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波义耳和拉瓦锡是化学史上的两个重要人物，他们对物质成分的研究做出了杰出的贡献。以下是他们探究物质成分方面的介绍：

1、波义耳的贡献：在波义耳的时代，人们对物质的认识还停留在“四元素”的观念上，波义耳认为所有的物质都是由火、水、土和空气四种元素组成的。然而，实验表明，物质的性质和组成并不是如此简单。例如，波义耳通过实验发现，氢气和氧气可以结合成水，这表明水的组成并不是简单的元素。

2、拉瓦锡的燃烧理论：拉瓦锡在波义耳的基础上进一步发展了燃烧理论。拉瓦锡认为，燃烧是一种化学反应，而不是一种物理过程。通过实验发现，物质在燃烧时会释放出一种气体，这种气体被称为燃素，可以与空气中的氧气结合成酸。这一发现为后来的氧化理论奠定了基础。

3、拉瓦锡的氧化理论：拉瓦锡的氧化理论认为，物质在空气中燃烧时，会与氧气结合成酸，同时释放出热量。这一理论在化学领域得到了广泛应用，成为了燃烧反应的基础。拉瓦锡还通过实验发现了氧气的性质和组成，从而揭示了空气是由氧气和氮气组成的。

4、拉瓦锡的元素观：拉瓦锡的元素观认为，所有的物质都是由元素组成的。将元素分为三类：金属、非金属和气体元素。拉瓦锡认为金属是由金属和非金属元素组成的，非金属是由一种或多种气体元素组成的。这一观点对后来的化学研究产生了深远的影响。

波义耳与拉瓦锡的学术传承

1、波义耳的实验方法：波义耳是一位杰出的实验科学家，研究方法对后来的化学家产生了深远的影响。波义耳通过细致入微的实验观察和精心设计的实验方案，得出了一系列重要的化学结论。波义耳的实验技巧和对细节的关注为后来的化学家提供了重要的启示。

2、拉瓦锡的定量分析：拉瓦锡继承了波义耳的实验方法，并将其发展为更为精确的定量分析。拉瓦锡通过使用天平、量筒等精密仪器，对化学反应进行精确的定量测量。这种方法为化学研究提供了重要的基础，使得化学家能够更准确地研究物质的性质和组成。

3、两位科学家的相互影响：波义耳和拉瓦锡在学术上相互影响，共同推动了化学的发展。波义耳的元素观和拉瓦锡的燃烧理论是相辅相成的，前者提供了对物质组成的整体认识，后者则为燃烧反应的本质提供了理论基础。两位科学家的学术交流和合作也为后来的科学研究树立了良好的榜样。

关于化学元素发现史的问题

亨利·卡文迪许（Henry Cavendish，1731年10月10日——1810年2月24日），英国化学家、物理学家。1731年10月10日生于撒丁王国尼斯。1742—1748年在海克纳学校读书。1749—1753年期间在剑桥大学彼得学院求学。在伦敦定居后，卡文迪许在他父亲的实验室中当助手，做了大量的电学、化学研究工作。他的实验研究持续达50年之久。1760年卡文迪许被选为伦敦皇家学会成员，1803年又被选为法国研究院的18名外籍会员之一。1810年2月24日，卡文迪许在伦敦逝世，终身未婚。

