亨利·卡文迪许

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亨利·卡文迪许(Henry Cavendish,又译亨利·卡文迪什,1731年10月10日—1810年2月24日),英国物理学家、化学家。他首次对氢气的性质进行了细致的研究,证明了水并非单质,预言了空气中稀有气体的存在。发现了库仑定律和欧姆定律,将电势概念广泛应用于电学,并精确测量了地球的密度,被认为是牛顿之后英国最伟大的科学家之一。

亨利·卡文迪许 - 简介

亨利?卡文迪许(Henry Cavendish,又译亨利·卡文迪什,1731年10月10日—1810年2月24日),18世纪英国物理学家、化学家。他首次对氢气的性质进行了细致的研究,证明了水并非单质,预言了空气中稀有气体的存在。发现了库仑定律和欧姆定律,将电势概念广泛应用于电学,并精确测量了地球的密度,被认为是牛顿之后英国最伟大的科学家之一。

亨利.卡文迪许是百万富翁。他一生从事于化学和物理学的研究。他发现了很多前人不知道的事物。亨利生性怪癖,沉默寡言,曾经有科学史家说:“他是有学问的人当中最富有的,也是富人当中最有学问的。”

亨利·卡文迪许 - 生平

亨利.卡文迪许生于1731年10月10日,那时他的母亲正在法国休养,所以他生在法国南部。他是在牛顿病故四年后出生的,他读过牛顿的全部著作,一生最佩服牛顿的学识和为人。

卡文迪许的父亲是当时有名的学者,所以,卡文迪许从小就得到父亲的鼓励,希望他在学术上能有所成就。11岁的时候,他被送到当时著名的贵族中学学习了8年之久。

到1749年,他18岁,进了剑桥大学,一直到1753年,他22岁,因为不赞成剑桥大学的宗教考试,所以没取得任何学位,他离开了大学,在18世纪时,还没有公家办的实验室。卡文迪许在自己家里装备了一座规模相当大的实验室,他终身在自己家里做实验工作。他一生没有结婚,过着独身生活。

亨利·卡文迪许 - 学术贡献

卡文迪许公开发表的论文并不多,他没有写过一本书,在长长的50年中,发表的论文也只有18篇。除了一篇在1771年发表的论文是理论性的以外,其余的论文内容都是实验性和观察性的,大部分是关于水槽化学方面的,先后发表在1766年到1788年的英国皇家学会的期刊上。

又有一部分是关于液态物质凝固点的研究,发表于1783年到1788年。还有一部分是有关地球平均密度的研究,发表于1798年。在他逝世以后,人们发现他有大量文稿,一直藏着未经公开发表。这部分未发表的论文相当多,电学部分由19世纪的大物理学家马克斯维尔门教授整理后在1879年出版,化学和力学部分是由爱德华.普索于1921年主编出版的。

1784年左右他研究了空气的组成,他还发现了硝酸。

卡文迪许在热学理论、计温学、气象学、大地磁学等方面都有研究。1798年他完成最后的实验时,已年近七十。在物理学上他最主要的成就是通过扭秤实验验证了牛顿的万有引力定律,确定了引力常数和地球平均密度。

卡文迪许验证万有引力定律的实验采用自己设计的“扭秤”为工具,后人称为著名的“卡文迪许实验”。

曾经有人说:“没有一个活到80岁的人,一生讲的话像卡文迪许那样少的了。”在一本《化学史》书上,曾举出卡文迪许最怕交际的一件事例。有一天一位英国科学家携同一位奥地利科学家到班克斯爵士的家里做客,正巧卡文迪许也在座。班克斯便介绍他们相识。在互相介绍时,班克斯曾对这位远客盛赞卡文迪许,而这位初见面的客人更是对卡文迪许说出非常敬仰他的话,并说这次来伦敦的最大收获,就是专程拜访这位名震一时的大科学家。

卡文迪许听到这话,起初大为忸怩,最后完全手足无措,便从人丛中冲出了室外,坐上他的马车赶回家去了。从这段记载可以看出卡文迪许为人性格孤僻。卡文迪许离开剑桥大学后,就跟父亲旁听英国皇家学会的会议,每个星期四中午,参加学会的聚餐。到了1760年他被选为皇家学会会员。一直到现在,在英国,凡是有FSR(皇家学会会员)头衔的人,还是受到人们的尊敬。

