初中化學(xué)化學(xué)家為測(cè)定元素原子量而立功的里查茲

Page1為測(cè)定元素原子量而立功的里查茲里查茲是美國(guó)聞名的化學(xué)家。他一生在化學(xué)發(fā)展中的主要貢獻(xiàn)是重新精確地測(cè)定了元素原子量。由于這項(xiàng)工作，他榮獲了1914年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?！八谦@得這種榮譽(yù)的第一位美國(guó)化學(xué)家，因而在美國(guó)享有根高的聲望?！笨茖W(xué)的背景道爾頓在他的原子論中明確指出：每一種元素以其原子的質(zhì)量為其最基本的特征。在19世紀(jì)上半葉，很多化學(xué)家都投入原子量的測(cè)定工作，他們把它當(dāng)作化學(xué)發(fā)展中的一項(xiàng)重點(diǎn)“基本建設(shè)”。在從事測(cè)定原子量工作的化學(xué)家中，瑞典化學(xué)家貝采里烏斯的工作是最突出的；在1310一1830年的大約20年問(wèn)，在簡(jiǎn)陋的試驗(yàn)室中，他對(duì)大約2千多種單質(zhì)和化合物進(jìn)行了精確的分析，為計(jì)算原子量供應(yīng)了豐富的試驗(yàn)資料。鑒于氧化物的廣泛存在，貝采里烏斯確定把氧的原子量作為基準(zhǔn)，規(guī)定它的原子量為100。1814年他發(fā)表了列出41種元素的原子量表，

1818年被列入的元素增加到47種。由于貝采里烏斯沒(méi)有理解和接受阿佛加德羅的分子理論，致使他假設(shè)的一些氧化物的化學(xué)式出現(xiàn)錯(cuò)誤，因此很多元素的原子量都有誤差，有的甚至高出一倍或幾倍。1819年法國(guó)科學(xué)家杜隆和培蒂發(fā)覺(jué)的原子熱容定律，

1819年貝采里烏斯的德國(guó)學(xué)生米希爾里希發(fā)覺(jué)的同晶定律，都曾被用來(lái)修正貝采里烏斯的原子量表。盡管貝采里烏斯這樣一些有豐富閱歷的化學(xué)家作了很大的努力，不承認(rèn)分子理論所造成的原子量的測(cè)定上和化學(xué)式的表示上的混亂仍舊無(wú)法消退，貝采里烏斯的原子量系統(tǒng)在1830一1840年間還遭到了懷疑原子學(xué)說(shuō)的科學(xué)家的多方攻擊。1860年在德國(guó)卡爾斯魯厄的國(guó)際化學(xué)家會(huì)議上，康尼查羅的工作最終使原子——分子論得以確立。消退了化學(xué)理論上的很多疑問(wèn)和爭(zhēng)辯，混亂的局面得以改善，原子量的測(cè)定工作也取得了較大的發(fā)展。不僅絕大多數(shù)元素的原子量能精確地測(cè)定出來(lái)，而且精確度也有較大提高。其中以比利時(shí)化學(xué)家斯塔的工作最為精彩。他首先想方設(shè)法制備出最純狀態(tài)的化合物，通過(guò)分析和合成，確定元素的化合比，然后再推算出原子量。他材定了測(cè)定原子量的特別精確的方法，大量的試驗(yàn)資料使他確定的原子量在精確性上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了前輩和當(dāng)時(shí)的其他化學(xué)家，他的原子量測(cè)定值始終被人們認(rèn)為是最精確的，以至于直到1903年沒(méi)有一個(gè)化學(xué)家對(duì)這些原子量提出過(guò)懷疑，更沒(méi)有人試圖用新的試驗(yàn)方法去檢驗(yàn)它。在20世紀(jì)，第一個(gè)敢于對(duì)斯塔的原子量系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)定和修正的是美國(guó)年輕的化學(xué)家里查茲。原子量的修正宏大的物理學(xué)家愛(ài)因斯坦曾明確他說(shuō)：“提出一個(gè)問(wèn)題往往比解決一個(gè)問(wèn)題更重要，因?yàn)榻鉀Q問(wèn)題或許僅是一個(gè)數(shù)學(xué)上或試驗(yàn)上的技能而已，而提出新的問(wèn)題、新的可能性，從新的角度去看舊的問(wèn)題，卻須要有創(chuàng)建性的想象力，而且標(biāo)記著科學(xué)的真正進(jìn)步?！卑l(fā)覺(jué)問(wèn)題、提出問(wèn)題在學(xué)習(xí)和科學(xué)探討中是很重要的。

