卡文迪許 -英國物理學家

卡文迪許

亨利·卡文迪許(Henry Cavendish,1731.10.10~1810.3.10)英國化學家、物理學家。公元1731年10月10日生于法國尼斯。1742-1748年他在倫敦附近的海克納學校讀書。1749-1753年期間在劍橋彼得豪斯學院求學。在倫敦定居後,卡文迪許在他父親的實驗室中當助手,做了大量的電學、化學研究工作。他的實驗研究持續達50年之久。1760年卡文迪許被選為倫敦皇家學會成員,1803年又被選為法國研究院的18名外籍會員之一。

公元1810年3月10日,卡文迪許在倫敦逝世,終身未婚。

  • 中文名
    卡文迪許
  • 外文名
    Henry Cavendish
  • 別名
    亨利·卡文迪什
  • 出生日期
    1731年

主要成就

化學領域

1784年左右,卡文迪許研究了空氣的組成,發現普通空氣中氮氣佔五分之四,氧氣佔五分之一。他確定了水的成分,肯定了它不是元素而是化合物。他還發現了硝酸

物理領域

卡文迪許生前在物理學方面發表的論文為數極少,一直到麥克斯韋審閱整理並出版了他的手稿後,人們才知道他在電學方面作出了很多重要發現。他發現一對電荷間的作用力跟它們之間的距離平方成反比,這就是後來庫侖導出的庫侖定律內容的一部分;他提出每個帶電體的周圍有"電氣",與電場理論很接近;卡文迪許演示了電容器的電容與插入平板中的物質有關;電勢的概念也是卡文迪許首先提出的,這對靜電理論的發展起了重要作用;他還提出了導體上的電勢與通過電流成正比的關系

在牛頓發現萬有引力定律之後,他是測出引力常量的科學家。

推算地球密度

卡文迪許測量地球的密度是從求牛頓的萬有引力定律中的常數著手,再推算出地球密度。他的指導思想極其簡單,用兩個大鉛球使它們接近兩個小球。從懸掛小球的金屬絲的扭轉角度,測出這些球之間的相互引力。根據萬有引力定律,可求出常數G。根據卡文迪許的多次實驗,測算出地球的平均密度是水密度的5.481倍(21世紀數值為5.517,誤差為0.65253%左右),並確定了萬有引力常數(他測得的引力常數G是(6.754±0.041)×10N·m²/kg²,這個值同現代值(6.6732±0.0031×10N·m²/kg²,相差無幾,計算出了地球的質量。被譽為第一個稱量地球的人。

卡文迪許

後人關于卡文迪許測量G的歷史爭議

值得一提的是,以上關于卡文迪許從萬有引力常數推算地球密度的說法是完全錯誤的,卡文迪許是利用小球的與地球的比例關系來測量出的地球質量,從而得出地球平均密度,並沒有用到G的值,也沒有在任何地方間接或直接出現過萬有引力常數G。這也是普遍存在于我國物理教學中的謬誤,之所以保留上面錯誤的描述是為了表示對前詞條編輯者隻顧著復製而不自己考證資料的鄙視。事實上,從科學史的角度看,卡文迪許可以說並沒有得到過G。在卡文迪許活著的時候,對牛頓重力方程的表述中仍沒有G的存在,那時的天文學家更關心各個星體的密度,隻要知道了地球的密度那麽其他星體的密度也都好算了,所以卡文迪許他老人家作為物理學的潮人,自然義無反顧地要引領時尚。他的論文題目正叫做"測量地球密度的實驗"(Experiments to determine the density of the earth)。

G的第一次出現在論文中是在1873,在卡文迪許發表論文的75年後,被Cornu,A. and Baille,J. B的論文《Mutual determination of the constant of attraction and the mean density of the earth》提到。而G正式進入人們的視野要到1894年,一個叫偉農.波義思(C.Vernon Boys)的人在英國皇家學會(The Royal Society)提出了重力場數G的表述後才為人熟知。在卡文迪許之後,後人也依據他的實驗結果整理出了G=3*g/4piRp,其中g是地球重力加速度,R是地球半徑。無疑的,卡文迪許的實驗是離G隻有那麽一點點距離了,後人可以直接從他的結果中整理出G來,因為這個而讓他與G的決定無緣實在是太可惜了,所以物理學家感情上更認同卡文迪許,萬一以後他們哪個人遇到了類似的事情,差一點點不被算作是第一原創者那肯定死不瞑目啊。于是他們為卡文迪許辯護稱,在卡文迪許所在的年代,科學家們對重力與質量仍使用一樣的單位,而且從天文學來說,式子中出現的幾何常數可以被視作是已被定義的高斯重力常數,地球半徑也是知道的,所以可以一般性地可以說在天文單位上,G便是地球密度的倒數,卡文迪許測到了地球密度,自然也算得到G了。