测出万有引力常数

确定水是化合物而不是单质 主要成就,化学领域,物理领域,推算地球密度,学术贡献,化学研究,二氧化碳的发现,氢气的发现,惰性气体的观察,物理研究,电学研究,称量地球,扭秤实验,趣闻轶事,科学怪人,视名利如浮云,实验室,沉睡的手稿,专注又腼腆,独立传记, 主要成就 化学领域 1784年左右，卡文迪许研究了 空气的组成 ，发现 普通空气中氮气占五分之四，氧气占五分之一 。他 确定了水的成分 ，肯定了它不是元素而是化合物。他还 发现了硝酸 。 物理领域 卡文迪许生前在物理学方面发表的论文为数极少，一直到麦克斯韦审阅整理并出版了他的手稿后，人们才知道他在电学方面作出了很多重要发现。 他发现一对电荷间的作用力跟它们之间的距离平方成反比 ，这就是后来库仑导出的库仑定律内容的一部分； 他提出每个带电体的周围有“电气”， 与电场理论很接近；卡文迪许 演示了电容器的电容与插入平板中的物质有关 ； 电势的概念也是卡文迪许首先提出的 ，这对静电理论的发展起了重要作用；他还 提出了导体上的电势与通过电流成正比的关系 。 在牛顿发现万有引力定律之后，他是测出引力常量的科学家。 推算地球密度 卡文迪许测量地球的密度是从求牛顿的万有引力定律中的常数着手，再推算出地球密度。他的指导思想极其简单，用两个大铅球使它们接近两个小球。从悬挂小球的金属丝的扭转角度，测出这些球之间的相互引力。根据万有引力定律，可求出常数G。根据卡文迪许的多次实验，测算出地球的平均密度是水密度的5.481倍（21世纪数值为5.517，误差为0.65253%左右），并确定了万有引力常数（他测得的引力常数G是（6.754±0.041）×10N·m 2 /kg 2 ;，这个值同现代值（6.6732±0.0031×10N·m 2 /kg 2 ;，相差无几，计算出了地球的质量。被誉为第一个称量地球的人。 后人关于卡文迪许测量G的历史争议 值得一提的是，以上关于卡文迪许从万有引力常数推算地球密度的说法 是完全错误的 ，卡文迪许是利用小球的与地球的比例关系来测量出的地球质量，从而得出地球平均密度，并没有用到G的值，也没有在任何地方间接或直接出现过万有引力常数G。这也是普遍存在于我国物理教学中的谬误，事实上，从科学史的角度看， 卡文迪许可以说并没有 得到过G 。在卡文迪许活着的时候，对牛顿重力方程的表述中仍没有G的存在，那时的天文学家更关心各个星体的密度，只要知道了地球的密度那么其他星体的密度也都好算了，所以卡文迪许他老人家作为物理学的潮人，自然义无反顾地要引领时尚。他的论文题目正叫做 “测量地球密度的实验” （Experiments to determine the density of the earth）。 G的第一次出现在论文中是在1873，在卡文迪许发表论文的75年后，被Cornu,A. and Baille,J. B的论文《Mutual determination of the constant of attraction and the mean density of the earth》提到。而G正式进入人们的视野要到1894年，一个叫伟农.波义思（C.Vernon Boys）的人在英国皇家学会（The Royal Society）提出了重力场数G的表述后才为人熟知。在卡文迪许之后，后人也依据他的实验结果整理出了G=3*g/4piRp，其中g是地球重力加速度，R是地球半径。无疑的，卡文迪许的实验是离G只有那么一点点距离了，后人可以直接从他的结果中整理出G来，因为这个而让他与G的决定无缘实在是太可惜了，所以物理学家感情上更认同卡文迪许，万一以后他们哪个人遇到了类似的事情，差一点点不被算作是第一原创者那肯定死不瞑目啊。于是他们为卡文迪许辩护称，在卡文迪许所在的年代，科学家们对重力与质量仍使用一样的单位，而且从天文学来说，式子中出现的几何常数可以被视作是已被定义的高斯重力常数，地球半径也是知道的，所以可以一般性地可以说在天文单位上，G便是地球密度的倒数，卡文迪许测到了地球密度，自然也算得到G了。 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。 亨利·卡文迪许 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21世纪，在英国，凡是有FRS(Fellow of Royal Society即皇家学会会员）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/立方厘米，公认的是5.48克/立方厘米。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。 化学研究 在卡文迪许漫长的一生中，他取得了一系列重大发现——其中，他是分离氢的第一人，把氢和氧化合成水的第一人。 二氧化碳的发现 卡文迪许指出收集固定空气（二氧化碳）必须用汞代替水；用物理方法测出了固定空气（二氧化碳）的密度是空气密度的1．57倍。从实验上证明了固定空气（二氧化碳）能溶解于同体积的水中，且与动物呼出的、木炭燃烧后产生的气体相同。他还发现在普通空气中，若固定空气（二氧化碳）的含量占到总体积的1/9，燃烧的蜡烛在其中就会熄灭。 他测出了酸从石灰石、大理石、珍珠灰等物质中排出固定空气的重量，计算出这些物质中固定空气的含量。这些实验研究使人们对二氧化碳的性质有了更多的了解。 卡文迪许1767年发表的论文介绍了他关于水和固定空气的实验。将一个深水井的井水进行煮沸，发现有固定空气逸出，同时产生白色沉淀。他认为白色沉淀和固定空气原先都是溶于水的，它们可能是溶于水中的石灰质土。为了证明这一看法，他在清澈的石灰水中通入固定空气，开始时产生乳白色沉淀，继续通入固定空气后，沉淀复又溶解，溶液再次澄清透亮。这时他将这溶液煮沸，立刻就象井水那样释放出固定空气(二氧化碳)并产生白色沉淀。 卡文迪许的这一实验和他的解释使人们认清了一个常见的自然现象。在石灰岩遍布的地区，含有二氧化碳的雨水或泉水流经石灰岩地层、慢慢地溶解部分石灰石形成重碳酸盐溶液。