奇妙的“懒”元素氖气 点亮了城市的黑暗

作者:魏德勇来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-09-27

从真空管中发出的这种深红色强光,实在太美丽了,看过它的人将终生难忘。

夜幕降临,美丽的都市霓虹灯随处可见,五光十色。可你不知道的是,这些缤纷炫目的光,都是“钝气”家族通电时所散发的,它们在常温下无色无味,不易与其它物质发生化学反应,空气中含量非常低。科学家们花了很多精力才发现这些懒惰的家伙。其中有一种让霓虹灯发出红光的“钝气”,居然是从零下两百多度的液态空气里提取出来的!

夜景

霓虹灯闪烁的都市。(源于汇图网)

为何要从液态空气中提取这种“钝气”呢?是怎么提取它的?怎么还有家族?……要弄清这些问题,得从一百多年前的空气研究实验说起。

卡文迪许实验之憾

“亲爱的瑞利先生,卡文迪许空气实验中残余的气体里,有很多种未知气体,它们比氮气更‘懒’,不会与其它任何物质发生化学反应,我们应该想法弄清它们。”1894年5月24日,在英国伦敦大学的化学实验室里,本校化学教授威廉•拉姆塞正专心致志地给本国剑桥大学卡文迪许实验室物理学家瑞利写一封信。

信中所提到的卡文迪许空气实验已有20多年历史,是英国科学家卡文迪许研究空气构成成分的著名实验。那时,卡文迪许一直对看不见摸不着的空气很好奇,总想弄清空气里到底有些什么东西。18世纪中叶,在他与众多欧洲科学家的不懈努力下,空气中较活泼的氧、二氧化碳等先后被提取出来,连化学性质不活泼的氮也于1870年现形。

卡文迪许的空气实验装置。(网络图)

卡文迪许的空气实验装置。(网络图)

卡文迪许在实验中发现一个怪现象:把空气中的氮、氧、二氧化碳等分离完后,总会残留很小一部分未知气体。于是,他把这个问题留给了卡文迪许实验室的科研人员瑞利,并让其在欧洲各国进行公开,号召同行们一起寻找答案。

对空气构成成分感兴趣的拉姆塞得到消息后,决心攻克这个难关。他是地道的英国人,从小受到良好教育,性格坚韧,学习勤奋。1880年他被布里斯托尔学院聘为化学教授,后升为该院院长。他主要研究有机化学和物理化学,年纪轻轻就出版有《大气中的气体》、《元素和电子》等著作。拉姆塞通过实验仔细研究了残余气体中的发射光谱,并借助诞生不久的分光技术,再次确认残余气体中有性质极不活泼的未知元素。

所以出现了他给瑞利写信这一幕。

拉姆塞画像。

拉姆塞画像。(网络图)

话说瑞利收到拉姆塞的信件后,立即赶往伦敦大学。很快两人达成共识:卡文迪许残余气体含有一类性质相似的未知元素。

当年8月,在牛津举行的英国科学协会年会筹备会议上,拉姆塞与瑞利同时宣布,经他们研究发现,空气中含有多种性质极不活泼、不与其它元素进行反应的“钝气”,建议称之为“惰性气体”。目前确认空气中含有两种惰性气体,一是可做空气保护气的氩气,二是多年前科学家们一直认为太阳上才有的氦气。

在众人惊讶的眼神中,会议主席马登当场发言,极力支持拉姆塞二人的提议,还希望他们继续研究,弄清这些藏得很深、闻所未闻的“惰性气体”。

会后,拉姆塞决定继续研究卡文迪许空气实验,从空气中找到更多的未知“钝气”。

液态空气提取氖气

像世界上所有科学家一样,拉姆塞具有不畏困难、勇往直前的精神。发现氩、氦元素之后,他用同样的分光技术来寻找未知“钝气”。可是,当他检测除去氮、氧、二氧化碳、氦、氩气后的残余气体时,发现光谱上显示出一些红色和绿色的谱线。他无法确认这些谱线是哪种元素发出的。

拉姆塞陷入新方法的思考中。过了一年多,受一位叫特拉弗斯的同行的启发:把空气变为液态气体,再进行分镏。

在特拉弗斯的协助下,拉塞姆把剂量为1升的空气在零下215度时变为液态气体,并进行蒸发,到最后得到25毫升氩气的挥发物。他收集这些挥发物,发现它“具有极壮丽的光谱,带着许多条红线和绿线,在高度真空下,依旧显著……”(《化学史》)

氖气在通电时发光

氖气在通电时发光。(网络图)

“从真空管中发出的这种深红色强光,实在太美丽了,看过它的人将终生难忘。我们两年的努力没有白费。”特拉弗斯由衷感叹道。

未知元素是发现了,但如何给它命名呢?二人正激烈讨论时,拉姆塞13岁的儿子威利来到实验室找设备。听罢谈话,威利接口道:“既然这种奇怪的气体是新发现的,何不用希腊文Neve(新奇之意)来表示呢?”

“有道理。不过要改为同义词Neon,这样读起来更好听。好听才配得上这么漂亮的气体。”拉姆塞说道。

特拉弗斯自然没有异议。他们当场把此元素命名为Neon,简称Ne。后来中国科学家引入西方化学,将此元素翻译成“氖”。

夜景光源用途多多

除了氖气外,惰性气体家族还包括氦、氩、氪、氙、氡等气体成员。这些成员中,有五种是由拉姆塞首先发现的。同时,他把惰性气体作为一族完整地插入了化学元素周期表中,使周期表更加完善,此工作比每一个元素的单独发现更为重要。因为发现氖气及在惰性气体方面的巨大贡献,拉姆塞不但被科学界誉为“惰性气体之父”,还获得1904年诺贝尔化学奖。在惰性气体方面同样颇有建树的瑞利则获得当年度的诺贝尔物理奖。

惰性气体颜色。

部分惰性气体颜色及英文缩写。(网络图)

拉姆塞生前没有料到,惰性气体通电时发光的特性,会决定它们在都市夜景装饰中扮演极重要角色。制作霓虹灯时,在玻璃管里填充氖气可做成深红色的氖灯,填充氩气是淡蓝色的氩灯,填充氦气则是橙色的氦灯。把氖、氩、氦等气体按不同比例进行混合,再装入密闭灯管中,这样就制成了五光十色的霓虹灯。需要指出的是,很长一段时间里,人们都认为是氖气“点”亮了霓虹灯,因为霓虹灯的英文是“Neon”,原意即指氖气。

惰性气体做的彩灯。

惰性气体做的彩灯。(网络图)

除了霓虹灯外,氖气在交通、电子工业、航空航海及科学研究等领域也发挥着重要作用。利用氖灯光线极强,可透过浓雾的原理,可把它用在机场、港口等地的灯标上。氖气也可用于激光技术中的激光混合气中等,氦氖激光器是人类研制成功的第一种气体激光器,应用非常普遍。在高能物理研究方面,可用充满火花的氖气来探测微粒的路径。在深水作业方面,为了预防工作人员得潜水病,可用氖气代替氮气,制作成深海作业专用的呼吸混合气。

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