西方的物理課程中大多會提一下歷史。但在我國的物理教學中慣例會講卡文迪許測量G在先,再根據G來得出地球密度,這並不符合史實,從而歷年考試下也多出了不少考場冤魂。

學術貢獻

卡文迪許公開發表的論文並不多,他沒有寫過一本書,在長長的50年中,發表的論文也隻有18篇。除了一篇在1771年發表的論文是理論性的以外,其餘的論文內容都是實驗性和觀察性的,大部分是關于水槽化學方面的,先後發表在1766年到1788年的英國皇家學會的期刊上。

又有一部分是關于液態物質凝固點的研究,發表于1783年到1788年。還有一部分是有關地球平均密度的研究,發表于1798年。在他逝世以後,人們發現他有大量文稿,一直藏著未經公開發表。這部分未發表的論文相當多,電學部分由19世紀的大物理學家馬克斯維爾門教授整理後在1879年出版,化學和力學部分是由愛德華.普索于1921年主編出版的。

卡文迪許卡文迪許

1784年左右他研究了空氣的組成,他還發現了硝酸

亨利·卡文迪許

卡文迪許在熱學理論、計溫學、氣象學、大地磁學等方面都有研究。1798年他完成最後的實驗時,已年近七十。在物理學上他最主要的成就是通過扭秤實驗驗證了牛頓的萬有引力定律,確定了引力常數和地球平均密度。卡文迪許驗證萬有引力定律的實驗採用自己設計的"扭秤"為工具,後人稱為著名的"卡文迪許實驗"。

曾經有人說:"沒有一個活到80歲的人,一生講的話像卡文迪許那樣少的了。"在一本《化學史》書上,曾舉出卡文迪許最怕交際的一件事例。有一天一位英國科學家攜同一位奧地利科學家到班克斯爵士的家裏做客,正巧卡文迪許也在座。班克斯便介紹他們相識。在互相介紹時,班克斯曾對這位遠客盛贊卡文迪許,而這位初見面的客人更是對卡文迪許說出非常敬仰他的話,並說這次來倫敦的最大收獲,就是專程拜訪這位名震一時的大科學家

卡文迪許聽到這話,起初大為忸怩,最後完全手足無措,便從人叢中沖出了室外,坐上他的馬車趕回家去了。從這段記載可以看出卡文迪許為人性格孤僻。卡文迪許離開劍橋大學後,就跟父親旁聽英國皇家學會的會議,每個星期四中午,參加學會的聚餐。到了1760年他被選為皇家學會會員。一直到21世紀,在英國,凡是有FSR(皇家學會會員)頭銜的人,還是受到人們的尊敬。

接下來他在1783年研究了空氣的組成成分,做了很多試驗,發表的論文的題目是"空氣試驗"。也就是這個時候,他發現水是由氫和氧兩種元素組成的。

卡文迪許最後的一項研究,是關于地球平均密度的問題。他提出的數位是5.448克/釐米,公認的是5.48克/釐米。這說明當時試驗已經相當準確。他還有一項工作,是過了100年以後,才得到承認的,那就是關于稀有元素的存在問題。

化學研究

在卡文迪許漫長的一生中,他取得了一系列重大發現--其中,他是分離氫的第一人,把氫和氧化合成水的第一人。

二氧化碳的發現

卡文迪許指出收集固定空氣(二氧化碳)必須用汞代替水;用物理方法測出了固定空氣(二氧化碳)的密度是空氣密度的1.57倍。從實驗上證明了固定空氣(二氧化碳)能溶解于同體積的水中,且與動物呼出的、木炭燃燒後產生的氣體相同。他還發現在普通空氣中,若固定空氣(二氧化碳)的含量佔到整體積的1/9,燃燒的蠟燭在其中就會媳滅。 他測出了酸從石灰石、大理石、珍珠灰等物質中排出固定空氣的重量,計算出這些物質中固定空氣的含量。這些實驗研究使人們對二氧化碳的性質有了更多的了解。

