氢原子百科 
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，气体化学奠基人。[2][4][3]
卡文迪许出生在法国尼斯的一个贵族家庭，[3][6]他的父亲查理·卡文迪许为英国公爵的后裔，[2]在卡文迪许两岁时，他的母亲去世。[7]1742-1748年，卡文迪许在伦敦附近的海克纳学校读书。1749-1753年间，卡文迪许在剑桥大学彼得学院学习。1753年，卡文迪许前往巴黎留学，主要研究物理学和数学。之后在伦敦定居，卡文迪许便在他父亲的实验室中当助手，进行大量的电学和化学研究。1760年，卡文迪许被选为英国皇家学会会员，之后还成为法国科学院的18名外籍会员之一。[3][7]1766年，卡文迪许制得纯氢并测定其密度并在六年后独立地发现氮。1798年，卡文迪许通过扭秤实验验证了万有引力定律，从而确定了引力常数和地球的平均密度。[4]1810年2月24日，卡文迪许于伦敦逝世，享年79岁。[7][8]
卡文迪许为发现水的元素组成和氢气的存在及其性质的科学家之一，用实验证明空气中存在惰性气体。[2][9]卡文迪许通过将碱溶解在酸中，发现二氧化碳的存在。[10]在物理方面，卡文迪许发现两个带电体的相互作用，先于欧姆发现导体两端的电势差与通过它的电流成正比，还研究了热现象。[11]用扭秤实验验证万有引力定律，并确定引力常数G为（6.754 +0.041）x10-8dyn·cm2/g2，[12]和地球的平均密度5.516g/cm3，[4][13]因此被称为“能称出地球质量的人”。[14]
早期经历
1731年10月10日，卡文迪许出生在法国尼斯。[3]卡文迪许的父亲查理·卡文迪许为英国公爵的后裔，[2]因卡文迪许的母亲身体体质原因，更加喜欢法国的气候，才搬到法国定居。在卡文迪许两岁时，他的母亲去世，正因为早年丧母，使得卡文迪许形成一种孤僻和羞怯的性格。[7]
科研生涯
1742-1748年，卡文迪许在伦敦附近的海克纳学校读书。1749-1753年间，卡文迪许在剑桥大学彼得学院学习，只因其在毕业前几天离开剑桥，便没有得到毕业文凭和学位。1753年，卡文迪许前往巴黎留学，主要研究物理学和数学。之后在伦敦定居，卡文迪许便在他父亲的实验室中当助手，之后进行大量的电学和化学研究。1760年，卡文迪许被选为英国皇家学会会员，1803年成为法国科学院的18名外籍会员之一。[3][7]
1766年，卡文迪许发表第一篇论文，表示所谓人工空气，指非弹性地含在其他物体里的任何气体，并可由人工方法提取，卡文迪许还因此获得皇家学会的科普利奖章。[15]1771年，卡文迪许发表一篇关于电学的论文，在初稿里，为表达电子气压力的状态引进“压缩”这个名词。虽然在发表的理论里他删去此措词，但他保留这样的看法：一个物体里的电子气类似于一个容器里受压缩的气体。这是卡文迪许理论的中心思想。电子气弹性流和气体弹性流也有本质差别。他证明电子气并不遵循牛顿的气体粒子的力学定律，即气体粒子的一次方反比定律。[5]
卡文迪许在弹性气体课题上，较为重要的成果为1784年发表的关于水由两种气体组成的论文，卡文迪许发现，易燃空气和普通空气点爆时，所有的易燃空气和五分之四光景[注1]的普通空气转变为露珠，而此种露珠为纯净的水，从而确定水不是一种元素而是化合物。[5]
从1784年开始，卡文迪许便开始发表关于天文学方面的论文。其中有四篇成果较小，它们涉及极光的高度、印度民历的制订、航海天文的计算以及圆形天文仪的分标。影响较大的一篇关于地球密度的测定，发表于1789年，那时卡文迪许将近七十岁。此项研究被称为卡文迪许实验，此实验使用一架灵敏度很高的扭秤来测算引力常数。[5]1803年，卡文迪许成为法国科学院的18名外籍会员之一。[3]
逝世
1810年2月24日，卡文迪许于伦敦逝世，享年79岁。[7][8]卡文迪许留下大笔遗产，其中一部分由他的家族在1871年捐赠给剑桥大学，剑桥大学用此笔钱建立卡文迪许实验室。[16]