这些溶液在石岩中缓慢下滴时，可能因温度变化或水汽蒸发，二氧化碳乘机逸去，碳酸钙结晶析出，日积月累，逐渐形成了石钟、石乳、石笋等奇特的景象。喀斯特地形构造有了科学的解释。 卡文迪许在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。在文章中卡文迪许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。 氢气的发现 卡文迪许于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”。之后当他得知普利斯特里发现在空气中存在“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。”随后卡文迪许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，卡文迪许都作过类似的实验。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。 卡文迪许制取氢气装置 惰性气体的观察 卡文迪许敏锐地注意到，在生成的水中有少量的硝酸存在。他认为这是反套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（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，卡文迪许赞成氧化说的简洁，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。 物理研究 电学研究 卡文迪许在室外用望远镜观测扭秤卡文迪许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套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。卡文迪许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《卡文迪许的电学研究》 ，卡文迪许在电学上成果才使世人知晓。 称量地球 1797年卡文迪许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，后被转送给卡文迪许。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，卡文迪许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”。很多文章称卡文迪许求出了万有引力常量，实际上卡文迪许当时只关心地球的密度，并没有涉及其他。而采用卡文迪许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。 扭秤实验 1789年，英国物理学 家卡文迪许（H.Cavendish）利用扭秤，成功地测出了引力常量的数值，证明了万有引力定律的正确。卡文迪许解决问题的思路是，将不易观察的微小变化量，转化为容易观察的显著变化量，再根据显著变化量与微小量的关系算出微小的变化量 试验示意图如下： 卡文迪许用一个质量大的铁球和一个质量小的铁球分别放在扭秤的两端。扭秤中间用一根韧性很好的钢丝系在支架上，钢丝上有个小镜子。用一道平行光照射镜子，光点反射到一个很远的地方，标记下此时光点所在的位置。 用两个质量一样的铁球同时分别吸引扭秤上的两个铁球。由于万有引力作用。扭秤微微偏转。但光源所反射的远点却移动了较大的距离。他用此计算出了万有引力公式中的常数G。 此实验的巧妙之处在于将微弱的力的作用进行了放大。尤其是光的反射的利用。卡文迪许测得的引力常量G=6.67*10^-11 趣闻轶事 科学怪人 据说卡文迪许很有素养，但是没有英国的那种绅士派头。他不修边幅，几乎没有一件衣服是不掉扣子的；他不好交际，不善言谈，终生未婚，过著奇特的隐居生活。卡文迪许为了搞科学研究，把客厅改作实验室，在卧室的床边放著许多观察仪器，以便随时观察天象。他从祖上接受了大笔遗产，成为百万富翁。不过他一点也不吝啬。有一次，他的一个仆人因病生活发生困难，向他借钱，他毫不犹豫地开了一张一万英镑的支票，还问够不够用。卡文迪许酷爱图书，他把自己收藏的大量图书，分门别类地编上号，管理得井井有序，无论是借阅，甚至是自己阅读，也都毫无例外地履行登记手续。卡文迪许可算是一位活到老、干到老的学者，直到79岁高龄、逝世前夜还在做实验。卡文迪许一生获得过不少外号，有“科学怪人”，“科学巨擘”，“最富有的学者，最博学的富豪”等。 亨利·卡文迪许 视名利如浮云 有一次卡文迪许出席宴会，一位奥地利来的科学家当面奉承卡文迪许几句，他听了起初大为忸怩，继而手足无措，终于坐不住站了起来，冲出室外迳自坐上马车回家了。卡文迪许沉默寡言，对慕名来访的客人常常一言不发陪坐在旁，脑中想着科学问题，使一些帮闲文人尴尬扫兴。他一生致力于科学研究，成果丰硕，但只发表过两篇并不重要的论文。（其实是因为他这个人孤僻腼腆到“病态”的程度，连他和管家之间都需要以书信方式交流；连当时参加每周由班克斯举办的聚会时，都要求参与的人当他不存在，询问他建议时需要当做周围没人那样说话，这样也许你才能得到一个含糊的回答或者是怒气的尖叫。） 实验室 人们为纪念这位大科学家，特意为他树立了纪念碑。后来，他的后代亲属德文郡八世公爵S.C.卡文迪许将自己的一笔财产捐赠剑桥大学于1871年建成实验室，它最初是以 H.卡文迪什命名的物理系教学实验室，后来实验室扩大为包括整个物理系在内的科研与教育中心，并以整个卡文迪许家族命名。该中心注重独立的、系统的、集团性的开拓性实验和理论探索，其中关键性设备都提倡自制。这个实验室曾经对物理科学的进步作出了巨大的贡献。近百年来卡文迪许实验室培养出的诺贝尔奖金获得者已达26人。麦克斯韦、瑞利、J.J.汤姆逊、卢瑟福等先后主持过该实验室。 