书城童书惊人大发现(科学知识大课堂)
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第10章 物理大发现(3)

一直到了18世纪下半叶,法国塞纳河畔的一位化学家终于揭开了火的神秘面纱,建立了科学的燃烧理论。他就是安图瓦·拉瓦锡(Antoine-Laurent Lavoisier,1743~1794),法国化学家,1774年发现氧气,1783年揭示“水是氢和氧的化合物”,其一生为推翻支配化学发展长达百年之久的燃素说努力,为现代化学奠定了基础,被称为“近代化学之父”。

1743年8月26日,拉瓦锡生于巴黎。11岁进入当时巴黎的名牌学校——马札兰学校,受到了良好的启蒙教育。少年的拉瓦锡爱上了自然科学,在校时一直热心钻研自然科学问题,并逐渐加深了这方面的兴趣。1763年获法学学士学位,并取得律师开业证书。21岁时转向自然科学研究,他拜法国著名科学家为师,刻苦学习了数学、天文学、地质矿物学、植物学和化学等,打下了深厚的基础。

拉瓦锡起初从事地质学研究,后来,他又转而学习化学。从一开始,拉瓦锡就以精细缜密、一丝不苟的态度,吃苦耐劳、勤于思考的精神对待科学研究。这些性格上的优秀品质使他攻破了许多科学难关,为他成为出色的科学大师奠定了基础。

18世纪中叶,法国城镇的市政建设还是相当落后的,城市街道的照明主要采用燃油灯。每天傍晚需要一个人拿着长杆去点燃,第二天清晨再由人去熄灭,既麻烦又不经济。昏暗的街灯常常使飞奔的马车与行人相撞,频繁发生交通事故。1765年,法国科学院以巨额奖金征集一种使街灯既明亮又经济的设计方案。

拉瓦锡通过大量实验,提交了自己的设计方案。虽然没有获得奖金,但他的设计方案构思精巧,论证清晰合理,因而被特别授予优秀设计方案的金质奖章。隆重的颁奖仪式和激动人心的科学研究成绩,使拉瓦锡坚定了终生从事科学探索的信念。

这一年,他当选为巴黎科学院候补院士。

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。

1775年,拉瓦锡出任皇家火药局局长,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。

拉瓦锡从事的科学研究是以研究街灯的形式开始的,这使拉瓦锡接触到了燃烧及其现象问题。

早在拉瓦锡之前的一百多年,人们已经提出了一种关于燃烧的理论,认为燃烧是“火素”放出的过程。当燃烧时火焰是向上飞腾离去的,其中夹杂的许多火星就是火素,也叫做“燃素”。许多物质如木材、纸张、煤炭和油类中都含有大量燃素,一旦燃烧就集中释放形式猛烈的火焰。事后剩余的灰烬远远少于可燃物燃烧之前的重量,这就是燃素放出的结果。

当时人们把这种观点叫做“燃素说”。它统治化学界长达一百多年之久。然而,社会生产技术和科学研究的日益深入,使燃素说暴露出许多破绽,例如燃烧木材和煤炭之类的东西,重量呈减少的状态;燃烧锡或铅等金属非但重量没有减少,反而出现增重现象。这就迫使人们重新审视燃烧理论。

拉瓦锡详尽搜集了前人关于燃烧的研究成果,加以认真地审视和分析,经过长时间的研究,拉瓦锡发现了以前人们忽视的一个问题:加热燃烧金属增重的原因是吸收了空气所致。

接着拉瓦锡在三四年的时间内,连续进行了大量的关于燃烧和气体方面的实验。他用金属锡、铅和水银作实验,再用非金属硫磺、磷作实验,还用有机物作实验。他逐渐把注意力集中在空气中有某种助燃气体能够与金属结合使其增重上,这究竟是什么样的物质呢?他在努力探索着。

1774年4月,拉瓦锡发表了论文,用实验论证了金属能与空气中的某种物质相结合的事实。

但他始终苦于找不到将它分离出来的方法。

拉瓦锡家境富有,比科学界的多数同事的状况优越得多。妻子玛丽乐善好施,拉瓦锡也毫不吝啬,因此,拉瓦锡家成了法国甚至欧洲著名的“科学沙龙”,法国的科学家愿意到这里聚会畅谈,外国科学友人也乐于来这里造访逗留。

1774年10月,在拉瓦锡家的“科学沙龙”上,英国化学家J.普利斯特里介绍了自己做的一个实验。原来,普利斯特里用口径很大的聚光火镜加热汞灰(即氧化汞)时,搜集到一种助燃作用极强的气体,他将这种气体取名叫“脱燃素空气”。这种气体使蜡烛燃烧得更明亮,还能帮助呼吸。这就是我们现在说的氧气。但是普利斯特里一直坚信燃素说,所以他虽然发现氧气却没有揭开燃烧的奥秘。

拉瓦锡重复了普利斯特利的实验,得到了相同的结果。拉瓦锡并不相信燃素说,所以他认为这种气体是一种元素。难能可贵的是,拉瓦锡又用制得的气体逆向重新和汞作用,结果又生成了汞灰。现在,拉瓦锡全明白了。燃烧就是可燃物通过水分解得到两种气体,再将这两种气体燃烧又得到水。