可燃气体
卡文迪许在1766年发现，锌与硫酸反应会生成盐以及“可燃空气（氢气）”：，卡文迪许首次系统地研究了所产生的气体的特性，例如密度，并发现其与“火空气”[注2]燃烧形成水：H2O，之后卡文迪许在伦敦皇家学会哲学学报中发表此发现。[18]
卡文迪许仔细地鉴别几种人工空气的重量，他的工作和布莱克对固定空气（二氧化碳）的研究，都对当时认为自然界里只有一种单独空气的说法提出有力的异议。卡文迪许把钙溶于酸来产生固定气体，把金属溶于酸使易燃空气逸出，他又收集动物和植物腐烂发酵而产生的气体。他收集气体的方法为把一个注满水的瓶子（收集溶于水的固定空气时则注满汞）倒置在一盆水（或汞）中。从倒置的瓶中引出一根管子通到装有试剂的另一个瓶子里。收集到空气后，他观察它们的易燃性、溶水性和比重。他发现，固定空气比普通空气重1.57倍，易燃空气比普通空气轻11倍。卡文迪许指出，腐烂有机物质发出的混合气体含有一种较重的易燃空气。[15]
空气的组成
在证明水并非单独元素的论文中，卡文迪许还解释自己的其他发现：空气（无论在大气中任何地方采样，其成分保持不变）由大约一份氧比四份氮组成的。在实验中，通过电火花产生的“爆炸”对空气进行分解，得出发现：初始质量中始终存在约百分之一的残留物不能进一步加以分解。[6]
卡文迪许把一根玻璃管充满空气，再让一阵小型的人造闪电——电火花通过它，发现空气的两种成分：氧和氮，就在电的影响下互相化合，而产生一种窒息的新气体。到后面，管中的氮就几乎全部跟氧化合而生成一种窒息的气体，被碱溶液吸收掉。但有一个极小的氮气泡，一直留在玻璃管里。卡文迪许再三往玻璃管里再加氧，并放入电火花，都不再产生那窒息的气体。那个扁豆般大的小氮气泡，一直漂在溶液上面，怎样也不肯同氧化合。卡文迪许得出一条结论：空气里的氮不是单一的，当中约有1/120，跟主要部分的特质绝不一样。可见氮并不为单一的物质，而为两种物质的混合物。”[19]在同一连串实验中，卡文迪许通过在水中溶解氧化氮，还发现了硝酸。[6]
发现二氧化碳
1777年，卡文迪许发现哺乳动物呼出的空气会转化为“固定空气”（二氧化碳），而不是约瑟夫·普里斯特利预测的“炎性空气”。此外，卡文迪许通过将碱溶解在酸中，由此产生二氧化碳，并将其与其他气体一起收集在倒置在水或汞上的瓶子中。然后，他测量了它们在水中的溶解度和比重，并记录下它们的可燃性。[10]
发现惰性气体
水的组成
卡文迪许在弹性气体课题上较为重要的成果为1784年发表的关于水由两种气体组成的论文。沃尔蒂曾用电点燃封闭容器里普通空气和易燃空气的混合物，记录下损失的重量，认为重量损失为由不可忽略的逃逸的热量引起的。沃尔蒂和普里斯特利观察到了附着在容器内壁上的露珠，但普利斯特利忽视此一实验事实。卡文迪许便仔细地重复此实验，发现一种露珠，但并未发现重量损失。他便去寻找普通空气和易燃空气一起燃烧时普通空气减少的原因。随后终于发现，易燃空气和普通空气点爆时，所有的易燃空气和五分之四的普通空气转变为露珠，而此种露珠为纯净的水，从而确定水不是一种元素而是化合物。[5]
其他研究
1760年，卡文迪许被选入皇家学会，他最先的化学研究为关于三氧化二砷，卡文迪许通过砷酸盐制取和砷酸；同时他也研究了酒石酸盐，制得了酒石酸。但关于这两个研究的实验报告卡文迪许都只是身边的朋友知道，并未正式发表，一直到瑞典化学家卡尔·威廉·舍勒制得砷酸和酒石酸。[21]
电学研究
卡文迪许在实验中证明电子气并不遵循牛顿的气体粒子的力学定律，即气体粒子的一次方反比定律。因而卡文迪许的电学研究表明：与通常的信念相反，自然界里存在着必须用不同的力学定律来描述的弹性流。卡文迪许一开始便倾向于平方反比定律，他假定电子气的弹性粒子之间的作用相互排斥的，而它们与所有其他粒子之间的作用则是相互吸引的，其力随距离的某次方（小于3次方）成反比；根据对称性，所有其他物质的粒子之间的作用也相互排斥，而它们与电子气的粒子之间的作用则相互吸引，并遵循相同的力学定律。[5]