沉睡的手稿 1810年卡文迪许逝世后，他的侄子齐治把卡文迪许遗留下的20捆实验笔记完好地放进了书橱里，谁也没有去动它。谁知手稿在书橱里一放竟是70年，一直到了1871年，另一位电学大师麦克斯韦应聘担任剑桥大学教授并负责筹建卡文迪许实验室时，这些充满了智慧和心血的笔记获得了重返人间的机会。麦克斯韦仔细阅读了前辈在100年前的手搞，不由大惊失色，连声叹服说：“卡文迪许也许是有史以来最伟大的实验物理学家，他几乎预料到电学上的所有伟大事实。这些事实后来通过库仑和法国哲学家的著作闻名于世。”此后麦克斯韦决定搁下自己的一些研究课题，呕心沥血地整理这些手稿，使卡文迪许的光辉思想流传了下来。真是一本名著，两代风流。不啻是科学史上的一段佳话． 专注又腼腆 卡文迪许也参加一些社交活动。著名博物学家约瑟夫˙班克斯每周在家举行一次科学界名流的聚会，卡文迪许也会参加。班克斯特别告诫其他人，不要靠近那个呆在角落里的人。如果他就某个问题发表自己的见解时，人们要装着不在意地晃悠到他身边，还要装着没有听见他说话。如果讨论的问题与科学无关，人们就会听到身后一声惊呼突然响起，转身就会看到卡文迪许正奔向另一个更安静一些的角落。 卡文迪许——是那个年代最有才华而又极其古怪的英国科学家。几位作家为他写过传记。用其中一位的话来说，他特别腼腆，“几乎到了病态的程度”。他跟任何人接触都会感到局促不安，连他的管家都要以书信的方式跟他交流。 有一回，他打开房门，只见前门台阶上立著一位刚从维也纳来的奥地利仰慕者。那奥地利人非常激动，对他赞不绝口。一时之间，卡文迪许听着那个赞扬，仿佛挨了一记闷棍；接着，他再也无法忍受，顺着小路飞奔而去，出了大门，连前门也顾不得关上。几个小时以后，他才被劝说回家。 有时候，他也大胆涉足社交界——尤其热心于每周一次的有伟大的博物学家约瑟夫 · 班克斯举办的科学界聚会——但班克斯总是对别的客人讲清楚，大家绝不能靠近卡文迪许，甚至不能看他一眼。那些想要听取他的意见的人被建议晃悠到他的附近，仿佛不是有意的，然后“只当那里没有人那样说话”。如果他们的话算得上是谈论科学，他们也许会得到一个含糊的答案，但更经常的情形是听到一声怒气冲冲的尖叫（他好像一直是尖声尖气的），转过身来发现真的没有人，之间卡文迪许飞也似的逃向一个比较安静的角落。 ——摘自《万物简史》第四章 独立传记 卡文迪许，1731年出生在英国。他一生都在实验室和图书馆中度过，在化学、热学 、电学方面进行过许多实验探索。但由于他对荣誉看得很轻，所以对于发表实验结果以及得到发现优先权却很少关心，致使其许多成果一直未被公开发表。直到19世纪中叶，人们才从他的手稿中发现了一些极其珍贵的资料，证实他对科学发展做出了巨大贡献。 卡文迪许 卡文迪许最为人称道的科学贡献，首先是他最早研究了电荷在导体上的分布，并于1771年用类似的实验对电力相互作用的规律进行了说明。他通过对静电荷的测定研究，在1777年向皇家学会提出的报告中说：“电的吸引力和排斥力很可能反比于电荷间距离的平方。如果是这样的话，那么物体中多余的电几乎全部堆积在紧靠物体表面的地方。而且这些电紧紧地压在一起，物体的其余部分处于中性状态。”与此同时，他还研究了电容器的容量；制造了一整套已知容量的电容器，并以此测定了各种仪器样品的电容量。而且预料到了不同物质的电容率，并测量了几种物质的电容率，初步提出了“电势”概念。 卡文迪许毕生致力于科学研究，从事实验研究达50年之久，性格孤僻，很少与外界来往。卡文迪许的主要贡献有：1781年首先制得氢气，并研究了其性质，用实验证明它燃烧后生成水。但他曾把发现的氢气误认为燃素，不能不说是一大憾事。1785年卡文迪许在空气中引入电火花的实验使他发现了一种不活泼的气体的存在。他在化学、热学、电学、万有引力等方面进行过许多成功的实验研究，但很少发表，过了一个世纪后，麦克斯韦整理了他的实验论文，并于1879年出版了名为《尊敬的亨利·卡文迪许的电学研究》一书，此后人们才知道卡文迪许做了许多电学实验。麦克斯韦说：“这些论文证明卡文迪许几乎预料到电学上所有的伟大事实，这些伟大的事实后来通过库仑和法国哲学家们的著作而闻名于科学界。” 早在库仑之前，卡文迪许已经研究了电荷在导体上的分布问题。1777年，他向皇家学会提出报告说：“电的吸引力和排斥力很可能反比于电荷间距离的平方，如果是这样的话，那么物体中多余的电几乎全部堆积在紧靠物体表面的地方，而且这些电紧紧地压在一起，物体的其余部分处于中性状态。”他还通过实验证明电荷之间的作用力。他还早于法拉第用实验证明电容器的电容取决于两极板之间的物质。他最早建立电势概念，指出导体两端的电势与通过它的电流成正比（欧姆定律在1827年才确立）。当时还无法测量电流强度，据说他勇敢地用自己的身体当作测量仪器，以从手指到手臂何处感到电振动来估计电流的强弱。 卡文迪许的重大贡献之一是1789年完成了测量万有引力的扭秤实验，后世称为卡文迪许实验。他改进了英国机械师米歇尔（John Michell，1724～1793）设计的扭秤，在其悬线系统上附加小平面镜，利用望远镜在室外远距离操纵和测量，防止了空气的扰动（当时还没有真空设备）。他用一根39英寸的镀银铜丝吊一6英尺木杆，杆的两端各固定一个直径2英寸的小铅球，另用两颗直径12英寸的固定着的大铅球吸引它们，测出铅球间引力引起的摆动周期，由此计算出两个铅球的引力，由计算得到的引力再推算出地球的质量和密度。他算出的地球密度为水密度的5.481倍（地球密度的现代数值为5.517g/cm3），由此可推算出万有引力常量G的数值为 6.754×10N·m²/kg&sup2；（现代值前四位数为6.672）。这一实验的构思、设计与操作十分精巧，英国物理学家J.H.坡印廷曾对这个实验下过这样的评语：“开创了弱力测量的新时代”。 卡文迪许在1766年发表了《论人工空气》的论文并获皇家学会科普利奖章。他制出纯氧，并确定了空气中氧、氮的含量，证明水不是元素而是化合物。他被称为“化学中的牛顿”。 卡文迪许一生在自己的实验室中工作，被称为“最富有的学者，最有学问的富翁”。卡文迪许于公元1810年3月10日去世。