实验使他弄清了空气是由氧气和氮气组成的原理。火的产生就是可燃性物质与空气中氧元素相结合的结果。从此,确立了科学的燃烧理论,推翻了燃素说的错误。1777年,拉瓦锡正式把这种气体命名为oxygene(中译名“氧”),含义是“酸的元素”。同年,拉瓦锡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,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。

虽然在今天看来,拉瓦锡的一些结论是错误的,比如:他认为凡是含有氧的化合物都是酸性化合物,例如硫酸、硝酸都含有氧,由此推断盐酸也含有氧,只是结合得牢固,因此不能从盐酸中分出氧——但是,他的实践仍然是革命性的。拉瓦锡的氧化学说彻底地推翻了燃素说,揭开了燃烧的奥秘,他创立了燃烧理论,为人类作出了巨大贡献,使化学开始蓬勃地发展起来。许多科学家盛赞拉瓦锡为“近代化学之父”,将拉瓦锡伟大的化学实践视为推翻“燃素说”的一场“化学革命”。

1794年5月8日,作为近代化学奠基人之一的拉瓦锡于巴黎去世。

电磁感应现象的发现

我们的日常生活离不开电,从电灯、电话、电报到收音机、电视机,从工厂中轰鸣的机器到农田中的抽水机,从军事上用的雷达到科研教学用的电子计算机,处处都要用到电,没有电,就没有现代文明社会。

那么,电是怎样被发现的?人类又是怎样学会利用电的呢?

初识静电

人类最早看到的电便是天空中的雷鸣闪电了。不过雷电究竟是什么,古人并不清楚。在我国有“雷公电母”的传说,在西方则有“上帝之火”之说,雷电被蒙上了一层神秘的色彩。

人类最早获得的电是摩擦产生的静电。公元前6 世纪,古希腊人在佩戴首饰时就发现,用布或皮毛摩擦过的琥珀,能吸附灰尘、线头等轻小物体。

我国古代人民也早就发现了摩擦起电现象。汉代著名学者王充在“论衡”一书中有“顿牟掇芥”的记载,“顿牟”即琥珀,“掇芥”就是拾起轻小的物体。

第一个比较系统地对电和磁进行研究的是16世纪英国科学家、曾担任过英国女王宫廷医生的吉尔伯特。吉尔伯特发现,地球本身是一个巨大的磁体,并用一个大磁石模拟地球做过著名的“小地球实验”。他还发现,不仅琥珀可以吸引轻小物体,玻璃、硫磺、树脂、水晶、宝石等经过摩擦,也都能吸引轻小物体,并发明了可以检验物体是否带电的验电器。是他第一个应用“电”这个词。英语的“电”就是从希腊语“琥珀”一词派生出来的。

17世纪,德国马德堡市市长、物理学家格里凯制造出了一种能够摩擦起电的机器,它是用布摩擦一个可以连续转动的硫磺球,这样就可以得到大量的电荷了。后来,人们又制造出各种各样的静电起电器。

但是,那时候,人们好不容易起得的电,在空气中要不了多久就逐渐消失了。每次用电都要重新用起电器起电,很不方便。能不能把这些电保存起来呢?

一个叫马森布洛克的荷兰物理学家真的把电装到玻璃瓶里贮存起来了。

1745年,马森布洛克做了一个实验,在一个盛有水的玻璃瓶上塞上一个软木塞,软木塞上插了一枚铁钉,用铜丝把铁钉和起电器连接起来。

马森布洛克让他的助手拿着玻璃瓶,自己使劲摇动起电器,他的助手不小心用手碰到了铁钉,猛然遭到一阵强烈打击,不由得大喊起来。

马森布洛克和他的助手掉换了位置,用手去摸铁钉,果然他的手臂和身体像遭到雷击一样,有一种无法形容的恐怖感觉。这说明电荷被存到瓶子中了,人接触到瓶子,因此受到电击。

马森布洛克是荷兰莱顿大学的教授,这个能贮电的瓶子就得名莱顿瓶。

莱顿瓶实际上就是一个电容器。后来,莱顿瓶经过改进,里边不再装水,而是在玻璃瓶内外贴上锡箔,用起来就更方便了。

有了莱顿瓶,人们可以方便地进行各种电学实验,因此,它很快就传开了。魔术师们也因此增添了一个新节目,他们带着起电器和莱顿瓶到处周游,为人们做触电麻酥酥感觉的表演。

揭开雷电之谜

许多科学家都注意到了,莱顿瓶放电时,会产生电火花和劈啪声,与天空中的雷鸣闪电很相似。那么,摩擦起电得到的电与天上的雷电是不是一样的电呢?

