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（二） 拉姆赛是世界上第一个拿到了太阳元素的化学家。当然，他立刻开始研究氦的性质，用氦作了各种各样的实验。 太阳上的氦是没法拿来称的，天文学家们猜想，氦是一种很轻的气体。拉姆赛第一个称出了氦的密度，证明天文学家的预测是对的。氦果然是很轻的气体，空气比它几乎重6.5倍。只有氢比氦还轻，其他气体都比氦重。 拉姆赛试验了许多物质，看看它们会不会跟氦发生反应。结果证明，氦和氩一样，不跟任何物质化合。它们都是“惰性气体”。 能不能在空气中找到氦呢？氦既然是不跟任何物质化合的气体，它必然会跑到空气中去。 拉姆赛开始了新的搜索——在空气中寻找氦。 如果空气中真有氦的话，只要把空气中的其他气体都去掉，把氧气去掉，把氮气去掉，把新发现的氩气也去掉，剩下的就是氦气了。 这工作的头两步——除去氧气和氮气，拉姆赛在寻找氩气的时候已经作过了。只要把空气通过装有赤热铜屑的磁管，空气中的氧气就会跟铜反应，生成氧化铜而被除掉，剩下的就是氮气和氩气的混合气，里面可能有氦气。 空气中的氮气通过装有赤热镁屑的磁管，氮气就会跟镁反应，生成氨化镁而被除掉，剩下的就是拉姆赛和瑞利共同找到的氩气了。他们找到的氩气中会不会就有氦气呢？氦气跟赤热的铜和镁也不起反应的，空气中如果有氦气的话，它必然会混在氩气中。 怎样把氦气和氩气分开呢？要是能找到一种只跟氩气化合而不与氦气化合的物质，问题就解决了。可惜就是找不到那样一种物质。因为两者都不跟任何物质化合。这就是说，分离氧气和氮气的那种方法，不能用来分离氩气和氦气。 看来问题是难以解决了。 拉姆赛并没有灰心，他想到了化学家分离酒精和水的方法。 酒精的沸点是78摄氏度，比水的沸点低，所以蒸发得比水快。化学家利用了这一点，把混有水的酒精放在蒸馏瓶里加热：一开始出来的一批蒸气是纯酒精的蒸气，后来的一批蒸气是酒精和水的混合蒸气，最后一批蒸气就是纯粹的水蒸气了。只要把头一批蒸气冷却，就可以得到纯粹的酒精。这个方法叫做分馏法。 拉姆赛决定用分馏法把空气中的氩气和氦气分开。但是酒精和水是液体，而氦气和氩气是气体。要用分馏法使它们分离，首先就要把它们变成液体，或者说，首先要把空气变成液体。 拉姆赛想，把空气变成液体，再让它慢慢蒸发，那么组成空气的各种气体——氮气、氧气、氩气、氦气（如果有的话），在蒸发的时候就会有先有后，先是最容易蒸发的，然后是比较难蒸发的。 要使空气变成液体可不是容易的事，必须冷到零下192摄氏度。在地球上，连北极也没有这样冷，必须有一台制造寒冷的机器——制冷机。 在今天，使空气变成液体是一件很平常的事。但是在当时，全世界只有几个实验室能制造液态空气。 当时在英国，研究这方面问题的专家就是那位向瑞利建议查卡文迪许实验资料的物理学家——杜瓦。杜瓦还发明了保存液态空气的容器——杜瓦瓶。这是一个夹层的玻璃瓶，内壁镀银，夹层抽成了真空。真空不能传热，外面的热传不到瓶内去，因而瓶内的液态空气可以保存比较长的时间。后来人们想，瓶外的热既然不能传进去，瓶内的热当然也不能传出来，于是把杜瓦瓶改造成保存开水的热水瓶。我们常用的热水瓶和保存液态空气的杜瓦瓶，实际上是同一种容器。 杜瓦有个缺点，思想非常保守。他的实验室里有把空气变成液体的机器，虽然方法既复杂又困难，他还是把他的发明保密。不仅如此，连制成的液态空气，他也不肯轻易给人。 可是拉姆赛的工作需要很多的液态空气，这怎么办呢？ 说来也巧，正当拉姆赛急需液态空气而又得不到的时候，一种既简单又方便的制冷机发明了。 这种制冷机是两个人各自在自己的国家里发明的，但是运用的原理恰好一样。他们是德国的林德和英国的汉普松。
