亨利·卡文迪許 - 簡(jiǎn)介

亨利?卡文迪許（Henry Cavendish，又譯亨利·卡文迪什，1731年10月10日—1810年2月24日），18世紀(jì)英國(guó)物理學(xué)家、化學(xué)家。他首次對(duì)氫氣的性質(zhì)進(jìn)行了細(xì)致的研究，證明了水并非單質(zhì)，預(yù)言了空氣中稀有氣體的存在。發(fā)現(xiàn)了庫(kù)侖定律和歐姆定律，將電勢(shì)概念廣泛應(yīng)用于電學(xué)，并精確測(cè)量了地球的密度，被認(rèn)為是牛頓之后英國(guó)最偉大的科學(xué)家之一。

亨利.卡文迪許是百萬(wàn)富翁。他一生從事于化學(xué)和物理學(xué)的研究。他發(fā)現(xiàn)了很多前人不知道的事物。亨利生性怪癖，沉默寡言，曾經(jīng)有科學(xué)史家說(shuō)：“他是有學(xué)問(wèn)的人當(dāng)中最富有的，也是富人當(dāng)中最有學(xué)問(wèn)的�！�

亨利·卡文迪許 - 生平

亨利.卡文迪許生于1731年10月10日，那時(shí)他的母親正在法國(guó)休養(yǎng)，所以他生在法國(guó)南部。他是在牛頓病故四年后出生的，他讀過(guò)牛頓的全部著作，一生最佩服牛頓的學(xué)識(shí)和為人。

卡文迪許的父親是當(dāng)時(shí)有名的學(xué)者，所以，卡文迪許從小就得到父親的鼓勵(lì)，希望他在學(xué)術(shù)上能有所成就。11歲的時(shí)候，他被送到當(dāng)時(shí)著名的貴族中學(xué)學(xué)習(xí)了8年之久。

到1749年，他18歲，進(jìn)了劍橋大學(xué)，一直到1753年，他22歲，因?yàn)椴毁澇蓜�橋大學(xué)的宗教考試，所以沒(méi)取得任何學(xué)位，他離開(kāi)了大學(xué)，在18世紀(jì)時(shí)，還沒(méi)有公家辦的實(shí)驗(yàn)室�？ㄎ牡显S在自己家里裝備了一座規(guī)模相當(dāng)大的實(shí)驗(yàn)室，他終身在自己家里做實(shí)驗(yàn)工作。他一生沒(méi)有結(jié)婚，過(guò)著獨(dú)身生活。

亨利·卡文迪許 - 學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)

卡文迪許公開(kāi)發(fā)表的論文并不多，他沒(méi)有寫(xiě)過(guò)一本書(shū)，在長(zhǎng)長(zhǎng)的50年中，發(fā)表的論文也只有18篇。除了一篇在1771年發(fā)表的論文是理論性的以外，其余的論文內(nèi)容都是實(shí)驗(yàn)性和觀察性的，大部分是關(guān)于水槽化學(xué)方面的，先后發(fā)表在1766年到1788年的英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的期刊上。

又有一部分是關(guān)于液態(tài)物質(zhì)凝固點(diǎn)的研究，發(fā)表于1783年到1788年。還有一部分是有關(guān)地球平均密度的研究，發(fā)表于1798年。在他逝世以后，人們發(fā)現(xiàn)他有大量文稿，一直藏著未經(jīng)公開(kāi)發(fā)表。這部分未發(fā)表的論文相當(dāng)多，電學(xué)部分由19世紀(jì)的大物理學(xué)家馬克斯維爾門(mén)教授整理后在1879年出版，化學(xué)和力學(xué)部分是由愛(ài)德華.普索于1921年主編出版的。

1784年左右他研究了空氣的組成，他還發(fā)現(xiàn)了硝酸。

卡文迪許在熱學(xué)理論、計(jì)溫學(xué)、氣象學(xué)、大地磁學(xué)等方面都有研究。1798年他完成最后的實(shí)驗(yàn)時(shí)，已年近七十。在物理學(xué)上他最主要的成就是通過(guò)扭秤實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了牛頓的萬(wàn)有引力定律，確定了引力常數(shù)和地球平均密度。

卡文迪許驗(yàn)證萬(wàn)有引力定律的實(shí)驗(yàn)采用自己設(shè)計(jì)的“扭秤”為工具，后人稱(chēng)為著名的“卡文迪許實(shí)驗(yàn)”。