接下来他在1783年研究了空气的组成成分,做了很多试验,发表的论文的题目是“空气试验”。也就是这个时候,他发现水是由氢和氧两种元素组成的。

卡文迪许最后的一项研究,是关于地球平均密度的问题。他提出的数字是5.448克/厘米,现在公认的是5.48克/厘米。这说明当时试验已经相当准确。他还有一项工作,是过了100年以后,才得到承认的,那就是关于稀有元素的存在问题。

 

亨利·卡文迪许 - 学业

卡文迪什家族是一个历史很悠久的英国贵族家庭。1731年查尔斯·卡文迪什和他妻子,肯特公爵的女儿安妮在尼斯疗养,10月亨利·卡文迪什在尼斯诞生。卡文迪什从小接受良好的家庭教育,11岁进入很有名的海克雷学院。1749年11月进入剑桥大学的圣彼得学院,但因不满当时剑桥刻板的学习和学位制度而于1753年2月退学,查尔斯卡文迪什对儿子退学而没有获得应得的学位而愤怒,并决定每年只给他120镑的零用钱。卡文迪什在欧洲大陆旅行一段时间后即定居伦敦,自己购买书籍和实验仪器,开始了他长达50余年的科学探索。

 

亨利·卡文迪许 - 化学研究

卡文迪什在1766年发表了他的第一篇论文《论人工空气》“人工空气”一词为波义耳首创,用来指存在在某种物质中,通过化学反应可以释放出来的气体。如普利斯特里通过碳酸盐与酸反应生成的二氧化碳。在文章中卡文迪什在严格保持温度和压强条件的前提下,对当时已知的各种气体的物理性质,特别是密度进行了严谨而细致的研究,这篇文章使他获得英国皇家学会的科普利奖章。

卡文迪什于1781年采用铁与稀硫酸反应而首先制得“可燃空气”(即氢气)他使用了排水集气法并对产生的气体进行了多步干燥和纯化处理。随后他测定了它的密度,研究了它的性质。他使用燃素说来解释,认为在酸和铁的反应中,酸中的燃素被释放出来,形成了纯的燃素-“可燃空气”。之后当他得知普里斯特利发现在空气中存在“脱燃素气体”(即氧气),就将空气和氢气混合,用电火花引发反应,得出这样的结果“在不断的实验之后,我发现可燃空气可以消耗掉大约1/5的空气,在反应容器上有水滴出现。”随后卡文迪什继续研究氢气和氧气反应时的体积比,得出了2.02:1的结论。对于氢气在氧气中燃烧可以生成水这一点的发现权,当时曾引起了争论。因为普里斯特利,瓦特,卡文迪什都作过类似的实验。1785年瓦特被选为皇家学会会员,争论以当事人的和解而告终。

卡文迪什敏锐地注到了,生成的水中有少量的硝酸存在。他认为这是反应用的氧气中含有新物质(主要是氮气)的原因。1785年卡文迪什在氧气和空气混合物中引入电火花,使得空气中的氧气和氮气化合,然后用氢氧化钠溶液来吸收生成的氮氧化物,发现空气中残留下一小部分,大约1/120,无法与氧气反应生成化合物被氢氧化钠吸收。经过几百次的实验和分析,他得出在今天看来都很精确的结论,空气中有20.833%的体积是脱燃素空气(现在测量值是氧气占20.95%)和79.167%的燃素空气,在燃素空气中有空气总体积的1/120的不易和其他气体反应的浊气。一直到1894年瑞利和拉姆赛发现稀有气体氩,才证实了卡文迪什的推测。在拉瓦锡提出氧化说,卡文迪什赞成氧化说的简洁,认为这有利化学的发展,但也不愿轻易放弃自己一直采用的燃素说,随后他将自己的研究重点转向了物理学领域。

 

亨利·卡文迪许 - 物理研究

卡文迪什在室外用望远镜观测扭秤卡文迪什在电学上进行了大量重要而不为人知的研究。他在1777年向皇家学会提交论文,认为电荷之间的作用力可能呈现与距离的平方成反比的关系,后来被库仑通过实验证明,成为库仑定律。他和法拉第共同主张电容器的电容会随着极板间的介质不同而变化,提出了介电常数的概念,并推导出平板电容器的公式。他第一个将电势概念大量应用对电学现象的解释中。并通过大量实验,提出了电势与电流成正比的关系,这一关系1827年被欧姆重新发现,即欧姆定律。卡文迪什对电学的研究基本都没有发表,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的最后五年致力于对卡文迪什个人实验记录的整理,于1879年出版了麦克斯韦注释的《卡文迪什的电学研究》 ,卡文迪什在电学上成果才使世人知晓。