1887年，不滿(mǎn)20歲的里查茲從哈佛高校畢業(yè)。他來(lái)到他家的老摯友、哈佛高?；瘜W(xué)教授庫(kù)克所領(lǐng)導(dǎo)的試驗(yàn)室從事化學(xué)探討。他選擇的第一個(gè)課題是驗(yàn)證普勞特假說(shuō)。所謂普勞特假說(shuō)即是1815年由英國(guó)醫(yī)生普勞特提出來(lái)的，認(rèn)為全部元素的原子量均為氫原子量的整數(shù)倍，氫是原始物質(zhì)。眾多的試驗(yàn)事實(shí)表明很多元素的原子量并非氫原子量的整數(shù)倍，因而化學(xué)家們都沒(méi)有接受這一假說(shuō)。當(dāng)門(mén)捷列夫發(fā)覺(jué)了元素周期律后，它所揭示的元素之間存在的內(nèi)在聯(lián)系又使化學(xué)家們感到各種不同元素的原子可能存在某種共同的東西，它們可能來(lái)自同一根源或者由同一基本物質(zhì)單位所組成。這一思潮再次使普勞特假說(shuō)受到重視。斯塔最初幾乎完全信任普勞特假說(shuō)是正確的，但是通過(guò)精確測(cè)定卻表明原子量事實(shí)上并非整數(shù)，其中有些偏差相當(dāng)大，例如C1＝35．46。于是斯塔得出給論：普勞特假說(shuō)只不過(guò)是一種假想，是一種確定與試驗(yàn)沖突的純粹假想。

19世紀(jì)末，調(diào)射線、放射性和電子的發(fā)覺(jué)，揭開(kāi)了物理學(xué)革命的序幕，也使很多科學(xué)家起先悟到原子是可分的，原子存在著困難的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在這種狀況下，里查茲?rùn)z驗(yàn)普勞特假說(shuō)是有特別意義的。為了測(cè)得氫和氧的相對(duì)重量，首先要精確地測(cè)定水的成分。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，他得到的氫和氧的原子量比例為1：15．96，再次證明普勞特假說(shuō)不能成立。

在精確地測(cè)定氫和氧的原子量比值之后，里查茲致力于幾種金屬元素原子量的測(cè)定。在這些試驗(yàn)中，他有三點(diǎn)收獲。他從不同地方得到的銅，它們具有完全相同的原子量，說(shuō)明各地的銅都具有相同的性質(zhì)。他測(cè)定了鐳和鎳的原子量，雖然在周期表中鉆排在鎳的前面，但鉆的原子量的確大于鎳。再次證明周期表中的確存在這一個(gè)疑問(wèn)。其次點(diǎn)收獲是他大大地改進(jìn)了重量法測(cè)定原子量的技術(shù)。詳細(xì)他說(shuō)就是他發(fā)展了兩種重要的試驗(yàn)方法，一是設(shè)計(jì)了一種裝置，可以用它變換所稱(chēng)量的樣品而又避開(kāi)樣品與潮濕的空氣接觸；另一方法是研制出散射濁度計(jì)，用這種儀器可以測(cè)量或比較懸浮體的散射光，由此計(jì)算出試樣溶液的沉淀量。里查茲的第三個(gè)收獲，也是他最大的收獲是依據(jù)他的測(cè)量，1903年已察覺(jué)到斯塔的原子量數(shù)值并非像以前設(shè)想的那么精確。里查茲的大部分化學(xué)分析都是利用了鹵化銀將某一金屬元素變成鹵鹽沉淀下來(lái)而進(jìn)行的。1904年，通過(guò)他和他的學(xué)他還被授予英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的戴維獎(jiǎng)?wù)?、英?guó)化學(xué)會(huì)的法拉第獎(jiǎng)?wù)?、美?guó)化學(xué)會(huì)的吉布斯獎(jiǎng)?wù)隆＜?xì)致·精確·耐性

很多人都沒(méi)有料到，這樣一個(gè)杰出的化學(xué)家，主要是通過(guò)自學(xué)和家庭教化而成才的6里查茲的父親是個(gè)畫(huà)家，母親是個(gè)作家兼詩(shī)人。由于他母親的主見(jiàn)，他是在家中完成的小學(xué)和中學(xué)教化。他14歲上高校后，對(duì)化學(xué)這門(mén)課程產(chǎn)生偏愛(ài)。1886年畢業(yè)于哈佛高校。1888年獲得博士學(xué)位。在長(zhǎng)期的自學(xué)中，他體會(huì)到：細(xì)致、精確和有耐性是他取得勝利的重要因素。