卡文迪許1767年發表的論文介紹了他,關于水和固定空氣的實驗。將一個深水井的井水進行煮沸,發現有固定空氣逸出,同時產生白色沉淀。他認為白色沉淀和固定空氣原先都是溶于水的,它們可能是溶于水中的石灰質土。為了證明這一看法,他在清澈的石灰水中通入固定空氣,開始時產生乳白色沉淀,繼續通入固定空氣後,沉淀復又溶解,溶液再次澄清透亮。這時他將這溶液煮沸,立刻就象井水那樣釋放出固定空氣(二氧化碳)並產生白色沉淀。 卡文迪許的這一實驗和他的解釋使人們認清了一個常見的自然現象。在石灰岩遍布的地區,含有二氧化碳的雨水或泉水流經石灰岩地層、慢慢地溶解部分石灰石形成重碳酸鹽溶液。這些溶液在石岩中緩慢下滴時,可能因溫度變化或水汽蒸發,二氧化碳乘機逸去,碳酸鈣結晶析出,日積月累,逐漸形成了石鍾、石乳、石筍等奇特的景象。喀斯特地形構造有了科學的解釋。

卡文迪許在1766年發表了他的第一篇論文《論人工空氣》"人工空氣"一詞為波義耳首創,用來指存在在某種物質中,通過化學反應可以釋放出來的氣體。如普利斯特裏通過碳酸鹽與酸反應生成的二氧化碳。在文章中卡文迪什在嚴格保持溫度和壓強條件的前提下,對當時已知的各種氣體的物理性質,特別是密度進行了嚴謹而細致的研究,這篇文章使他獲得英國皇家學會的科普利獎章

氫氣的發現

卡文迪許于1781年採用鐵與稀硫酸反應而首先製得"可燃空氣"(即氫氣)他使用了排水集氣法並對產生的氣體進行了多步幹燥和純化處理。隨後他測定了它的密度,研究了它的性質。他使用燃素說來解釋,認為在酸和鐵的反應中,酸中的燃素被釋放出來,形成了純的燃素-"可燃空氣"。之後當他得知普利斯特裏發現在空氣中存在"脫燃素氣體"(即氧氣),就將空氣和氫氣混合,用電火花引發反應,得出這樣的結果"在不斷的實驗之後,我發現可燃空氣可以消耗掉大約1/5的空氣,在反應容器上有水滴出現。"隨後卡文迪許繼續研究氫氣和氧氣反應時的體積比,得出了2.02:1的結論。對于氫氣在氧氣中燃燒可以生成水這一點的發現權,當時曾引起了爭論。因為普裏斯特利,瓦特,卡文迪許都作過類似的實驗。1785年瓦特被選為皇家學會會員,爭論以當事人的和解而告終。

惰性氣體的觀察

卡文迪許敏銳地註到了,生成的水中有少量的硝酸存在。他認為這是反套用的氧氣中含有新物質(主要是氮氣)的原因。1785年卡文迪什在氧氣和空氣混合物中引入電火花,使得空氣中的氧氣和氮氣化合,然後用氫氧化鈉溶液來吸收生成的氮氧化物,發現空氣中殘留下一小部分,大約1/120,無法與氧氣反應生成化合物被氫氧化鈉吸收。經過幾百次的實驗和分析,他得出在今天看來都很精確的結論,空氣中有20.833%的體積是脫燃素空氣(測量值是氧氣佔20.95%)和79.167%的燃素空氣,在燃素空氣中有空氣整體積的1/120的不易和其他氣體反應的濁氣。一直到1894年瑞利和拉姆賽發現稀有氣體氬,才證實了卡文迪什的推測。在拉瓦錫提出氧化說,卡文迪許贊成氧化說的簡潔,認為這有利化學的發展,但也不願輕易放棄自己一直採用的燃素說,隨後他將自己的研究重點轉向了物理學領域。