曾經(jīng)有人說(shuō)：“沒(méi)有一個(gè)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(xué)史》書(shū)上，曾舉出卡文迪許最怕交際的一件事例。有一天一位英國(guó)科學(xué)家攜同一位奧地利科學(xué)家到班克斯爵士的家里做客，正巧卡文迪許也在座。班克斯便介紹他們相識(shí)。在互相介紹時(shí)，班克斯曾對(duì)這位遠(yuǎn)客盛贊卡文迪許，而這位初見(jiàn)面的客人更是對(duì)卡文迪許說(shuō)出非常敬仰他的話，并說(shuō)這次來(lái)倫敦的最大收獲，就是專(zhuān)程拜訪這位名震一時(shí)的大科學(xué)家。

卡文迪許聽(tīng)到這話，起初大為忸怩，最后完全手足無(wú)措，便從人叢中沖出了室外，坐上他的馬車(chē)趕回家去了。從這段記載可以看出卡文迪許為人性格孤僻�？ㄎ牡显S離開(kāi)劍橋大學(xué)后，就跟父親旁聽(tīng)英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的會(huì)議，每個(gè)星期四中午，參加學(xué)會(huì)的聚餐。到了1760年他被選為皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。一直到現(xiàn)在，在英國(guó)，凡是有FSR(皇家學(xué)會(huì)會(huì)員）頭銜的人，還是受到人們的尊敬。

接下來(lái)他在1783年研究了空氣的組成成分，做了很多試驗(yàn)，發(fā)表的論文的題目是“空氣試驗(yàn)”。也就是這個(gè)時(shí)候，他發(fā)現(xiàn)水是由氫和氧兩種元素組成的。

卡文迪許最后的一項(xiàng)研究，是關(guān)于地球平均密度的問(wèn)題。他提出的數(shù)字是5.448克/厘米，現(xiàn)在公認(rèn)的是5.48克/厘米。這說(shuō)明當(dāng)時(shí)試驗(yàn)已經(jīng)相當(dāng)準(zhǔn)確。他還有一項(xiàng)工作，是過(guò)了100年以后，才得到承認(rèn)的，那就是關(guān)于稀有元素的存在問(wèn)題。

 

亨利·卡文迪許 - 學(xué)業(yè)

卡文迪什家族是一個(gè)歷史很悠久的英國(guó)貴族家庭。1731年查爾斯·卡文迪什和他妻子，肯特公爵的女兒安妮在尼斯療養(yǎng)，10月亨利·卡文迪什在尼斯誕生�？ㄎ牡鲜矎男〗邮芰己玫募彝ソ逃�，11歲進(jìn)入很有名的海克雷學(xué)院。1749年11月進(jìn)入劍橋大學(xué)的圣彼得學(xué)院，但因不滿(mǎn)當(dāng)時(shí)劍橋刻板的學(xué)習(xí)和學(xué)位制度而于1753年2月退學(xué)，查爾斯卡文迪什對(duì)兒子退學(xué)而沒(méi)有獲得應(yīng)得的學(xué)位而憤怒，并決定每年只給他120鎊的零用錢(qián)�？ㄎ牡鲜苍跉W洲大陸旅行一段時(shí)間后即定居倫敦，自己購(gòu)買(mǎi)書(shū)籍和實(shí)驗(yàn)儀器，開(kāi)始了他長(zhǎng)達(dá)50余年的科學(xué)探索。

 

亨利·卡文迪許 - 化學(xué)研究

卡文迪什在1766年發(fā)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(chuàng)，用來(lái)指存在在某種物質(zhì)中，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)可以釋放出來(lái)的氣體。如普利斯特里通過(guò)碳酸鹽與酸反應(yīng)生成的二氧化碳。在文章中卡文迪什在嚴(yán)格保持溫度和壓強(qiáng)條件的前提下，對(duì)當(dāng)時(shí)已知的各種氣體的物理性質(zhì)，特別是密度進(jìn)行了嚴(yán)謹(jǐn)而細(xì)致的研究，這篇文章使他獲得英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的科普利獎(jiǎng)?wù)隆?/p>

