》上。他指出,石膏是硫酸和石灰形成的化合物,加热时会放出水蒸气。1765年他当选为巴黎科学院候补院士。1768年他研究成功浮沉计,可用来分析矿泉水。1775年任皇家火药局局长,火药局里有一个相当好的实验室,拉瓦锡的大量研究工作都是在这个实验室里完成的。1778年任皇家科学院教授。1774年10月,普里斯特里向拉瓦锡介绍了自己的实验:氧化汞加热时,可得到脱燃素气,这种气体使蜡烛燃烧得更明亮,还能帮助呼吸。拉瓦锡重复了普里斯特利的实验,得到了相同的结果。但拉瓦锡并不相信燃素说,所以他认为这种气体是一种元素,1777年正式把这种气体命名为Oxygen(中译名氧),含义是酸的元素。拉瓦锡通过金属煅烧实验,于1777年向巴黎科学院提出了一篇报告《燃烧概论》,阐明了燃烧作用的氧化学说,其要点为:①燃烧时放出光和热;②只有在氧存在时,物质才会燃烧;③空气是由两种成分组成的,物质在空气中燃烧时,吸收了空气中的氧,因此重量增加,物质所增加的重量恰恰就是它所吸收氧的重量;④一般的可燃物质(非金属)燃烧后通常变为酸,氧是酸的本原,一切酸中都含有氧。金属煅烧后变为煅灰,它们是金属的氧化物。他还通过精确的定量实验,证明物质虽然在一系列化学反应中改变了状态,但参与反应的物质的总量在反应前后都是相同的。于是拉瓦锡用实验证明了化学反应中的质量守恒定律。拉瓦锡的氧化学说彻底地推翻了燃素说,使化学开始蓬勃地发展起来。

科学贡献

拉瓦锡与他人合作制定出化学物种命名原则,创立了化学物种分类新体系。拉瓦锡根据化学实验的经验,用清晰的语言阐明了质量守恒定律和它在化学中的运用。这些工作,尤其是他所提出的新观念、新理论及新思想,为近代化学的发展奠定了重要的基础,因而后人称拉瓦锡为近代化学之父。

拉瓦锡在学校是一个天才男孩。20岁时因出色地撰写了巴黎街道照明的设计文章而获得法国科学院的嘉奖。几年之后,即1768年,他被评选为法国科学院的“名誉院士”。

他为后人留下的杰作是《化学概要》,这篇论文标志着现代化学的诞生。在这篇论文中,拉瓦锡除了正确地描述燃烧和吸收这两种现象之外,在历史上还第一次开列出化学元素的准确名称。名称的确立建立在物质是由化学元素组成的这个基础之上。而在此之前,这些元素有着不同的称谓。在书中,拉瓦锡将化学方面所有处于混乱状态的发明创造整理得有条有理。

化学家拉瓦锡原来是学法律的。1763年,年仅20岁的拉瓦锡就取得了法律学士学位,并且获律师从业证书。拉瓦锡的父亲是一位颇有名气的律师,家境富有。所以拉瓦锡没有马上去做律师,那时他对植物学发生了兴趣,经常上山采集标本使他又对气象学产生了兴趣。在地质学家葛太德的建议下,拉瓦锡师从巴黎著名的教授化学的鲁伊勒教授。从此,拉瓦锡便与化学结下了不解之缘。

拉瓦锡对化学的第一个贡献便是从试验的角度验证并总结了质量守恒定律。早在拉瓦锡出生之时,多才多艺的俄罗斯科学家罗蒙诺索夫就提出了质量守恒定律,他当时称之为“物质不灭定律”,其中含有更多的哲学意蕴。但由于“物质不灭定律”缺乏丰富的实验根据,特别是当时俄罗斯的科学还很落后,西欧对沙俄的科学成果不重视,“物质不灭定律”没有得到广泛的传播。

拉瓦锡用硫酸和石灰合成了石膏,当他加热石膏时放出了水蒸气。拉瓦锡用天平仔细称量了不同温度下石膏失去水蒸气的质量。他的导师鲁伊勒把失去水蒸气称为“结晶水”,从此就多了一个化学名词——结晶水。这次意外的成功使拉瓦锡养成了经常使用天平的习惯。由此,他总结出质量守恒定律,并成为他进行实验、思维和计算的基础。为了表明守恒的思想,用等号而不用箭头表示变化过程。如糖转变为酒精的发酵过程表示为下面的等式:

葡萄糖二氧化碳(CO2)+酒精

这正是现代化学方程式的雏形。为了进一步阐明这种表达方式的深刻含义,拉瓦锡又撰文写到:“可以设想,参加发酵的物质和发酵后的生成物列成一个代数式,再假定方程式中的某一项是未知数,然后通过实验,算出它们的值。这样,就可以用计算来检验实验,再用实验来验证计算。我就经常用这种方法修正实验初步结果,使我能通过正确的途径改进实验,直到获得成功。”

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