空气受到强烈的压缩，就会发热。让发热的压缩空气冷却下来，再突然让它膨胀，它就要吸收很多的热，而迅速变冷。 林德和汉普松都利用了这个物理原理，制成了制冷机。 他们把空气送进机器，强力的泵把空气压缩在细管子里，然后让压缩的空气通过一个小孔，喷进细管子外面的空室，让它迅速膨胀变冷。用这变冷了的空气来冷却细管子里后进来的压缩空气。这部分冷却过的压缩空气，膨胀后就变得更冷。这样第二批冷却第三批，第三批冷却第四批，越来越冷，最后温度下降到零下192摄氏度。这时候，空气就变成液体了。液态空气积存在空室里，只要打开龙头，就像自来水一样放出来了。 英国的发明家汉普松和拉姆赛都住在伦敦。他知道拉姆赛需要用液态空气进行重要的研究，就把他的新机器制得的第一批液态空气750立方厘米，装在杜瓦瓶中送给了拉姆赛。 “液态空气来了！” “液态空气来了！” 在拉姆赛实验室中工作的年轻人奔走相告。他们放下手头的工作，都来看这从来没见过的东西——液态空气，更想看看拉姆赛怎样从液态空气中提取氦。 杜瓦瓶中的液态空气像清水一样，慢慢地冒着小气泡。瓶子一摇动，气泡就增多，发出咝咝的声音。 在找氦之前，拉姆赛用液态空气，向他的学生们做了好几个奇妙的实验。 一个小橡皮球放进液态空气里，再拿出来扔在地上。橡皮球没有跳起来，而是摔碎了！原来橡皮在液态空气的温度下失去了弹性，变得像玻璃一样脆了。 拉姆赛在试管里装了小半管水银，中间插一根铁棍，把试管放在液态空气中。水银冻成了固体，拿着铁棍一拔，就连水银一起拔了出来。拉姆赛用这把水银锤子在墙上钉了一个钉子，原来水银冻得比铁还硬。 拉姆赛又把一块面包放进液态空气里。他让大家把窗帘都放下来。拿出面包来一看，这块冻硬的面包在漆黑的房间里发出天蓝色的光辉。 拉姆赛一个又一个地做着实验，各种常见的东西放进了液态空气，都希奇古怪的变了样。年轻人不时发出惊叹声。但是他们也越来越着急了：宝贵的液态空气越来越少了，还找不找氦呢？ 拉姆赛停止了实验，让大家都去吃午饭。他自己也离开了实验室，让杜瓦瓶里的液态空气继续蒸发。 大约过了一个半钟头，拉姆赛才回到实验室。杜瓦瓶里的液态空气剩下不多了，但是他一点也不可惜。他认为：氦气比氧气和氮气蒸发得慢，多耽搁一些时间，可以让氧气和氮气先跑掉，氦气就会剩在杜瓦瓶里。 等到液态空气只剩下大约10立方厘米的时候，拉姆赛不让它们白白地跑掉了。他把最后这一点液态空气蒸发成的气体仔细收集起来。他认为，最后的这部分气体中，一定会有氦气。 为了把这部分气体中的剩余的氧气和氮气除掉，拉姆赛让气体通过装有赤热铜屑和赤热镁屑的瓷管，最后得到几个大气泡。 气泡被封在放电管中，通上高压电，发光了。拉姆赛开始研究它的光谱。 他看到了橙色和绿色的谱线，这是氩的谱线，没有错。但是令人失望的是，预料的那条黄色的氦的话线没有出现。 没有氦！ 看来拉姆赛估计错了。一个可能是空气中根本就没有氦气；另一个可能是氦气蒸发得很快，甚至比氧气和氮气蒸发得还快，它早就逃走了。 但是拉姆赛并不懊悔，他仔细观察光谱，发现了两条明亮的新谱线，一条是黄的，一条是绿的。这两条谱线跟已知物质的谱线都不重合。显然，放电管中除了氩气以外，还有一种新的气体。 拉姆赛在研究亿铀矿中的气体的时候，曾经把氦叫做氪。这一回，他把找氦的时候发现的新气体元素，叫做了“氪”。 就这样，拉姆赛想在空气中找氦，氦没有找着，却发现了氪。这真是意外的发现。 这是1898年5月24日的事。 这一回没有找到氦，拉姆赛并没有失去信心。他已经储存了15升由空气中提取的氨气，他相信氦气就混在这些氩气中。由上面实验的结果可以预料，氦是非常容易蒸发的。他和他的年轻助手特莱凡斯设计了新的实验方案。
最后，他们关闭了玻璃管上的活塞。这时候，玻璃管仍旧浸在液态空气里。过了几分钟，他们把玻璃管中的未液化的气体抽了出来，装进了放电管。 通电以后，这气体在放电管中发出美丽的红光。 用光谱仪检查，拉姆赛和特莱凡斯发现了几条明亮的橙红色的谱线。查对一下，这又是一种新的气体。 他们给这新气体元素起名字叫做neon（希腊文“新”的意思）——我国译作“氖”。 再仔细检查一下，他们在光谱中找到了那条黄线——氦的谱线，位置一点也不差。但是这条黄线很暗淡，说明氦气很少。 氦又被找到了。这个曾经是很神秘的太阳元素，原来在我们周围的空气中就有。 几年以后，拉姆赛在一次公开讲演中谈到氦的发现经过，他说：“寻找氦，使我想到了老教授找眼镜的笑话。他拼命的在地下找，桌子上找，报纸底下找，找来找去，原来眼镜就搁在自己的额角上。氦也被找了很久，而它却就在空气里。” 在上面的实验里，15升由空气中提取的氩气被液态空气冻成了液体。拉姆赛和特莱凡斯首先抽出了液体上面没有液化的气体，发现了氖，还有氦。接着，他们让液体不断蒸发，并且一份一份地抽出蒸发的气体，检查它们的光谱。 开头，收集的气体大部分是氩，随后，就是不久前发现的氪。而把最后一点点气体装进放电管，通上电却发出了美丽的蓝光，又一种新的气体元素被发现了。