高校畢業(yè)后，他始終在高校任教。由于他的才能，他提升得很快，1901年就彼聘為哈佛高校的化學(xué)教授。他一方面教學(xué)，另一方面從事探討?？赡苡捎跀?shù)學(xué)沒(méi)學(xué)好，他在講課中盡量回避數(shù)學(xué)問(wèn)題。他還有個(gè)補(bǔ)救方法，那就是利用他那豐富的歷史學(xué)問(wèn)，他常常從科學(xué)史的角度給學(xué)生授課，從而使他開(kāi)的課內(nèi)容豐富，生動(dòng)活潑，特別吸引人。他的學(xué)生科南特就是依據(jù)他講課所登記的筆記，經(jīng)整理寫(xiě)出了一本很出名氣的著作《科學(xué)史導(dǎo)言》。

由于他的淵博學(xué)問(wèn)，也因?yàn)樗霰姷脑囼?yàn)技巧，他在哈佛高校組織的一個(gè)科研組織，被外人尊稱(chēng)為物理和分析化學(xué)的“麥加”。在這里，他培育了一大批后來(lái)在美國(guó)化學(xué)界嶄露頭角的聞名化學(xué)家。因此在美國(guó)的化學(xué)史上，他是繼普利斯特列之后，最精彩的化學(xué)家。生對(duì)鹵化銀的反復(fù)測(cè)定，證明銀的原子量是107．87，而不是斯塔的107。93。致1905年，他進(jìn)而發(fā)覺(jué)了斯塔的經(jīng)典探討中的一系列錯(cuò)誤，同時(shí)也找到了斯塔探討中的錯(cuò)誤根源。

斯塔的錯(cuò)誤在于兩個(gè)方面。斯塔名義上取氧的原子量＝16．00為標(biāo)準(zhǔn)，事實(shí)上他的測(cè)定值大多數(shù)是基于銀的原子量，所以銀的原子量的微小偏差也必定對(duì)其它元素原子量數(shù)值產(chǎn)生影響。另一方面，斯塔在測(cè)定中，還忽視了一些微小卻又重要的因素，例如氯化銀的溶解性，這又影響了原子量數(shù)值的精確度。在找到斯塔測(cè)定工作的錯(cuò)誤后，里查茲領(lǐng)導(dǎo)著一個(gè)小組起先重新測(cè)定一些主要元素的原子量，例如氮、氯、鈉、鉀等25種元素。里查茲的工作使那些已公認(rèn)的原子量得到了有意義的修正、雖然這些修正在數(shù)值上并不大，但是在化學(xué)探討中卻是不行忽視的。里查茲的學(xué)生也修正了其他30多種元素的原子量。不朽的業(yè)績(jī)

里查茲在化學(xué)探討中的其次個(gè)重要貢獻(xiàn)是他第一個(gè)用化學(xué)試驗(yàn)的事試驗(yàn)證了英國(guó)化學(xué)家索迪提出來(lái)的同位素概念。自從1896年法國(guó)物理學(xué)家貝克勒爾發(fā)覺(jué)放射性后，放射性物質(zhì)成為很多物理學(xué)家和化學(xué)家的探討對(duì)象。1907年有人在探討中發(fā)覺(jué)，存在著化學(xué)性質(zhì)完全相同而原子量不同的元素。這類(lèi)事實(shí)積累得越來(lái)越多，到1910年英國(guó)化學(xué)家索迪依據(jù)這些事實(shí)提出了同位素假說(shuō)，即存在有原子量和放射性不同但其物理化學(xué)性質(zhì)完

全一樣的化學(xué)元素變種。接著素迪又提出了放射性元素蛻變的位移法則。當(dāng)時(shí)唯一能驗(yàn)證這些假說(shuō)的方法是化學(xué)分析。精于原子量測(cè)定技術(shù)的里查茲確定從事這項(xiàng)探討。依據(jù)位移規(guī)則推論，三個(gè)放射系列的最終產(chǎn)物都是鉛，各系列的鉛的原子量原委相同與否？為了驗(yàn)證同位素假說(shuō)和位移規(guī)則的正確性：就應(yīng)當(dāng)精密測(cè)定不同來(lái)源鉛的原子量