物理研究

電學研究

卡文迪許在室外用望遠鏡觀測扭秤卡文迪許在電學上進行了大量重要而不為人知的研究。他在1777年向皇家學會提交論文,認為電荷之間的作用力可能呈現與距離的平方成反比的關系,後來被庫侖通過實驗證明,成為庫侖定律。他和法拉第共同主張電容器的電容會隨著極板間的介質不同而變化,提出了介電常數的概念,並推導出平板電容器的公式。他第一個將電勢概念大量套用對電學現象的解釋中。並通過大量實驗,提出了電勢與電流成正比的關系,這一關系1827年被歐姆重新發現,即歐姆定律。卡文迪許對電學的研究基本都沒有發表,詹姆斯·克拉克·麥克斯韋的最後五年致力于對卡文迪什個人實驗記錄的整理,于1879年出版了麥克斯韋注解的《卡文迪許的電學研究》 ,卡文迪許在電學上成果才使世人知曉。

稱量地球

1797年卡文迪許完成了對地球密度的精確測量。他使用的裝置是約翰·米切爾設計,但米切爾本人不久去世,將裝置遺留給了沃拉斯頓,後被轉送給卡文迪許。裝置是由兩個重達350磅的鉛球和扭秤系統組成。為了消除氣流幹擾,卡文迪許將裝置安裝在一個不透風的房間,自己則在室外用望遠鏡觀測扭矩的變化。之後他向皇家學會提交報告,給出了目前看來仍然比較精確的地球密度值。這一測量被稱為開創了"弱力測量的新時代"。很多文章稱卡文迪許求出了萬有引力常量,實際上卡文迪許當時隻關心地球的密度,並沒有涉及其他。而採用卡文迪許的測量結果通過計算可以求出萬有引力常量和地球的質量。

扭秤實驗

1789年,英國物理學 家卡文迪許(H.Cavendish)利用扭秤,成功地測出了引力常量的數值,證明了萬有引力定律的正確。卡文迪許解決問題的思路是,將不易觀察的微小變化量,轉化為容易觀察的顯著變化量,再根據顯著變化量與微小量的關系算出微小的變化量

試驗示意圖如下:

卡文迪許用一個質量大的鐵球和一個質量小的鐵球分別放在扭秤的兩端。扭秤中間用一根韌性很好的鋼絲系在支架上,鋼絲上有個小鏡子。用一道平行光照射鏡子,光點反射到一個很遠的地方,標記下此時光點所在的位置。

用兩個質量一樣的鐵球同時分別吸引扭秤上的兩個鐵球。由于萬有引力作用。扭秤微微偏轉。但光源所反射的遠點卻移動了較大的距離。他用此計算出了萬有引力公式中的常數G。

此實驗的巧妙之處在于將微弱的力的作用進行了放大。

尤其是光的反射的利用

引力常量G=6.67*10^-11

趣聞軼事

科學怪人

據說卡文迪許很有素養,但是沒有英國的那種紳士派頭。他不修邊幅,幾乎沒有一件衣服是不掉扣子的;他不好交際,不善言談,終生未婚,過著奇特的隱居生活。卡文迪許為了搞科學研究,把客廳改作實驗室,在臥室的床邊放著許多觀察儀器,以便隨時觀察天象。他從祖上接受了大筆遺產,成為百萬富翁。不過他一點也不吝嗇。有一次,他的一個僕人因病生活發生困難,向他借錢,他毫不猶豫地開了一張一萬英鎊的支票,還問夠不夠用。卡文迪許酷愛圖書,他把自己收藏的大量圖書,分門別類地編上號,管理得井井有序,無論是借閱,甚至是自己閱讀,也都毫無例外地履行登記手續。卡文迪許可算是一位活到老、幹到老的學者,直到79歲高齡、逝世前夜還在做實驗。卡文迪許一生獲得過不少外號,有"科學怪人","科學巨擘","最富有的學者,最博學的富豪"等。

視名利如浮雲

有一次卡文迪許出席宴會,一位奧地利來的科學家當面奉承卡文迪許幾句,他聽了起初大為忸怩,繼而手足無措,終于坐不住站了起來,沖出室外徑自坐上馬車回家了。卡文迪許沉默寡言,對慕名來訪的客人常常一言不發陪坐在旁,腦中想著科學問題,使一些幫閒文人尷尬掃興。他一生致力于科學研究,成果豐碩,但隻發表過兩篇並不重要的論文。(其實是因為他這個人孤僻靦腆到"病態"的程度,連他和管家之間都需要以書信方式交流;連當時參加每周由班克斯舉辦的聚會時,都要求參與的人當他不存在,詢問他建議時需要當做周圍沒人那樣說話,這樣也許你才能得到一個含糊的回答或者是怒氣的尖叫。)

