
1894年的夏天,在英國牛津舉行的科學促進協會會議上,瑞利宣讀了“在空氣中發現了新元素X”的簡短報告,正式公布了他和威廉·拉姆齊合作研究確認的成果。化學家馬丹建議將新元素X命名為“氬”(Argon),這個名字源于古希臘語,意味“懶惰”,可以很好地形容新元素化學性質不活潑的特性。
從被發現到被承認,道阻且長
1785 年,亨利·卡文迪許通過實驗把不含水蒸氣、二氧化碳的空氣除去氧氣和氮氣以后,發現仍有占原始樣品不到1% 的殘余氣體。遺憾的是,卡文迪許并沒有深入研究,沒能發現殘余氣體中的氬氣。
在約一個世紀之后,瑞利和拉姆齊分別用物理和化學方法分離出空氣中的氮氣,得到“物理氮”和“化學氮”。對比發現,“化學氮”比“物理氮”輕約0.5% !兩人排除了多種實驗誤差因素的影響后,意識到空氣中存在尚未被發現的新氣體。
但是,這份具有開創性的發現卻遭到當時一些有名學者的質疑。化學協會的主席亨利·阿姆斯特朗就毫不客氣地指出,兩人的新發現如果為真,那近一百年來,難道所有的化學家們都沒有注意到這種空氣中無處不在的成分嗎?
在進行了多次實驗測試后,瑞利和拉姆齊決定在更多大型會議上提交關于新空氣成分性質的報告。在1895 年1 月底舉行了一次規模盛大的會議,有800 名物理學家和化學家出席。拉姆齊在會議上更加詳細地介紹了氬氣的發現過程和對氬氣的研究結果。另有兩位科學家為了一探究竟,研究了氬氣的光譜,發現它確實含有氮氣光譜中沒有的某些譜線,這是一個令人信服的證據!
來自學界的質疑聲不斷,但拉姆齊沒有放棄,在之后幾年的研究中他陸續發現了其他幾種不活潑的氣體元素:氦、氪、氖和氙。這樣一來,化學家們不得不將它們納入學科體系,元素周期表的最右端也多出了一列專門容納所有組成惰性氣體的元素。
1904 年,由于瑞利和拉姆齊在研究氬氣的過程中做出了重要貢獻,他們分別獲得了諾貝爾物理學獎和諾貝爾化學獎。
抽掉“懶筋”, 化身“全能保護神
大顯身手第一式:更亮、更耐用的照明“達人”
回顧電光源的發展歷程,氬氣燈是一種優于白熾燈的照明燈。它的核心部分是一個充滿了氬氣的玻璃管,當電流通過時,氬氣就會發出亮光。這個過程叫作氣體放電,就像是我們把電流當成指揮棒,讓氬氣跳起了一場光之舞。
氬氣燈因其獨特的發光方式,通常被用在需要高亮度、長時間使用的場合,比如街道、大型場館的照明等。相較于白熾燈,氬氣燈的能量利用效率更高。白熾燈大部分的能量都轉化成了熱量,只有很少一部分轉化成了光能。而氬氣燈則能更高效地將電能轉化為光能。
如果我們將惰性氣體灌裝進燈泡,當開啟燈泡時,惰性氣體被激發,就會散發出其獨特的光譜線。在電場激勵下,氬氣還能發出淺藍色光線,也可用于制造霓虹燈。
大顯身手第二式:保障工業正常運行的“保護罩”
由于氬氣的化學性質穩定,不容易與金屬發生反應,這使得它在焊接有色金屬時也能大放異彩。想象一下,在焊接過程中,金屬與空氣中的氧氣或氮氣接觸,就像是一場災難電影中的場景,金屬會因為氧化或氮化而變得脆弱。而氬氣就像是一位氣體保護神,它包圍著焊接區域,形成一個“保護罩”,防止氧氣和氮氣接近,確保焊縫的質量和強度。
更神奇的是, 氬氣還可以有另一種身份——工業冷卻劑。液體狀態下,氬的沸點低至-185.85℃。這種極低的沸點使其成為理想的冷卻劑,可以用于冷卻各種工業設備,確保它們在高溫環境下正常運行。
隨著化學的發展,科學家們發現惰性氣體在特定條件下也可以形成化合物。為了避免產生誤解,國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)推薦使用“稀有氣體”這一術語來代替“惰性氣體”,以便更好地反映這些氣體元素在自然界中的相對稀缺性,而不是它們的化學性質。