在美国费城,有一个科学家叫富兰克林,他也在思考这个问题。有一次,他的夫人丽达不小心碰到了莱顿瓶,突然闪出一团电火,随着一声轰响,丽达被击倒在地,经过抢救才脱险。

这件事给了富兰克林深刻的印象,他决心要把天上的雷电“捉”下来,看看它们和莱顿瓶的电是不是一样。

1752年7月的一个雷雨天,46岁的富兰克林带着他的儿子,把一个用绸子做的大风筝放到了天空。这个风筝的顶部安了一根尖细的铁丝,牵引风筝的麻绳末端拴了一个铜钥匙,钥匙塞入莱顿瓶中间。

风筝和麻绳被雨水淋湿,变成导电的了。当带着雷电的云来到风筝上面时,尖细的铁丝立即从云中吸取电,绳子松散的纤维向四周竖了起来,在富兰克林的手指和钥匙间发出蓝白色的小火花,他感到一阵麻,闪电被引到莱顿瓶中了。

富兰克林发现,天电和普通电一样可以使莱顿瓶充电,一样可以点燃酒精和进行其他电学实验,也就是说,天上的电和地上的电性质是完全一样的。“上帝之火”的迷信被击垮了。

不过,这个实验实在是太危险了。俄国科学家利赫曼曾设计了一个装有金属尖杆的检雷器,想测出云中有没有电,结果一阵雷电下来,将他当场击毙。

为研究科学,利赫曼献出了宝贵的生命。

根据对雷电的实验和尖端放电的原理,富兰克林发明了避雷针,使千千万万的房屋建筑免遭雷击。避雷针很快在全世界普及开了。

可笑的是,英王乔治三世因为富兰克林是美国独立战争中的风云人物,下令要把尖端避雷针改成球形的。幸亏英国皇家学会的科学家拒绝了他这一愚蠢的命令。

“动物电”引出的发明

摩擦起的电和贮存在莱顿瓶中的电,当放电时,瞬间就消失了,不能形成持续的电流,我们把这种电叫做静电。静电的作用远不如动电,事实上,我们今天所用的电,绝大多数都是可以在导线中流动的持续电流。只有在发现这种电流之后,人类对电的运用才有了突飞猛进的发展。

那么,电流是怎样被发现的呢?

1786年,在意大利有一位解剖学家叫伽伐尼,正在做解剖青蛙的实验。他把一只刚刚解剖完的青蛙腿用铜钩子挂在一个铁架子上,无意中使蛙腿碰到了铁架子,蛙腿竟奇怪地抽搐了几下。

细心的伽伐尼没有放过这个偶然的发现。他找来一根铁筷子,把蛙腿和铁架子连接起来,蛙腿上的肌肉同样也发生了强烈的抽搐,就像他过去曾经做过的用莱顿瓶或起电器给青蛙腿通电的情况一样。显然,蛙腿是受到电的刺激而抽搐的。那么电又是从哪里来的呢?

伽伐尼选择不同时间、不同条件进行实验。他发现,无论是在晴天还是雷雨天,在室外还是封闭的屋子里,重复这个实验,蛙腿都会收缩。因此,他认为这个电不可能是外来电,而是动物本身所有的。两种不同的金属与之接触,就把这种电激发出来了。他把这种电叫“动物电”。

伽伐尼的“动物电”观点得到了许多人的支持。因为人们早就知道,海洋中有一些鱼,像电鳗、电鲶等都能放电,人们自然联想到,别的动物体内也可能贮存这种电。

但也有一些科学家不同意伽伐尼的观点,其中有一位就是意大利物理学家伏打。

伏打认为,引起蛙腿抽动的是来自铜钩和铁架两种不同金属接触产生的电流。他把两种不同的金属导线连接起来,用它们的两端去接触青蛙,蛙腿就会抽动。他还用它们的两端去接触自己的舌头,立即感到有电的刺激,他把这种电叫金属电。

为了论证自己的看法,伏打又做了大量实验。他花了整整3年时间,把各种金属搭配成一对一对进行实验,编制出了各种金属材料接触生电的序列,其次序是锌、锡、铅、铜、铁、铂、银、金……这就是著名的伏打序列,只要按这个序列将前边的金属与后边的金属搭配起来,前者就带正电,后者就带负电。

伏打还发现,形成电流的另一个必要条件是必须把金属放在导电的溶液中去,在青蛙实验中,蛙腿就起到了溶液的作用。

根据这个原理,1800年,伏打把数十个圆形的银片、锌片以及用食盐水浸泡过的厚纸片按银片、纸片、锌片、纸片的顺序不断叠起来,制成了伏打电堆,当把电堆的两端用金属导线连接起来时,电路中立刻出现了持续的电流。

伏打电堆的发明,使人类第一次获得了持续的稳定的电流,从此电学又进入了一个新的迅速发展的阶段。

那么,伽伐尼提出的动物电对不对呢?伏打的异议促使伽伐尼进行了更严密的实验。他不用铜钩、铁架,而是剥出蛙腿的一条神经,一头绑在另一条腿上,一条与脊椎接触,结果蛙腿仍会抽搐。实践证明,动物会产生电流的结论是正确的,生物体内确实存在生物电。

想不到一个青蛙腿的实验,引出了生物电和伏打电池两项重大的发现和发明。

电能转化为磁

人们不仅早就发现了电现象,而且也早就发现了磁现象。但是长期以来,人们一直没有把电和磁联系起来,就连对电和磁分别很有研究的吉尔伯特也认为,电和磁是两种截然不同的现象。