浅 谈 元 素 发 现 的 历 史

我们都知道，自然界的元素一共有92种，世间的万物都有这些元素中的一种或者几种构成。这些元素成员之间，特点各不一样，甚至差异极大，比如从体积来看，氢原子体积很小，而铀原子相对于它来说则是庞然大物了。有限的元素之间经过不同的排列组合还组成了五彩缤纷的物质世界，既有月球上的岩石，也可以组成芭比娃娃，既可以成为一只猴子，也可以是一架空中客车。我们人类发现了它们，找到了它们，也分析了它们，而且我们还把其中的一些进行拆分，重新组合，获得了属于我们自己的元素。如今元素周期表中列出的118中元素，就包括了由人类自己合成或分裂的26种元素。

现在没有任何人会再去怀疑关于元素的观点，但是我们必须承认元素发现的过程相对于人类在这一领域探索的历程相比还是显得十分短暂的。在元素不断发现的过程中，人们曾经困惑、忧虑、也曾争论过。本文即从化学史的角度来探究元素的发现的故事。

一、 思考世界到“四分”之说

“世间万物是由为数不多的简单物质构成的。”这种思想产生于公元前六世纪希腊的艾奥尼亚地区，即现在的土耳其西南海岸。在古代，此地的一些流放罪犯是一些思想理论的创建者，这些理论就是后来的自然哲学。希腊人的好奇心也是这一思想的直接推动因素，他们永不停息地思索着世界运作的奥秘。其中最重要和最基本的问题就是：物质的本质是什么？

摆脱了神学思想束缚的艾奥尼亚思想家和哲学家开始相信，自然界的事物和现象都应当由合乎逻辑的解释。在他们中间，一位名叫泰勒斯1的人被学界公认为是第一个思索了物质本质构成的人。在他的时代，希腊人绝大多数是商人，希腊的殖民地几乎遍及地中海周遭的地区。地区间的贸易迅速发展，主要的贸易物品有粮食、橄榄油、干鱼、葡萄酒、金属、木材和奴隶。贸易的兴起给泰勒斯游历各地带来的方便，在自己从事贸易行走于希腊各地的见闻促成他思考。他说，宇宙的基本原理，或者说要素，就是水。宇宙间的一切已知事物都是由水合成的，或者由水更动之后的变体而合成的。水形成水蒸汽，水蒸汽又飞入大气，由大气层下降之后才变成了雨。雨水打击着地面，让大地变紧实、变硬，最后变成坚硬的岩石。所以，一切事物最初都是由水开始，逐步演变而来，而又最终化成水而去。