这是1898年7月12日的事。 这种发蓝光的新的气体元素起名叫做xenon（希腊文“陌生”的意思）——我国译作“氙”。 就这样，拉姆赛在得到液态空气以后，不到一个半月，就在空气中又发现了三种新的气体元素——氟、氖和氙。 现在让我们来回顾一下这段历史：在瑞利和拉姆赛在空气中发现氩之前，科学家都认为空气是由氧和氮组成的。接着，拉姆赛和特莱凡斯又证明了先前发现的氩也不是纯的气体，它里面还混杂着氦、氖、所氪和氙。 为了研究这些气体的性质，拉姆赛和特莱凡斯蒸馏了大量的液态空气，他们得到了纯粹的氩气，纯粹的氪气和纯粹的氙气。但是氖气和氦气总是在一起，没法把它们分开，因为在液态空气的温度下，它们都不会变成液体。 需要比液态空气更低的温度，才有可能使氖气和氦气变成液体。这就需要用液态的氢。液态空气的沸点是零下192摄氏度，而液态氢气的沸点是零下253摄氏度。 可是哪里有液态的氢呢？前面提到的那位杜瓦，在1898年第一回制得了液态氢。可是他连液态空气都不肯给别人，更不用说液态氢了。怎么办呢？ 特莱凡斯决心自己装一台机器制造液态氢。经过一番努力，液态氢真的得到了！头一批产品——100立方厘米的液态氢，立刻用来分离氖气和氦气。 氦气和氖气的混合气体送进了浸在液态氢中的玻璃小球，氖气不仅变成液体，而且立刻凝结成了固体，氦气却仍然是气体。于是，最难分离的氦气和氖气也分开了。 拉姆赛和特莱凡斯证明：在1升空气中大约有10立方厘米的氩气，18立方毫米的氖气，5立方毫米的氦气，1立方毫米的氪气，氙气最少，只有0.1立方毫米。 为了详细地研究这些气体的性质，他们先后用了3年时间。 他们测定了每种气体的密度，结果是按着氦、氖、氩、氪、氙的次序，一个比一个大。 他们做了许多化学实验，结果证明，这一群气体，不仅氩气和氦气，就是后发现的氖气、氢气和氙气，也不肯跟任何物质发生化学反应。它们极不活泼，所以人们把它们叫做“惰性气体”。在门捷列夫周期表上，氦、氖、氩、氪和氙形成单独的一族——零族元素。 在拉姆赛的时代，从空气中取得一点点纯粹的惰性气体，要花很大气力。所以人们也把它们叫做“贵气体”，或者“稀有气体”。 现在就不同了，世界各国都建立了大的气体工厂，这些工厂的原料就是空气。空气在工厂中先变成液体，再用分馏法来分离，制成纯粹的氮气、氧气和氩气，它们都装在钢瓶里出售。氦气、氖气、氪气和氙气也提纯了，装在特制的容器里，供给生产技术部门和科学研究单位使用。 这些“稀有气体”，现在都不是很难得到的东西，价钱也大大降低了，“贵气体”这个名字，现在不大有人用了。1962年，人工合成了氙跟铂、氟的化合物，以后又陆续合成了不少红的化合物和氙的化合物，如氟化氪、氯化氙、氧化氙等等。“惰性气体”这个名字，看来也不大正确了，但是由于习惯，现在仍然使用。 在历史上，氦被人们发现三次了：第一次在太阳上，第二次在钇铀矿里，第三次在空气里。这引起了当时科学家们的莫大兴趣。 既然空气里能找到氦，水里会不会有呢？既然在钇铀矿里有氦，别的矿物和岩石中会不会有呢？于是大家纷纷去找氦，当然同时也去找其他惰性气体。 化学家们检查了雨水、河水、海水、井水和各种矿泉水。他们发现水中也溶解有氦气和其他惰性气体，不过含量比空气中还少。只有矿泉水是例外，某些矿泉水中溶解有相当多的氦气。德国物理学家基索姆在一处山泉水中，拉姆赛在一处矿泉水中，瑞利在一个疗养院的地下水中，都发现了较多的氦气。 还有一些人在动植物体中去找氦，结果没有找到。有人还从各种鱼类的鱼鳔中取出气体来研究，发现鱼鳔中的气体与空气没什么两样。 在矿物和岩石中找氦的成绩比较大。其中含氦气最多的是锡兰岛出产的方钍矿，1千克方钍矿加热后，能放出10升氦气。 在研究了很多种矿石之后，拉姆赛有一个发现，那就是，含有铀和钍的矿石中总是有氦气，而不含铀和钍的矿石中就没有氦气。 真是怪事！氦是惰性气体，它不会跟铀和钍化合，这一点拉姆赛早已试验过了。但是在矿物中，氦为什么总是跟铀和钍一起出现呢？氦跟铀和钍有什么关系呢？ 正当拉姆赛在英国热心地寻找空气中的新气体的时候，法国的科学家们也作出了惊人的新发现。 在拉姆赛由钇铀矿中发现氦的第二年，1896年3月，法国巴黎的物理学家贝克勒尔也研究了铀的各种化合物和铀的矿石，但是他找到的不是氦，而是发现铀在不停地发出看不见的射线，也就是说，铀有放射性。 