1797年卡文迪什完成了对地球密度的精确测量。他使用的装置是约翰·米切尔设计,但米切尔本人不久去世,将装置遗留给了沃拉斯顿,后被转送给卡文迪什。装置是由两个重达350磅的铅球和扭秤系统组成。为了消除气流干扰,卡文迪什将装置安装在一个不透风的房间,自己则在室外用望远镜观测扭矩的变化。之后他向皇家学会提交报告,给出了目前看来仍然比较精确的地球密度值。这一测量被称为开创了“弱力测量的新时代”。很多文章称卡文迪什求出了万有引力常量,实际上卡文迪什当时只关心地球的密度,并没有涉及其他。而采用卡文迪什的测量结果通过计算可以求出万有引力常量和地球的质量。

 

亨利·卡文迪许 - 相关实验

十八世纪后期,在牛顿第一个指出行星的运动是怎样依赖于太阳质量之后一百多年,一位英国物理学家、化学家卡文迪许(1731~1810)发现测量引力常数G的方法。在卡文迪许完成他的实验以前,天体的绝对质量是不能精确地测定的,只能由行星的卫星轨道来决定行星质量的相对值。

在卡文迪许的实验中利用了一个扭秤,典型的设计可由一根石英纤维悬挂一根载有质量为m1及m2的两个小球的杆而组成,如图3.6a所示。每个小球距石英纤维的距离L相等。当一个小的可测量的扭矩加在这个系统上时,在石英丝上可以引起扭转,记下这个扭转值可以标定扭秤。我们可以利用这个扭矩,它是由具有恒定的、作用力已知的弹簧在m2的位置上施加一个水平的力而组成。

如果质量为M1及M2的两个物体分别位于与质量为m1及m2的两个小球的水平距离很小的位置上,我们可以观测到石英丝的旋转,如图3.6b所示。我们可以分别决定m1与M1以及m2与M2的距离r1及r2,然后求施加在杆的端点的水平方向上的力,由此确立加石英纤。

从质量M的测量所得的偏离,再根据上面所说到的,由石英丝旋转大小而取得的扭秤的标定,我们可以决定N之值。由于我们可以测量N,L,r1,r2以及所有不同物体的质量,现在在方程(3.48)中除了G以外,所有量都是已知的,于是可从方程(3.48)直接决定G,其值为G=6.7×10^(-8)达因·厘米2·克-2。(A^B表示A的B次方)

一旦G的值已知,利用开普勒第三定律,方程(3.47)可以立即决定太阳的质量。开普勒第三定律实际上是包含太阳及行星的总质量M的,但是对不同行星进行计算后,我们可以证实,太阳的质量很接近于M,而行星的质量仅约为~0.0013M⊙,在近似计算中可以忽略。利用已知的月球轨道及相似的方法,可以导得地球的近似的质量。

 

亨利·卡文迪许 - 相关轶事

身着天鹅绒大衣的卡文迪什,大卫·亚力山大画,据说为作家暗中偷画的卡文迪什沉默寡言,不善交际,对于卡文迪什的生平主要来源于物理学家汉弗莱·戴维和其他一些朋友的记载,同时也流传着不少传说。据记载,卡文迪什长年穿着一件褪色的天鹅绒大衣,戴当时已经少见的三角帽,性格独特,说话显得犹豫和困难,而面对女士和陌生人会很羞涩而避免和他们说话。他非常喜欢独自沉思,甚至很少和自己的仆人见面,一般只会在桌子上留下字条说明自己晚餐要吃什么,常常是“一只羊腿”。卡文迪什终生未婚,唯一的社会活动就是参加皇家学会俱乐部的两周一次的会议。他对没有研究透彻的东西从不发表,所以尽管他一生只提交过不足20篇论文,却获得了皇家学会成员的一致尊重。

由于其家庭地位和父母留给他的大量财产,使得他曾是伦敦银行的最大储户,但他心思专注在科学研究中,对于财产,他几十年都只让投资顾问买一种股票,不论涨跌。他的一名投资顾问希望建议他向另一股票投资,卡文迪什以平生罕见的大怒的告知对方:“不要拿这些事情来烦我,否则我就解雇你”。有位法国科学家曾说“卡文迪什是最有学问的人中最富有的,也許是最富有的人中最有学问的。

 

 

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