泰勒斯的这种以水为基础的宇宙观念，说明了整个世界从本质上来讲是由一种元素演变而成的。他的观点引起了不少争论，他的得意门生阿那克西曼德2就是最激烈的反对者。他认为整个物质世界构成太丰富奇幻，根本无法想象会建立在如此简单平凡的一个元素——水的基础上。世界的基本元素一定要更为抽象，也更具有普遍性。阿那克西曼德还提出了一种名为apeiron3的看不见形式的原生物质，它有能力变换生成世间万物。而阿那克西曼德的得意门生阿那克西门斯（Anaximenes,585BC—525BC）也同样摒弃了aplasma的假说，照他看来，任何物质总得包含某一种物质构成成分，不能任何物质都不包含，他认为这“某一种物质”是空气，因为地球变面几乎到处都有空气。

随着争论的扩大化，其他的物质构成学说也开始出现。古希腊唯物哲学家赫拉克利特（Heraclitus,540BC—480BC）认为火是万物的本源，一切都在流变之中；变化居于宇宙最重要的地位。火——这个最为活跃的元素构成了宇宙最基本的建筑材料。这个世界由火生成，火升水，水再生土，土经液化又生成水，水继续变化又生成火，如此循环往复。此外，还有色诺芬尼的土为本源的假说，认为土是万物的根基。

在古希腊自然哲学的元素学说中，哲学家恩培多克勒（Empedocles，494BC-432BC）的贡献最大。他对宇宙物质基本构成的思考，可以说接近现代科学理论的观念。恩培多克勒把以前各位前辈有关一种基本元素构成世界万物的各种假说和设想组成了一个连贯一致的整体，派生出一个包含四种成分的模式。四种成分——水、气、火、土，各司其职、平等运作、相互关联。在他的《四元素学说》（Doctrine of the Four Elements）中，恩培多克勒指出：这四种基本元素，或单独或相互结合，组成了世界的各种物质。事物之所以表现出不同的形态，是因为它们的组合成分在外力的作用下，互相分离或又重新组合；这些外力分别有亲和力和冲击力。而四种元素在组成过程中的比例则决定了物质的形态。例如，恩培多克勒认为骨骼就是由火、水、土三者构成的，比例为4：2：2。恩培多克勒的思想与现代化学元素理论着极其相似的地方，比方他说，一切物质都有一定数量的某种或者某些物质组合而成的，而且其数量是不会消减的；这些物质按照一定的比例组合。其实，世界上其他的一些民族的文化中，也有类似的宇宙物质观。我国古代的阴阳五行说就是其中一例。古代印度人也提出了五种要素说——火、水、土、气、以太（ether），作为构成物质的要素。

二、由“四分”之说到燃素说

欧洲中世纪早期是愚昧黑暗的时代，然而中东的科学技术依然在繁荣与发展。古代欧洲四元素观念开始在阿拉伯炼金术士中慢慢发展。其中一个著名的研究者要算哈比尔伊本·赫扬（AbuMusa Jabir ibn Hayyan），大约诞生于14、15世界的几部最有影响的炼金术和冶金术著作都由他或者假托他的名义发表。其中有《完美的冶炼产品》（1678）、《熔炉之书》（1678）、《完美度的判定》（1678）、《真正的发明》（1678）。在这些书中，哈比尔伊本·赫扬对自己进行的全部重要的化学实验都作了详尽的描述，从他的描述中，我们发现，他不仅仅是一名普通的技术人员，而且他对一些简单的化学反应过程的领悟和理解已经达到了惊人的程度。这其中还包括了元素理论和解释和理解。哈比尔伊本·赫扬认为，所有金属元素，都由贡和硫组合而成，不过配比不一样。因而从理论上来说，任何金属都可以分解为贡和硫，然后按照另外的比例产生新的金属元素。

一个世纪以后，波斯医生阿尔·瑞兹又发展了这一理论。他将它所使用的化学药品依照物品的味道、可溶性或者质感细分为金属、硫酸、硼砂、食盐、石头，等等。这种划分方法是对化合物和元素的现代理论的最早尝试。阿尔·瑞兹为元素二分论添加了第三种因素——食盐，并提出一个假说，一切固体物质都是有这三种元素（贡、硫、食盐）依照不同比例组合而成的，因为这三种物质分别代表了可燃性、挥发性、和可溶性三种特质。