他的實驗室

人們為紀念這位大科學家,特意為他樹立了紀念碑。後來,他的後代親屬德文郡八世公爵S.C.卡文迪許將自己的一筆財產捐贈劍橋大學于1871年建成實驗室,它最初是以 H.卡文迪什命名的物理系教學實驗室,後來實驗室擴大為包括整個物理系在內的科研與教育中心,並以整個卡文迪許家族命名。該中心註重獨立的、系統的、集團性的開拓性實驗和理論探索,其中關鍵性設備都提倡自製。這個實驗室曾經對物理科學的進步作出了巨大的貢獻。近百年來卡文迪許實驗室培養出的諾貝爾獎金得主已達26人。麥克斯韋、瑞利、J.J.湯姆遜、盧瑟福等先後主持過該實驗室。

沉睡的手稿

1810年卡文迪許逝世後,他的侄子齊治把卡文迪許遺留下的20捆實驗筆記完好地放進了書櫥裏,誰也沒有去動它。誰知手稿在書櫥裏一放竟是70年,一直到了1871年,另一位電學大師麥克斯韋應聘擔任劍橋大學教授並負責籌建卡文迪許實驗室時,這些充滿了智慧和心血的筆記獲得了重返人間的機會。麥克斯韋仔細閱讀了前輩在100年前的手搞,不由大驚失色,連聲嘆服說:"卡文迪許也許是有史以來最偉大的實驗物理學家,他幾乎預料到電學上的所有偉大事實。這些事實後來通過庫侖和法國哲學家的著作聞名于世。"此後麥克斯韋決定擱下自己的一些研究課題,嘔心瀝血地整理這些手稿,使卡文迪許的光輝思想流傳了下來。真是一本名著,兩代風流。不啻是科學史上的一段佳話.

專註又靦腆

卡文迪許也參加一些社交活動。著名博物學家約瑟夫˙班克斯每周在家舉行一次科學界名流的聚會,卡文迪許也會參加。班克斯特別告誡其他人,不要靠近那個呆在角落裏的人。如果他就某個問題發表自己的見解時,人們要裝著不在意地晃悠到他身邊,還要裝著沒有聽見他說話。如果討論的問題與科學無關,人們就會聽到身後一聲驚呼突然響起,轉身就會看到卡文迪許正奔向另一個更安靜一些的角落。

卡文迪許--是那個年代最有才華而又極其古怪的英國科學家。幾位作家為他寫過傳記。用其中一位的話來說,他特別靦腆,"幾乎到了病態的程度"。他跟任何人接觸都會感到局促不安,連他的管家都要以書信的方式跟他交流。

有一回,他開啟房門,隻見前門台階上立著一位剛從維也納來的奧地利仰慕者。那奧地利人非常激動,對他贊不絕口。一時之間,卡文迪許聽著那個贊揚,仿佛挨了一記悶棍;接著,他再也無法忍受,順著小路飛奔而去,出了大門,連前門也顧不得關上。幾個小時以後,他才被勸說回家。

有時候,他也大膽涉足社交界--尤其熱心于每周一次的有偉大的博物學家約瑟夫·班克斯舉辦的科學界聚會--但班克斯總是對別的客人講清楚,大家絕不能靠近卡文迪許,甚至不能看他一眼。那些想要聽取他的意見的人被建議晃悠到他的附近,仿佛不是有意的,然後"隻當那裏沒有人那樣說話"。如果他們的話算得上是談論科學,他們也許會得到一個含糊的答案,但更經常的情形是聽到一聲怒氣沖沖的尖叫(他好像一直是尖聲尖氣的),轉過身來發現真的沒有人,之間卡文迪許飛也似的逃向一個比較安靜的角落。