铀是1789年德国化学家克拉普罗斯发现的金属元素，它的外表像银，化学性质像钨。将近100年来，人们都认为铀和其他金属一样，是一种普通的元素。贝克勒尔的实验告诉我们：铀和一般元素不一样，它发出的看不见的射线，可以隔着黑纸使照相底片感光。这可是以前谁也不知道的事。是不是还有一些别的元素像铀一样，也能够发出看不见的射线呢？这吸引了不少科学家去研究。 1898年，拉姆赛和他的助手特莱凡斯一起发现了空气中的氦、氖、氪和氙。就在这同一年里，一位法国女科学家玛丽·居里不仅发现了钍也有放射性，而且在沥青铀矿里还发现了两种放射性更强的新的放射性元素——钋和镭。 1899年，另一位法国化学家德比尔纳发现了又一种新的放射性元素——锕。 几年之内，新发现了一批放射性元素——钋、镭、锕。对这些放射性元素的研究，又引起了新的发现。 居里夫妇在研究镭的时候发现：镭和空气接触以后，镭拿走了，可是留下的空气还有放射性，好像被镭传染了似的。1900年，德国科学家多恩研究了这个奇怪的现象，发现原来是镭在连续不断地放出一种气体，这种气体也有放射性，这种放射性气体被叫做“镭射气”。 差不多在同时，英国物理学家卢瑟福发现钍也会发出一种放射性气体，后来又发现锕也会发出一种放射性气体。这两种气体分别被叫做“钍射气”和“锕射气”。 这些放射性气体又是什么样的物质呢？ 1903年，卢瑟福和另一位化学家索地一起，详细地研究了镭射气。 最早，科学家利用使照相底片感光的办法来检查物质的放射性，后来就发明了另一种方法——利用荧光物质。有一些矿石（如硅锌矿）和一些化合物（如硫化锌），碰到了看不见的射线就会闪烁发光。所以，如果硅锌矿或硫化锌在闪烁发光，那就说明一定有放射性物质存在。 卢瑟福和索地在一根两端有活塞的玻璃管里装上一些硅锌矿粒。他们把吹过镭的表面的空气通到这根玻璃管里去，然后关闭玻璃管两端的活塞。把玻璃管拿进黑屋子里去，就看到硅锌矿在闪闪发光，亮得可以照清楚报纸上的大标题。只要把玻璃管中的气体抽掉，硅锌矿立刻不再发光了。这说明被空气带到玻璃管中的镭射气是放射性气体。 为了研究这种气体，卢瑟福和索地在这玻璃管后面接上一个U形管，U形管后面又接上一个圆底烧瓶，圆底烧瓶的壁上涂有硫化锌。他们把U形玻璃管浸到液态空气里，然后把含有镭射气的空气不断吹进去。这时候，装有硅锌矿粒的管子闪闪发光，而涂有硫化锌的烧瓶并不发光。不过，只要把U形管从液态空气中拿出来，过了一会，烧瓶壁上的硫化锌也开始发光了。 这个实验说明：液态空气可以使镭射气变成液体，因而流不到涂硫化锌的烧瓶里去。
更有趣的是把镭射气封在装有硅锌矿粒的玻璃管里，一开始发光很强，几天以后，光就减弱了，过了一个月左右，就完全不发光了。看来镭射气会慢慢地消失。 镭射气消失了，它变成了什么呢？ 为了解决镭射气变成了什么的问题，卢瑟福和索地决定去请教研究气体的专家拉姆赛。 卢瑟福和索地把尽可能多的用液态空气冻下来的镭射气封在管子里。索地带上这管镭射气，就去找拉姆赛。 拉姆赛热情地接待了索地，立刻和他一起研究镭射气。这是1903年春天的事。 镭射气被充到放电管中，通电后发出淡蓝色的光辉。拉姆赛和索地用分光镜观察镭射气的光谱。他们发现了三条新的谱线。镭射气原来是一种新的气体元素。这时候，在光谱里没有看见别的谱线。 两天以后，他们又检查这个充有镭射气的放电管的光谱。三条新的诺线还在老地方，只是比两大前减弱了；但是，出现了一条新的谱线，是黄色的。拉姆赛立刻认出来，这是他的老朋友——氦的谱线。 放电管是封死的，外面不会有气体跑进去。结论只有一个：镭射气变成了氦。 又过了两天，再把放电管通电。这时候，管子发出的已经是黄光，而不是淡蓝色的光了。氦的谱线更强了，而镭射气的谱线更弱了。 氦在拉姆赛和索地的眼前诞生了！ 人们第四次发现了氦。 接下去，拉姆赛仔细地研究了镭射气的性质，证明它和氦、氖、氩、氪、氙一样，也是惰性气体。后来给它另起一个名字叫做radon（拉丁文“射线”的意思）——我国译作“氡”。 拉姆赛为了测定氡气的密度，设计了一个极为灵敏的天平，灵敏度达到0.000000005克！他称量了0.1立方毫米（仅仅有一个针眼大小）的氧气，测得它的密度是氢气的111倍，是最重的气体。 科学家们用同样的方法去研究锕射气和针射气，结果和镭射气一样，这两种射气也是氡，也在不断地变成氦。 