瑞士炼金术士帕拉切尔苏斯（Paracelsus,1493-1541）在对以上两种观点融会贯通之后，将燃烧物质作为探究物质组成的方法。据他的秘书记载“他的厨房里经常是火花闪耀，他那些碱土、冒烟的硫酸升华物、雷克斯药剂、信石油、砷粉、研磨芬、神秘莫测的樟脑制剂，以及一些天晓得的什么鬼玩意儿制成的调和物，闹得烟气腾腾。有一次他险些把我呛死，那天他吩咐我去看看他蒸馏器里面制作的烈酒，把我的投硬按到这种液体表面，一股子冒烟的怪气味直窜鼻孔和喉咙，有毒蒸汽几乎让我昏厥过去。”帕拉切尔苏斯根据类似的实验得出结论说古希腊人的四种基本元素的确就是构成一切物质的基本要素了，但是可以划分为阿拉伯人所说的三种要素（贡、硫、食盐）。他认为，树枝燃烧时分解出的四种物质，分别为烟（气）、火焰（火）、从断裂处喷出的液体（水）以及燃烧后留下的灰烬（土）。上升的烟雾为贡，火焰代表硫磺、灰烬则是盐。

对于树枝燃烧的现象，1658年英国化学家罗伯特·波义耳（Rober Boyle）出：“至于青枝燃烧之说，燃烧时产生的火焰并不能令其分解为元素，而只能分解为一些混合物，所不同的是，这些混合物呈现为另一种形态。”波义耳主张化学研究必须使化学摆脱从属于炼金术或医药学的地位，发展成为一门专为探索自然界本质的独立科学。为了确定科学的化学，波义耳考虑到首先要解决化学中一个最基本的概念：元素。波义耳通过一系列实验，对传统的元素观产生了怀疑。他指出：这些传统的元素，实际未必就是真正的元素。固为许多物质，比如黄金就不含这些“元素”，也不能从黄金中分解出硫、汞、盐等任何一种元素。恰恰相反，这些元素中的盐却可被分解。波义耳认为，只有那些不能用化学方法再分解的简单物质才是元素。例如黄金，虽然可以同其它金属一起制成合金，或溶解于王水之中而隐蔽起来，但是仍可设法恢复其原形，重新得到黄金。水银也是如此。作为万物之源的元素，不是四种也不会是三种，而一定会有许多种。

三、拉瓦锡和道尔顿

继波义耳之后，1789年，法国化学家、现代化学的奠基人安东尼·拉瓦锡发表了《化学元素论文》。拉瓦锡在论文中将人类已知的元素进行了归纳列表，将它们分别归为气体、金属、非金属以及土族元素四类。当时，发现的元素总数为33种。拉瓦锡表示认为，元素的划分原则是“我们无法对它们进行进一步的分解了”，因而一切无法再分解的物质都被他称为元素。但是他又说“这绝不意味着我们已经有把握说，我们如今认为是单质的物质，今后永远不会被进一步分解成两种或两种以上的基本粒子了，……，除非今后的实验和观察结果能够推翻这个论点”。果然，由拉瓦锡定名的33种元素当中，后来证实有8重视可以在分解的化合物。这8中元素中有石灰、硅土、泻盐4，另外还有根本不是元素的光和热。其余的23种元素包括金Au、银Ag、铜Cu、铁Fe、贡Hg、锡Sn、铅Pb、锑Sb、硫S、碳C、锌Zn、砷As、铋Bi、磷P、铂Pt、镍Ni、钼Mo、锰M、氢H、氮N、氧O、钨W、钴Co。

拉瓦锡的的理论在英国化学家约翰·道尔顿得到了拓展。道尔顿由气象学半路出家到化学领域，并很快得出重要的成果。他创造性地把算术、量子化学融汇到古希腊的化学元素学说当中去，产生了自己的元素理论。道尔顿认为，元素其实是又无法再分开的微小颗粒组成；元素不同，其组成颗粒也不同，任何一种特定的元素只能由特定的颗粒组成。他称这些颗粒为原子（atom）。当这些原子按照一定比例组合时，就能产生出不同的化合物。由于化合物是由各种原子组成的，而原子又是不可分割的，所以化合物的各种元素比必定是简单的整数比。

与此同时，道尔顿开始计算各种元素原子的相对重量，他先从最轻量级的氢气开始。截至1810年，道尔顿已对二十余种元素建立了原子量表，其中包括氧、氮、磷、硫、铜、铁，等等。至此，人类看不见的原子终于被赋予了自己固有的实体规模、实质和特性。道尔顿还提出了第一套有化学含义的符号系统——每一种原子都用一个带有某种明确符号的圆圈来表示，比如氢原子就是个中心的有圆点的圆圈，氧原子是空心圆圈。但这一套符号因为花样太多，变化多端而没有被后人采用。