--摘自《萬物簡史》第四章

獨立傳記

卡文迪許,1731年出生在英國。他一生都在實驗室和圖書館中度過,在化學、熱學 、電學方面進行過許多實驗探索。但由于他對榮譽看得很輕,所以對于發表實驗結果以及得到發現優先權卻很少關心,致使其許多成果一直未被公開發表。直到19世紀中葉,人們才從他的手稿中發現了一些極其珍貴的資料,證實他對科學發展做出了巨大貢獻。

卡文迪許卡文迪許

卡文迪許最為人稱道的科學貢獻,首先是他最早研究了電荷在導體上的分布,並于1771年用類似的實驗對電力相互作用的規律進行了說明。他通過對靜電荷的測定研究,在1777年向皇家學會提出的報告中說:"電的吸引力和排斥力很可能反比于電荷間距離的平方。如果是這樣的話,那麽物體中多餘的電幾乎全部堆積在緊靠物體表面的地方。而且這些電緊緊地壓在一起,物體的其餘部分處于中性狀態。"與此同時,他還研究了電容器的容量;製造了一整套已知容量的電容器,並以此測定了各種儀器樣品的電容量。而且預料到了不同物質的電容率,並測量了幾種物質的電容率,初步提出了"電勢"概念。

卡文迪許畢生致力于科學研究,從事實驗研究達50年之久,性格孤僻,很少與外界來往。卡文迪許的主要貢獻有:1781年首先製得氫氣,並研究了其性質,用實驗證明它燃燒後生成水。但他曾把發現的氫氣誤認為燃素,不能不說是一大憾事。1785年卡文迪許在空氣中引入電火花的實驗使他發現了一種不活潑的氣體的存在。他在化學、熱學、電學、萬有引力等方面進行地行多成功的實驗研究,但很少發表,過了一個世紀後,麥克斯韋整理了他的實驗論文,並于1879年出版了名為《尊敬的亨利·卡文迪許的電學研究》一書,此後人們才知道卡文迪許做了許多電學實驗。麥克斯韋說:"這些論文證明卡文迪許幾乎預料到電學上所有的偉大事實,這些偉大的事實後來通過庫侖和法國哲學家們的著作而聞名于科學界。"

早在庫侖之前,卡文迪許已經研究了電荷在導體上的分布問題。1777年,他向皇家學會提出報告說:"電的吸引力和排斥力很可能反比于電荷間距離的平方,如果是這樣的話,那麽物體中多餘的電幾乎全部堆積在緊靠物體表面的地方,而且這些電緊緊地壓在一起,物體的其餘部分處于中性狀態。"他還通過實驗證明電荷之間的作用力。他還早于法拉第用實驗證明電容器的電容取決于兩極板之間的物質。他最早建立電勢概念,指出導體兩端的電勢與通過它的電流成正比(歐姆定律在1827年才確立)。當時還無法測量電流強度,據說他勇敢地用自己的身體當作測量儀器,以從手指到手臂何處感到電振動來估計電流的強弱。

卡文迪許的重大貢獻之一是1789年完成了測量萬有引力的扭秤實驗,後世稱為卡文迪許實驗。他改進了英國機械師米歇爾(John Michell,1724~1793)設計的扭秤,在其懸線系統上附加小平面鏡,利用望遠鏡在室外遠距離操縱和測量,防止了空氣的擾動(當時還沒有真空設備)。他用一根39英寸的鍍銀銅絲吊一6英尺木桿,桿的兩端各固定一個直徑2英寸的小鉛球,另用兩顆直徑12英寸的固定著的大鉛球吸引它們,測出鉛球間引力引起的擺動周期,由此計算出兩個鉛球的引力,由計算得到的引力再推算出地球的質量和密度。他算出的地球密度為水密度的5.481倍(地球密度的現代數值為5.517g/cm3),由此可推算出萬有引力常量G的數值為 6.754×10N·m²/kg²(現代值前四位數為6.672)。這一實驗的構思、設計與操作十分精巧,英國物理學家J.H.坡印廷曾對這個實驗下過這樣的評語:"開創了弱力測量的新時代"。

卡文迪許在1766年發表了《論人工空氣》的論文並獲皇家學會科普利獎章。他製出純氧,並確定了空氣中氧、氮的含量,證明水不是元素而是化合物。他被稱為"化學中的牛頓"。

卡文迪許一生在自己的實驗室中工作,被稱為"最富有的學者,最有學問的富翁"。卡文迪許于公元1810年3月10日去世。

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