氡是放射性气体元素，它不断地产生氦气。铀是不产生射气的，它会不会也不断地产生氦气呢？应该做一下试验。 索地把一些含铀的物质放在大烧瓶里，把烧瓶里的空气抽掉，把瓶口封死。过了一年，索地打开烧瓶，取出瓶内的气体作光谱分析。果然，气体的光谱中出现了氦的诺线。虽然氦气的量不多，但是证明了铀也在产生氦气。 原来，从放射性元素放出来的看不见的射线，可以分为α、β和γ三种射线。其中的α射线，实际上就是无数的失掉了电子的氦原子。 为什么铀矿和钍矿中会有氦气呢？这些氦气正是放射性元素铀和钍产生的。 索地又在大烧瓶中装了1000克铀。一年之后，他从烧瓶中得到了0.1立方毫米的氦气。这个气泡只有——0.00000002克重。铀产生氦气的速度是非常慢的，一吨铀每年也只能产生0.00002克的氦气。 为什么钇铀矿和其他的放射性矿物中，含有许多氦气呢？ 卢瑟福研究了这个问题，产生了这样一个想法：钇铀矿里含的氦气多，说明这矿石的历史长久。每年只产生一点点氦气，经过几百万、几千万、甚至几亿年，积累起来就多了。只要我们分析一下铀矿中现在有多少氦气，还剩下多少铀，又知道铀生成氦气的速度，就可以算出这块矿石是多少年前生成的了。 这方法真是妙极了！氦成了地质学家研究矿石年龄的“时钟”。这是1904年卢瑟福提出来的。 在此以前，人们很难知道矿物和岩石的年龄有多大，因为岩石是不会自己说话的。虽然有各种各样的估计，但是都非常不可靠。利用了放射性方法，岩石自己说话了。 你要知道某一个地方的煤是什么时候生成的吗？那只要在生成那种煤的地层中找出一种放射性矿物就行了。英国物理学家斯特莱特选了一块赤铁矿，经过分析，这块赤铁矿中有铀，也有少量氦气，每1克铀就大约有20立方厘米的氦气。已经知道，每1克铀一年能产生0.0000001立方厘米的氦，那么要多少年才能生成20立方厘米的氦呢？这很容易算，要2亿年。 既然这块赤铁矿是2亿年前形成的，当然，那里的煤层也是2亿年前形成的。 斯特莱特用这个方法测定了许多种矿石的年龄，但是工作并不是没有困难的。 氦是气体，如果岩石不很致密，有裂缝，生成的氦气就会跑掉。在这种情况下，测定的数值就不会准确了。 卢瑟福的学生波特伍德发现，铀在连续放出氦以后，最后变成没有放射性的铅。铅不是气体，不会从岩石的裂缝中跑掉。已经知道，1000克铀在一年间能生成0.00000135克铅。只要测定铀矿中铀和铅的含量各是多少，同样可以算出铀矿的年龄。 这个新方法比测量氦气的方法要可靠多了。许多人用它来测量地球上各种矿物和岩石的年龄。 到了1935年，英国科学家霍姆斯测出来地球上最老的岩石大约是35亿年。也就是说，地球的年龄至少有35亿年（现代测定，地球的年龄是46亿年）。 在太阳系中，太阳是质量最大的中心天体。在太阳系的总质量中，太阳占了99.9％，所以，有足够强大的引力，使太阳系的其他天体都环绕着它运行。太阳又是太阳系中唯一的能够自身发光的天体，它是太阳系的光和热的主要源泉，它照亮了整个太阳系，也晒热了整个太阳系。而地球不过是绕着太阳转的一颗比较小的行星。人们用放射性方法测定出来，地球的年龄有几十亿岁了。那么太阳的年龄有多大呢？当时的科学家推算，太阳是2200万岁。真奇怪，地球竟比太阳的年龄大100多倍！这怎么可能呢？ 必定有一个年龄搞错了。地球年龄的测定是相当可靠的，看来太阳的年龄可能推算错了。太阳的年龄就是不比地球大，无论如何也应该和地球相等。是不是可以把太阳的年龄改一下呢？ 不行！天文学家提出了不同的意见。他们说：我们虽然不能从太阳上取一块物质来直接研究它的年龄，但是有一点是没有错的，那就是太阳在不断地发出大量的光和热，它每分钟发出多少能量是测准了的；同时，太阳的体积和质量，我们也是能够准确计算的。要说太阳的年龄像地球一样，也有几十亿年，那么，它烧的是什么燃料呢？为什么能维持这样长的时间而不熄灭呢？ 在18世纪就有人算过，如果太阳是一大块煤，那要不断地发这么多的光和热，只能烧5000年。这个年龄显然太小了。后来，德国科学家赫尔姆霍茨认为，太阳发光发热是由于它不断地收缩，把位能转变成为热能。他计算出来，太阳的年龄是2200万年，还可以再发光发热1000万年。他的这个结论一直延用了半个世纪，要推翻它，必须先回答太阳烧的是什么。 