卡文迪什于1781年采用鐵與稀硫酸反應(yīng)而首先制得“可燃空氣”（即氫氣）他使用了排水集氣法并對(duì)產(chǎn)生的氣體進(jìn)行了多步干燥和純化處理。隨后他測(cè)定了它的密度，研究了它的性質(zhì)。他使用燃素說(shuō)來(lái)解釋?zhuān)�認(rèn)為在酸和鐵的反應(yīng)中，酸中的燃素被釋放出來(lái)，形成了純的燃素－“可燃空氣”。之后當(dāng)他得知普里斯特利發(fā)現(xiàn)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(fā)反應(yīng)，得出這樣的結(jié)果“在不斷的實(shí)驗(yàn)之后，我發(fā)現(xiàn)可燃空氣可以消耗掉大約1/5的空氣，在反應(yīng)容器上有水滴出現(xiàn)。”隨后卡文迪什繼續(xù)研究氫氣和氧氣反應(yīng)時(shí)的體積比，得出了2.02:1的結(jié)論。對(duì)于氫氣在氧氣中燃燒可以生成水這一點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)權(quán)，當(dāng)時(shí)曾引起了爭(zhēng)論。因?yàn)槠绽锼固乩�，瓦特，卡文迪什都作過(guò)類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)。1785年瓦特被選為皇家學(xué)會(huì)會(huì)員，爭(zhēng)論以當(dāng)事人的和解而告終。

卡文迪什敏銳地注到了，生成的水中有少量的硝酸存在。他認(rèn)為這是反應(yīng)用的氧氣中含有新物質(zhì)（主要是氮?dú)猓┑脑�因�?785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?dú)饣�合，然后用氫氧化鈉溶液來(lái)吸收生成的氮氧化物，發(fā)現(xiàn)空氣中殘留下一小部分，大約1/120，無(wú)法與氧氣反應(yīng)生成化合物被氫氧化鈉吸收。經(jīng)過(guò)幾百次的實(shí)驗(yàn)和分析，他得出在今天看來(lái)都很精確的結(jié)論，空氣中有20.833%的體積是脫燃素空氣（現(xiàn)在測(cè)量值是氧氣占20.95%）和79.167%的燃素空氣，在燃素空氣中有空氣總體積的1/120的不易和其他氣體反應(yīng)的濁氣。一直到1894年瑞利和拉姆賽發(fā)現(xiàn)稀有氣體氬，才證實(shí)了卡文迪什的推測(cè)。在拉瓦錫提出氧化說(shuō)，卡文迪什贊成氧化說(shuō)的簡(jiǎn)潔，認(rèn)為這有利化學(xué)的發(fā)展，但也不愿輕易放棄自己一直采用的燃素說(shuō)，隨后他將自己的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了物理學(xué)領(lǐng)域。

 

亨利·卡文迪許 - 物理研究

卡文迪什在室外用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)扭秤卡文迪什在電學(xué)上進(jìn)行了大量重要而不為人知的研究。他在1777年向皇家學(xué)會(huì)提交論文，認(rèn)為電荷之間的作用力可能呈現(xiàn)與距離的平方成反比的關(guān)系，后來(lái)被庫(kù)侖通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，成為庫(kù)侖定律。他和法拉第共同主張電容器的電容會(huì)隨著極板間的介質(zhì)不同而變化,提出了介電常數(shù)的概念，并推導(dǎo)出平板電容器的公式。他第一個(gè)將電勢(shì)概念大量應(yīng)用對(duì)電學(xué)現(xiàn)象的解釋中。并通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，提出了電勢(shì)與電流成正比的關(guān)系，這一關(guān)系1827年被歐姆重新發(fā)現(xiàn)，即歐姆定律�？ㄎ牡鲜矊�(duì)電學(xué)的研究基本都沒(méi)有發(fā)表，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋的最后五年致力于對(duì)卡文迪什個(gè)人實(shí)驗(yàn)記錄的整理，于1879年出版了麥克斯韋注釋的《卡文迪什的電學(xué)研究》 ，卡文迪什在電學(xué)上成果才使世人知曉。

1797年卡文迪什完成了對(duì)地球密度的精確測(cè)量。他使用的裝置是約翰·米切爾設(shè)計(jì)，但米切爾本人不久去世，將裝置遺留給了沃拉斯頓，后被轉(zhuǎn)送給卡文迪什。裝置是由兩個(gè)重達(dá)350磅的鉛球和扭秤系統(tǒng)組成。為了消除氣流干擾，卡文迪什將裝置安裝在一個(gè)不透風(fēng)的房間，自己則在室外用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)扭矩的變化。之后他向皇家學(xué)會(huì)提交報(bào)告，給出了目前看來(lái)仍然比較精確的地球密度值。這一測(cè)量被稱(chēng)為開(kāi)創(chuàng)了“弱力測(cè)量的新時(shí)代”。很多文章稱(chēng)卡文迪什求出了萬(wàn)有引力常量，實(shí)際上卡文迪什當(dāng)時(shí)只關(guān)心地球的密度，并沒(méi)有涉及其他。而采用卡文迪什的測(cè)量結(jié)果通過(guò)計(jì)算可以求出萬(wàn)有引力常量和地球的質(zhì)量。