卡文迪许对电的研究直截了当地表达和部分证明了牛顿对未来自然哲学的设想。根据某些现象，卡文迪许导出两个粒子之间静电相吸和静电相斥的确切定律，并由此定律推知大量新的定量电现象。卡文迪许还在迈克尔·法拉第之前证实，电容器的电容取决于介于它的两板之间的物质。[5]
卡文迪许曾把49个莱顿瓶组成电容器组，发现含有321000“电时”的电容（约1/2微法）。还曾测其他几种物质的电容率，例如，他得出石蜡的电容率为1.81到2.47，而现代对石蜡的电容率的测得值为2.1。卡文迪许用实验揭示静电荷为分布在导体表面的性质，还用实验精确地验证点电荷之间的静电力跟距离的平方成反比的规律，并确认不会与此比率相差1/50以上。[22]
称量地球
1798年，卡文迪许设计出一台灵敏的扭秤，便以此进行扭秤实验，且推算出地球的质量为5.98×1024千克，约为60万亿亿吨，且推算出引力常数G为（6.754 +0.041）x10-8dyn·cm2/g2，[12]使万有引力定律不再为一种概念性的陈述，而为一条定量的适用于地面上一切物体的精确定律。[23]
卡文迪许将两边系有小金属球的6英尺木棒用金属线悬吊起来，这个木棒就像哑铃一样。再将两个350磅重的铅球放在相当近的地方，以产生足够的引力让哑铃转动，并扭转石英丝。然后用自制的仪器测量出微小的转动角。他测出万有引力恒量的参数，测量结果惊人的准确。卡文迪许用扭秤实验测定了引力常量，不仅用实验验证出万有引力定律的正确性，而且应用引力常量还可以测出地球的质量，卡文迪许也因此被称为“能称出地球质量的人”。[14]
导体
卡文迪许先于欧姆发现导体两端的电势差与通过它的电流成正比，并且此发现为卡文迪许在当时还无法测量电流强弱的条件下，用自己的身体作为一只测量电流的仪表得出此正确的结论的。卡文迪许当时用手指抓住电极的一尚，根据仅仅为手指，还为手指到手腕，或者为手指一直到肘关节都感到电振，从而估计出电流强弱。[11]
热现象
卡文迪许还研究热的现象，他用硫黄、炭和玻璃等做实验，发现给它们相同的热量，温度却不一样。从而他得出结论：各种物质加热到一定温度时，所需要的热量各不相同。此结论对后来发现比热定律有着重要意义。[11]
发表论文
| 时间 | 名称 |
| 1764年 | 《对特内里费发现的某些盐的研究》[24] |
| 1766年 | 《人造气体》[11] |
| 1771年 | 《电的研究》[25] |
| 1778年 | 《酸的一般考虑》[10] |
| 1783-1788年 | 《凝固温度》[25] |
| 1798年 | 《地球密度》[25] |
获得荣誉
| 时间 | 名称 | 授予单位 |
|---|---|---|
| 1760年 | 英国皇家学会会员（Fellow of the Royal Society ） | 英国皇家学会[3] |
| 1766年 | 科普利奖章（Copley Medal） | 皇家学会[15] |
| 1803年 | 法国科学院外籍会员（Foreign member of the French Academy of Sciences） | 法国科学院[3] |
人物评价
英国物理学家约翰·亨利·坡印亭（John Henry Poynting）曾在《地球》一书中评价卡文迪许：“卡文迪许实验开创了测量弱力的新时代。”[26]
英国化学家汉弗莱·戴维（Humphry Davy）曾评价卡文迪许：“他对于科学上的一切问题都有明晰而高深的见地，并且在讨论时所发表的意见异常精辟......他的名字将来比现在会更受人尊敬。在日常生活里，或在人们经常的讨论中，这位伟大科学家的名字当然不会提到的，但在科学史上他的光辉将和天地共存。”[27]
性格孤僻