在回答这个问题之前，我们先介绍一下科学家用氦气做实验的时候发现了什么。 上面已经说过，卢瑟福和索地发现放射性物质放出的α射线，原来就是无数失去了电子的氦原子。它们由放射性物质中一粒一粒地射出来，所以又叫做α粒子。α粒子射出来的速度非常大，每秒可以达到上万公里！ 卢瑟福用放射性物质放出来的高速度的α粒子去轰击各种物质。他发现原子像个小太阳系一样：中心有一个带正电的核，周围有电子绕核转圈子。 卢瑟福又想试试，把α粒子打到别的原子核里面去，会发生什么结果。他选用了镭C′（镭C′是钋的放射性同位素，它是镭蜕变而产生的）放出来的α粒子。这种α粒子速度特别大——每秒19200公里。 实验的结果是：高速的α粒子打到氮的原子核里去了，同时放出来一个新粒子——质子。质子也就是氢原子核。卢瑟福在1919年，第一回用人工实现了原子核反应，同时发现了质子。 卢瑟福接下去就用α粒子对各种元素进行轰击，看看哪些元素能起反应。在试验铝的时候发现，铝被轰击以后变成了硅，同时，放出来极大量的能，比燃烧同量的煤放出的能要大700000倍！ 核反应能放出大量的能。太阳上是不是也在进行核反应呢？ 太阳温度特别高，表面有6000摄氏度，核心能到2000摄氏万度，密度也特别大。在这样高的温度下，各种原子外层的电子都脱离了原子核，原子核以极大的速度碰来碰去，当然会发生核反应。 1938年，美国的贝特和德国的魏札克证明了太阳上烧的是氢。这不是氢和氧燃烧的化学反应，而是在高温和高速运动的条件下，氢原子核碰在一起的核反应——四个氢原子核生成一个氦原子核。这就是热核反应。 在热核反应中，1克氢全部变成氦，能放出多少热呢？据计算，这些热能使400吨冰完全变成水蒸气！而1克氢气在跟氧气化合的时候，放出来的热只能使47克冰变成水蒸气。这就是说，氢在热核反应中放出的核能，比在化学反应中放出的化学能，要多出8500000倍。 太阳的能源是在氢原子核聚变成氦原子核的过程中放出来的热核能。在这样的热核反应中，消耗的是氢核，产生的是氦核。太阳元素——氦，原来就是氢进行核燃烧后的“灰烬”。 据计算，太阳上氢合成氦的热核反应，已经进行了差不多50亿年了，以后还可以继续50亿年。 问题解决了，地球的年龄不比太阳大了。同时人们也弄清了太阳元素——氦的来源：在太阳上，氦是氢的热核反应生成的；在地球上，氦是放射性元素蜕变生成的。 在天空中飞翔，是人类自古以来的希望。发现了氢气以后，乘坐氢气球在天空中飞来飞去，成了时髦的事情。氢气球越做越大，后来发展成为巨大的飞艇。 第一艘飞艇是德国工程师齐柏林在1900年设计的，艇身长128米，里面装有9910立方米的氢气。人们把这种飞艇叫齐柏林飞艇。 1914年8月，在欧洲爆发了第一次世界大战。德国先后制造了123艘齐柏林飞艇用于战争。为了防御飞艇，英法联军用高射炮发射烧夷弹来对付它。因为氢气遇火就会燃烧爆炸，飞艇只要被烧夷弹击中，立刻就会在天空中炸毁。 但是，1914年秋天，在法国北部的战场上发生了奇怪的事：一艘德国飞艇被英军的炮弹打穿了，它竟然没有着火爆炸，而是掉转头飞回去了。 这真是个谜！英国军部研究了好久，也弄不清楚这艘飞艇为什么没有着火爆炸。 最后，英国军部接到了化学家特莱福的来信。他写道：“德国人发明了一种取得大量氦气的方法。这次用来充齐柏林飞艇的不是氢气，而是氦气。氦气也是很轻的气体，仅比氢气重一倍，因此充氦气的飞艇的升力跟充氢气的飞艇相差不多。但是在其他方面，氦气比氢气的优点大得多。要知道，氢气很喜欢跟氧气化合，因此它很容易燃烧。氦气不与任何东西化合，也不与氧气化合，它是惰性气体。如果德国的飞艇真是充氦气的话，那么烧夷弹没把它烧毁是不足为奇的。” 特莱福的理由很使人信服，但是从什么地方得到这样多的氦气呢？一艘飞艇需要用几千立方米的氦气；要得到这么多的氦气，就需要处理几万吨的方钍矿或是别的放射性矿物，而德国是没有这些矿物的。由空气中提取吗？这就需要几百台制冷机不停地工作一整年，而在战争时期，这是不大可能办到的。 英国军部对这个问题十分感兴趣，召集了各门科学家开会，提出找寻大量氦气资源的任务。他们研究讨论了很久，终于回想起1907年美国化学家开迪和马克发兰的一篇研究报告。 开迪和马克发兰在分析天然气的时候曾经发现，在堪萨斯州一个地方的天然气中，含有1.5％的氦气。