四、元素周期表与门捷列夫

19世纪化学研究的另一大困惑就是如何为全部元素进行分类。整个19世纪，化学家们都在试图找出一种符合逻辑的序列，能够把所有元素归并到其中。

瑞典化学家柏济力阿斯（Jacob Berzelius）提出把全部的物质划分为“不可称量的物质””，包括电、磁、光和热，以及“可称量的物质”，包括各种元素和化合物。元素又可划分为氧气类、非金属类和金属类；化合物则划分为矿物质和“组织机体”（organized bodies）。元素的排列顺序是以它们的电解性能为基础来排列的。1817年化学家约翰·德贝赖纳5首先观察到了不同元素的某些相似性，成为元素周期理论的先声。他提出按照化学性质的相似性每三个元素结成一组。譬如，锶的化学性质与钙和钡相似，而锶的原子量介于钙和钡之间，于是德贝赖纳就将这三个元素归为一类，类似于音乐的“三联音”。后来他又发现了更多的类似的“三联音”。尽管这个设想最终被认为是错误的，但它启发了人们更宽泛的思路。于是“五联音”的说法也被提出。

合并了“三联音”和“五联音”的发现后，人们组合成了一个有规律的元素表。1862年，亚历山大·钱考特斯（Chancourtois）6草拟了包含24种元素的世界上第一张元素周期表。钱考特斯观察到，将元素按照原子量排列成行，某些相同的特性就会反复出现，于是，他将各种元素的符号按原子量递增的顺序镌刻在一个圆柱体柱面上，这些元素就呈现出一条螺旋上升的状态。后来，英国化学家约翰·亚历山大·瑞纳·纽兰兹利发表文章称如果将元素按照原子质量递增排列，会发现一种元素的特性会在此序列上向前、向后各八个位置出现。纽兰兹将这种每隔八个位置出现的周期现象比喻为音乐中的八音程复规律，命名为“八音程律”周期。

最终解决化学元素分类的人是我们熟知的俄国化学家季米特里·门捷列夫。在门捷列夫按照原子量升序排列已知的63种元素时，他发现这些元素的化合价也呈现出有节奏的的往复现象。化合价是原子形成该元素化学联接能力的一种指证。沿着这个表格观察，门捷列夫发现元素的化合价呈有规律的起伏状态——1，2，3，4，3，2，1；而且如此循环往复。

门捷列夫受单人纸牌玩法的启发将元素的名字都写在纸牌的背面，按照玩纸牌的顺序排好，横向符合原子质量顺序，纵向符合化合价顺序。不仅如此，按照此法排列的元素周期表还有预测没被发现的元素的功能，因为元素在表中排列的位置预言了未被发现的元素的化学性质、化合价和原子量。

门捷列夫于1869年发表了题为《元素新体系》的论文，但是西方主流学术界并不以为然，因为当时的化学家们早已厌倦了形形色色的分类体系。直到1875年8月27日，法国一位酿酒商的儿子发现了新元素镓，原子量为69，化合价为3，镓的化学性质、化合价、原子量正好和门捷列夫的元素周期表中预言的介于铝和铀的元素“类铝”相一致。人们终于认识到了门捷列夫理论的准确性。后来的科学发展证明，门捷列夫的元素周期表对当时以及后来的化学发展起到了决定性的作用。人们为了纪念门捷列夫，将1955年发现的第101号元素命名为钔（mendelevium）。

五、结语

人类如今已经生活在了信息时代，我们已经清楚的知道了成千上万种物质的原子排列，但还有无数的未解之谜等待着我们去发现。科学的道路不可能是一帆风顺的，科学和科学家的任务依然任重而道远。当我们享受着现代文明带来的方便与舒适时，请别忘了我们一切的文明的成果都是我们的祖先汗水与智慧的结晶。

注释

1泰勒斯：624BC-546BC，古希腊哲学界，数学家，天文学家，主张朴素的唯物论的米粒都学派创始人。

2阿那克西曼德：Anaximander,610BC-546BC，被尊称为天文学奠基人。

3apeiron:希腊语中“无限小的”、“不确定的”的意思。

4泻盐，即氧化镁，Mgo。

5约翰·德贝赖纳: Johann Dobereiner, 1780-1849，德国化学家。

6亚历山大·钱考特斯：又译贝吉耶·德·尚古尔多阿，1820-1886，法国地质学家。

参考文献及书目：

1.《科学历史·一个化学者的评论》〖美〗艾伦·G·狄博斯 著，河北科学技术出版社 2000年 石家庄

2.《水气火土——元素发现史话》〖英〗丽贝卡·鲁普 著，宋军岭 译，商务印书馆 2008年 北京

3.《化学哲学新体系》〖英〗约翰·道尔顿 著，李家玉 译，武汉出版社 1996年 武汉

4.《化学哲学概论》邱道骥 著，南京师范大学出版社 2007年 南京

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