卡文迪许善于抓紧时间，集中精力去学习。且由于长时间地读书学习，导致其性情孤僻、不善交际，为此，很多人称他为“科学怪人”。他不肯浪费点滴时间，一心都用在研究上。卡文迪许有一次在一位朋友家做客，席间有两位客人大赞他的才华和他在科学上的成就，卡文迪许充耳不闻，没有给出任何反应。当看到人们询问的目光时，他惊得手足无措，最后离开宴会，回到自己的实验室。[28]
卡文迪许不喜欢和女人接触，他觉得谈恋爱太浪费时间，所以一直都没有结婚。当时，卡文迪许家中有一位女仆负责他每天的饮食，他就将菜单写好放在餐桌上，等他离开之后，女仆才能够进来，按照菜单准备好饭菜。等女仆把饭菜摆放好离开，他才进来吃饭。女仆在他家工作很多年，卡文迪许都没有和她说话。[3]
专注研究
克拉法姆公地为卡文迪许喜欢常住的地方，后来还改为他的工作室和实验室，为便于随时都进行实验，他不仅把客厅改成实验室，并且在卧室里床边都安装许多实验仪器。他有大量线书，且十分珍惜自己的藏书，整理得井井有条。无论别人向他借阅，或自己在书架上取走一本书，都要严格办理登记手续。书从哪儿取下，必须归还原处。卡文迪许一生涉足社交的地方只有两处：第一处为英国皇家学会的的聚会，第二处为去参加班克斯爵士每星期日晚上宴请伦敦各科学家的宴会。[29]
卡文迪许对科学研究的全神贯注，已经达到一定的程度，并且连10000英镑为多大的金额他都好似已经忘记。一次，卡文迪许的仆人因为生病生活困难便向卡文迪许借钱，但是卡文迪许竟然开出一张10000英镑的支票递给仆人，给仆人之后还询问钱够不够用。[28]
不图名利
卡文迪许在1783年他父亲逝世时得到一大笔遗产，不久他的一位姑母逝世，又留给他一大笔遗产。自此，他便成为俾奥所说的“一切有学问的人当中最富有的；一切最富有的人当中最有学问的”。但卡文迪许一生所过的生活都很朴素，一心扑在科学研究上。卡文迪许总穿着过时的衣服，同往时英国绅士所穿的式样相仿。他为瘦长个子，戴着长长的假发，再带上有卷边的帽子，穿着灰绿色的大衣，颈戴高领，上衣套着有约花的袖口。[29]
后世纪念
19世纪中叶，英国物理学家开尔文勋爵在查阅皇家学会档案时，发现卡文迪许的许多手稿。后来，英国著名物理学家麦克斯韦花费他一生中最后的5年时间，整理卡文迪许留下的大量资料、实验记录和文稿，并于1879年出版了《尊敬的享利·卡文迪许的电学研究》一书，才使后人得以了解他的工作和成果。[16]
卡文迪许实验室即为剑桥大学的物理系，由电磁学之父詹姆斯克拉克·麦克斯韦于1871年创立，1874年建成实验室。为纪念伟大的物理学家、化学家、剑桥大学校友享利·卡文迪许而命名为卡文迪许实验室。剑桥大学时任校长威廉·卡文迪许（第7代德文郡公爵）为卡文迪许的亲属。麦克斯韦而后获聘为剑桥大学第一任卡文迪许物理教授。由于麦克斯韦的崇高地位和卡文迪许实验室的光辉历史，卡文迪许物理教授已成为如卢卡斯数学教授般备受尊敬且代代相传的荣誉头街。实验室的研究领域包括天体物理学、粒子物理学、固体物理学、生物物理学。卡文迪许实验室为近代科学史上第一个社会化和专业化的科学买验室，催生出大量足以影响人类进步的重要科学成果，包括发现电子、中子，发现原子核的结构，发现DNA的双螺旋结构等，为人类的科学发展做出举足轻重的贡献[30]
参考资料 30
- 参考 1
- 参考 2
- 参考 3
- 参考 4
- 参考 5
- 参考 6
- 参考 7
- 参考 8
- 参考 9
- The edge of objectivity; an essay in the history of scientific ideas — archive
- 参考 11
- 参考 12
- 参考 13
- 参考 14
- 参考 15
- 参考 16
- 参考 17
- 参考 18
- 参考 19
- noble gas — britannica
- Cavendish — google
- 参考 22
- 卡文迪什，H. — 中国大百科全书
- Cavendish — google
- 参考 25
- 参考 26
- 参考 27
- 参考 28
- 参考 29
- 参考 30
注释
- 表示时间或数量
- 氧气[17]