但是当时没有人想到氦的实际应用，没有重视这个发现。现在，为了制造不会着火爆炸的大飞艇，人们又开始大规模地找氦气，在天然气中找氦气。最后，人们在加拿大的石油气中找到了氦气，于是立即建立起提取氦气的工厂。等到几千立方米的氦气提取出来了，第一次世界大战已经结束了。 战争停止了，不用担心飞艇在天空中飞行的时候会被烧夷弹打中了。这时候虽然发现了氦气资源，但是氦气终究不如氢气便宜。人们继续制造充氢气的大飞艇。1928年，工程师埃克纳制造了240米长的大飞艇“齐柏林号”，飞艇上有卧室、餐厅，可以乘坐几十名旅客，每小时能飞行100多公里。这艘飞艇横跨大西洋往来飞行，没有发生事故。 但是，埃克纳的另一艘大飞艇“兴登堡号”的命运就十分糟了。1937年5月6日，这艘飞艇飞过美国纽约城上空，居民们纷纷挥手向它致意。但是快要飞到目的地的时候，它突然着火爆炸了，飞艇上的乘客的遭遇也就可想而知了。 此后，谁也不肯冒着生命危险去乘坐氢气飞艇了，还是氦气飞艇安全。 人们在制造氢气飞艇的同时，也在制造氦气飞艇。当然，它们是不会着火爆炸的。但是，不幸的是，世界上最大的氦气飞艇却先后遇到风暴而失事了。而飞机越来越发展，飞艇渐渐地在天空中绝迹了。 在今天，天空中要是突然飞来一艘大飞艇，一定会引起大家的惊奇。但是不要以为飞艇已经完全退出了历史舞台。 现在已经是超音速飞行的时代，谁还要用那又大又笨又慢的飞艇？可是不能只看速度快慢这一个方面。飞机虽快，但运载量小，耗费燃料多；飞艇虽慢，但运载量大，耗费燃料少。有人计算过，用飞艇运输货物要比飞机便宜六七倍。 飞机要在飞机场上起飞降落。飞艇就不需要长长的跑道，它能够垂直起飞，垂直降落，必要的时候还可以长时间停在半空中不动。给地质勘探队、登山队运送勘探设备、科学仪器和生活资料，飞艇是非常理想的运输工具。在去南北极探险的时候，一个专门设计的大飞艇降落在冰面上，就可以成为探险队的理想的大本营。 一个大飞艇可以吊运几十吨以至几百吨的东西，这在工业建设上也可以起到特殊的作用。石油钻井的塔架，飞艇可以平稳地提起来，运到新的钻井地点。要穿过高山峡谷架设高压输电线，飞艇既可以在山头上吊装架线的铁塔，又可以飞越峡谷铺设高压电线。飞艇是空中的起重工。 正由于有这许多优越的性能，目前许多国家都在设计充氦气的新型飞艇。法国设计的“大力神号”飞艇，直径有235米，体积有150万立方米，能装载900吨货物。预料在不久的将来，飞艇又将重返天空。 在本世纪初的几十年里，世界各国都在寻找氦气资源，在当时主要是为了充飞艇。但是到了今天，氦不仅用在飞行上，尖端科学研究，现代化工业技术，都离不开氦，而且用的常常是液态的氦，而不是气态的氦。液态氦把人们引到一个新的领域——低温世界。 前面已经讲过拉姆赛在空气中找氦气的故事。在液态空气的温度下，氦和氖仍然是气体；在液态氢的温度下，氖变成了固体，可是氦仍然是气体。 要冷到什么程度，氦才会变成液体呢？ 前面已说过，英国物理学家杜瓦在1898年首先得到了液态氢。就在同一年，荷兰的物理学家卡美林·奥涅斯也得到了液态氢。液态氢的沸点是零下253摄氏度，在这样低的温度下，其他各种气体不仅变成液体，而且都变成了固体。只有氦是最后一个不肯变成液体的气体。卡美林·奥涅斯决心把氦气也变成液体。 1908年7月，卡美林·奥涅斯成功了，氦气变成了液体。他第一次得到了320立方厘米的液态氦。 要得到液态氢，必须先把氢气压缩并且冷却到液态空气的温度，然后让它膨胀，使温度进一步下降，氢气就变成了液体。 要得到液态氦，必须先把氦气压缩并且冷却到液态氢的温度，然后让它膨胀，使温度进一步下降，氦气才能变成液体。 液态氦是透明的容易流动的液体，就像打开了瓶塞的汽水一样，不断飞溅着小气泡。 液态氦是一种与众不同的液体，它在零下269摄氏度就沸腾了。在这样低的温度下，氢也变成了固体，千万不要使液态氦和空气接触，因为空气会立刻在液态氦的表面上冻结成一层坚硬的盖子。 多少年来，全世界只有荷兰卡美林·奥涅斯的实验室能制造液态氦。直到1934年，在英国卢瑟福那里学习的前苏联科学家卡比查发明了新型的液氦机，每小时可以制造4升液态氦。以后，液态氦才在各国的实验室中得到广泛的研究和应用。 在今天，液态氦在现代技术上得到了重要的应用。例如要接收宇宙飞船发来的传真照片或接收卫星转播的电视信号，就必须用液态氦。