亨利·卡文迪(英国化学家、物理学家)_空气_扭秤_密度

亨利·卡文迪简介

亨利·卡文迪许（Henry Cavendish，1731.10.10～1810.3.10）英国化学家、物理学家。公元1731年10月10日生于法国尼斯。1742—1748年他在伦敦附近的海克纳学校读书。1749—1753年期间在剑桥彼得豪斯学院求学。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。

公元1810年3月10日，卡文迪许在伦敦逝世，终身未婚。

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·m²/kg²，这个值同现代值（6.6732±0.0031×10N·m²/kg²，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。这也是普遍存在于中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0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，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。

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媳灭。 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。

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（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