奇妙的「懶」元素氖氣 點亮了城市的黑暗

從真空管中發出的這種深紅色強光，實在太美麗了，看過它的人將終生難忘。

夜幕降臨，美麗的都市霓虹燈隨處可見，五光十色。可你不知道的是，這些繽紛炫目的光，都是「鈍氣」家族通電時所散發的，它們在常溫下無色無味，不易與其它物質發生化學反應，空氣中含量非常低。科學家們花了很多精力才發現這些懶惰的傢伙。其中有一種讓霓虹燈發出紅光的「鈍氣」，居然是從零下兩百多度的液態空氣里提取出來的!

霓虹燈閃爍的都市。（源於匯圖網）

為何要從液態空氣中提取這種「鈍氣」呢？是怎麼提取它的？怎麼還有家族？……要弄清這些問題，得從一百多年前的空氣研究實驗說起。

卡文迪許實驗之憾

「親愛的瑞利先生，卡文迪許空氣實驗中殘餘的氣體里，有很多種未知氣體，它們比氮氣更『懶』，不會與其它任何物質發生化學反應，我們應該想法弄清它們。」1894年5月24日，在英國倫敦大學的化學實驗室里，本校化學教授威廉?拉姆塞正專心致志地給本國劍橋大學卡文迪許實驗室物理學家瑞利寫一封信。

信中所提到的卡文迪許空氣實驗已有20多年歷史，是英國科學家卡文迪許研究空氣構成成分的著名實驗。那時，卡文迪許一直對看不見摸不著的空氣很好奇，總想弄清空氣里到底有些什麼東西。18世紀中葉，在他與眾多歐洲科學家的不懈努力下，空氣中較活潑的氧、二氧化碳等先後被提取出來，連化學性質不活潑的氮也於1870年現形。

卡文迪許的空氣實驗裝置。（網路圖）

卡文迪許在實驗中發現一個怪現象：把空氣中的氮、氧、二氧化碳等分離完後，總會殘留很小一部分未知氣體。於是，他把這個問題留給了卡文迪許實驗室的科研人員瑞利，並讓其在歐洲各國進行公開，號召同行們一起尋找答案。

對空氣構成成分感興趣的拉姆塞得到消息後，決心攻克這個難關。他是地道的英國人，從小受到良好教育，性格堅韌，學習勤奮。1880年他被布里斯托爾學院聘為化學教授，後升為該院院長。他主要研究有機化學和物理化學，年紀輕輕就出版有《大氣中的氣體》、《元素和電子》等著作。拉姆塞通過實驗仔細研究了殘餘氣體中的發射光譜，並藉助誕生不久的分光技術，再次確認殘餘氣體中有性質極不活潑的未知元素。

所以出現了他給瑞利寫信這一幕。

拉姆塞畫像。（網路圖）

話說瑞利收到拉姆塞的信件後，立即趕往倫敦大學。很快兩人達成共識：卡文迪許殘餘氣體含有一類性質相似的未知元素。

當年8月，在牛津舉行的英國科學協會年會籌備會議上，拉姆塞與瑞利同時宣布，經他們研究發現，空氣中含有多種性質極不活潑、不與其它元素進行反應的「鈍氣」，建議稱之為「惰性氣體」。目前確認空氣中含有兩種惰性氣體，一是可做空氣保護氣的氬氣，二是多年前科學家們一直認為太陽上才有的氦氣。

在眾人驚訝的眼神中，會議主席馬登當場發言，極力支持拉姆塞二人的提議，還希望他們繼續研究，弄清這些藏得很深、聞所未聞的「惰性氣體」。

會後，拉姆塞決定繼續研究卡文迪許空氣實驗，從空氣中找到更多的未知「鈍氣」。

液態空氣提取氖氣

像世界上所有科學家一樣，拉姆塞具有不畏困難、勇往直前的精神。發現氬、氦元素之後，他用同樣的分光技術來尋找未知「鈍氣」。可是，當他檢測除去氮、氧、二氧化碳、氦、氬氣後的殘餘氣體時，發現光譜上顯示出一些紅色和綠色的譜線。他無法確認這些譜線是哪種元素髮出的。

拉姆塞陷入新方法的思考中。過了一年多，受一位叫特拉弗斯的同行的啟發：把空氣變為液態氣體，再進行分鎦。

在特拉弗斯的協助下，拉塞姆把劑量為1升的空氣在零下215度時變為液態氣體，並進行蒸發，到最後得到25毫升氬氣的揮發物。他收集這些揮發物，發現它「具有極壯麗的光譜，帶著許多條紅線和綠線，在高度真空下，依舊顯著……」（《化學史》）

氖氣在通電時發光。（網路圖）

「從真空管中發出的這種深紅色強光，實在太美麗了，看過它的人將終生難忘。我們兩年的努力沒有白費。」特拉弗斯由衷感嘆道。

未知元素是發現了，但如何給它命名呢？二人正激烈討論時，拉姆塞13歲的兒子威利來到實驗室找設備。聽罷談話，威利介面道：「既然這種奇怪的氣體是新發現的，何不用希臘文Neve（新奇之意）來表示呢？」

「有道理。不過要改為同義詞Neon，這樣讀起來更好聽。好聽才配得上這麼漂亮的氣體。」拉姆塞說道。

特拉弗斯自然沒有異議。他們當場把此元素命名為Neon，簡稱Ne。後來中國科學家引入西方化學，將此元素翻譯成「氖」。

夜景光源用途多多

除了氖氣外，惰性氣體家族還包括氦、氬、氪、氙、氡等氣體成員。這些成員中，有五種是由拉姆塞首先發現的。同時，他把惰性氣體作為一族完整地插入了化學元素周期表中，使周期表更加完善，此工作比每一個元素的單獨發現更為重要。因為發現氖氣及在惰性氣體方面的巨大貢獻，拉姆塞不但被科學界譽為「惰性氣體之父」，還獲得1904年諾貝爾化學獎。在惰性氣體方面同樣頗有建樹的瑞利則獲得當年度的諾貝爾物理獎。

部分惰性氣體顏色及英文縮寫。（網路圖）

拉姆塞生前沒有料到，惰性氣體通電時發光的特性，會決定它們在都市夜景裝飾中扮演極重要角色。製作霓虹燈時，在玻璃管里填充氖氣可做成深紅色的氖燈，填充氬氣是淡藍色的氬燈，填充氦氣則是橙色的氦燈。把氖、氬、氦等氣體按不同比例進行混合，再裝入密閉燈管中，這樣就製成了五光十色的霓虹燈。需要指出的是，很長一段時間裡，人們都認為是氖氣「點」亮了霓虹燈，因為霓虹燈的英文是「Neon」，原意即指氖氣。

惰性氣體做的彩燈。（網路圖）

除了霓虹燈外，氖氣在交通、電子工業、航空航海及科學研究等領域也發揮著重要作用。利用氖燈光線極強，可透過濃霧的原理，可把它用在機場、港口等地的燈標上。氖氣也可用於激光技術中的激光混合氣中等，氦氖激光器是人類研製成功的第一種氣體激光器，應用非常普遍。在高能物理研究方面，可用充滿火花的氖氣來探測微粒的路徑。在深水作業方面，為了預防工作人員得潛水病，可用氖氣代替氮氣，製作成深海作業專用的呼吸混合氣。

作者：魏德勇

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