接收天线末端的参量放大器要保持在液氦的低温下，否则就不能收到图像。 然而，液态氦的奇妙之处还不在于低温。 卡美林·奥涅斯是第一个得到液氦的科学家。他并不满足，还想使温度进一步降低，以得到固态氦。他没有成功（固态氦是1926年基索姆用降低温度和增大压力的方法首先得到的），却得到了一个没有预料到的结果。 对于一般液体来说，随着温度降低，密度会逐渐增加。卡美林·奥涅斯使液态氦的温度下降，果然，液氦的密度增大了。但是，当温度下降到零下271摄氏度的时候，怪事出现了，液态氦突然停止起泡，变成像水晶一样的透明，一动也不动，好像一潭死水，而密度突然又减小了。
把一个小玻璃杯按在氦Ⅱ中。玻璃杯本是空的，但是过了一会，杯底出现了液态氦，慢慢地涨到跟杯子外面的液态氦一样平为止。 把这个盛着液态氦的小玻璃杯提出来，挂在半空。看，玻璃杯底下出现了液氦，一滴，两滴，三滴……不一会，杯中的液态氦就“漏”光了。是玻璃杯漏了吗？不，玻璃杯一点也不漏。这是怎么回事呢？
后来，许多科学家研究了这种怪现象，又有了许多新的发现。其中最有趣的是1938年阿兰等人发现的氦刀喷泉。 在一根玻璃管里，装着很细的金刚砂，上端接出来一根细的喷嘴。将这玻璃管浸到氦Ⅱ中，用光照玻璃管粗的下部，细喷嘴就会喷出氦Ⅱ的喷泉，光越强喷得越高，可以高达数厘米。 氦Ⅱ喷泉也是超流体的特殊性质。在这个实验中，光能直接变成了机械能。 大家还记得拉姆赛把各种物质放到液态空气中的各种奇妙的实验吧！各种物质放在液态氦里，情况就更奇妙了。 看！在液氦的温度下，一个铅环，环上有一个铅球。铅球好像失去了重量，会飘浮在环上，与环保持一定距离。 再看！在液氦的温度下，一个金属盘子，把细链子系着磁铁，慢慢放到盘子里去。当磁铁快要碰到盘子的时候，链子松了，磁铁浮在盘子上，怎样也不肯落下去。 真像是到了魔术世界！这一切，只能在液态氦的温度下发生。温度一升高，魔术就不灵了，铅球落在铅环上，磁铁也落在金属盘子里了。 这是低温下的超导现象。
在低温下，出现了许多奇妙的物理现象。许多重要的物理实验，都要在低温下进行。 目前，世界各国的物理学家还在研究液态氦，希望通过液态氦达到更低的温度，研究各种物质在低温下会发生什么奇妙的变化，会有什么我们目前还不知道的性质。这就产生了物理学的一个新的分支——低温物理学。 氦，这个奇妙的物质，一直在引起科学家们的注意。科学家们继续研究氦，通过科学实验，不断地为氦写下一页又一页新的历史。
天文学家也继续研究着太阳元素。太阳上的氢“燃烧”变成了氦，以后的命运又如何呢？他们发现宇宙间有一些比太阳更炽热的恒星，中心温度达到几亿度。在这些恒星的核心，氢原子核已经都变成了氦原子核，氦原子核又相互碰撞，正在生成着碳原子核和氧原子核，同时放出大量的能。这类恒星橡心脏一样，一会儿膨胀，一会儿收缩，很有规律。为什么会这样？这也是因为氦在起作用。 天文学家还研究了银河系内氢的含量和氦的含量的比值。根据这个比值，有人估算了银河系的年龄有一二百亿年。 氦的历史并没有完，人类认识氦的历史也没有完，而我们这本讲氦的故事的小册子，却不得不结束了。 要问在发现氦和研究氦的历史上谁的功劳最大呢？是天文学家詹森和罗克耶吗？是化学家拉姆赛和物理学家克鲁克斯吗？是发明分光镜的本生与基尔霍夫吗？当然还要考虑把空气、氢气以及氦气液化的汉普松、卡美林·奥涅斯等人的功劳。 很难说。在人类认识氦的历史上，他们都有着自己的贡献。氦仅仅是一种元素，但是发现它和认识它，是许多门科学——物理学、天文学、化学、地质学等的共同胜利，决不是某一个人的力量能够完成的。
科学是没有平坦的道路可走的，只有不畏艰险不怕困难的人才能攀登科学的高峰。通过氦的发现的历史，我们看到许多科学家们正是这样勇于实践的人。他们有严谨的科学态度，对于实验中的一点细微现象——一个小气泡，第三位小数的细微差异，也不放过。他们不但爱问为什么，而且千方百计地去寻找答案。他们埋头苦干，几个月、一年、几年坚持不懈，终于由纷乱的谜团中找出头绪，得到了解答。他们永远不满足已有的成绩，而是深人一步、再深入一步地钻研。人们对氦的认识就是这样逐步深人的。到现在为止，谁也不敢这样说：“氦，我们已经完全认识清楚了。” |
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