 

亨利·卡文迪許 - 相關(guān)實(shí)驗(yàn)

十八世紀(jì)后期，在牛頓第一個(gè)指出行星的運(yùn)動(dòng)是怎樣依賴(lài)于太陽(yáng)質(zhì)量之后一百多年，一位英國(guó)物理學(xué)家、化學(xué)家卡文迪許（1731～1810）發(fā)現(xiàn)測(cè)量引力常數(shù)G的方法。在卡文迪許完成他的實(shí)驗(yàn)以前，天體的絕對(duì)質(zhì)量是不能精確地測(cè)定的，只能由行星的衛(wèi)星軌道來(lái)決定行星質(zhì)量的相對(duì)值。

在卡文迪許的實(shí)驗(yàn)中利用了一個(gè)扭秤，典型的設(shè)計(jì)可由一根石英纖維懸掛一根載有質(zhì)量為m1及m2的兩個(gè)小球的桿而組成，如圖3.6a所示。每個(gè)小球距石英纖維的距離L相等。當(dāng)一個(gè)小的可測(cè)量的扭矩加在這個(gè)系統(tǒng)上時(shí)，在石英絲上可以引起扭轉(zhuǎn)，記下這個(gè)扭轉(zhuǎn)值可以標(biāo)定扭秤。我們可以利用這個(gè)扭矩，它是由具有恒定的、作用力已知的彈簧在m2的位置上施加一個(gè)水平的力而組成。

如果質(zhì)量為M1及M2的兩個(gè)物體分別位于與質(zhì)量為m1及m2的兩個(gè)小球的水平距離很小的位置上，我們可以觀測(cè)到石英絲的旋轉(zhuǎn)，如圖3.6b所示。我們可以分別決定m1與M1以及m2與M2的距離r1及r2，然后求施加在桿的端點(diǎn)的水平方向上的力，由此確立加石英纖。

從質(zhì)量M的測(cè)量所得的偏離，再根據(jù)上面所說(shuō)到的，由石英絲旋轉(zhuǎn)大小而取得的扭秤的標(biāo)定，我們可以決定N之值。由于我們可以測(cè)量N，L，r1，r2以及所有不同物體的質(zhì)量，現(xiàn)在在方程(3.48)中除了G以外，所有量都是已知的，于是可從方程(3.48)直接決定G，其值為G=6.7×10^(-8)達(dá)因·厘米2·克-2。(A^B表示A的B次方)

一旦G的值已知，利用開(kāi)普勒第三定律，方程(3.47)可以立即決定太陽(yáng)的質(zhì)量。開(kāi)普勒第三定律實(shí)際上是包含太陽(yáng)及行星的總質(zhì)量M的，但是對(duì)不同行星進(jìn)行計(jì)算后，我們可以證實(shí)，太陽(yáng)的質(zhì)量很接近于M，而行星的質(zhì)量?jī)H約為～0.0013M⊙，在近似計(jì)算中可以忽略。利用已知的月球軌道及相似的方法，可以導(dǎo)得地球的近似的質(zhì)量。

 

亨利·卡文迪許 - 相關(guān)軼事

身著天鵝絨大衣的卡文迪什，大衛(wèi)·亞力山大畫(huà)，據(jù)說(shuō)為作家暗中偷畫(huà)的卡文迪什沉默寡言，不善交際，對(duì)于卡文迪什的生平主要來(lái)源于物理學(xué)家漢弗萊·戴維和其他一些朋友的記載，同時(shí)也流傳著不少傳說(shuō)。據(jù)記載，卡文迪什長(zhǎng)年穿著一件褪色的天鵝絨大衣，戴當(dāng)時(shí)已經(jīng)少見(jiàn)的三角帽，性格獨(dú)特，說(shuō)話顯得猶豫和困難，而面對(duì)女士和陌生人會(huì)很羞澀而避免和他們說(shuō)話。他非常喜歡獨(dú)自沉思，甚至很少和自己的仆人見(jiàn)面，一般只會(huì)在桌子上留下字條說(shuō)明自己晚餐要吃什么，常常是“一只羊腿”。卡文迪什終生未婚，唯一的社會(huì)活動(dòng)就是參加皇家學(xué)會(huì)俱樂(lè)部的兩周一次的會(huì)議。他對(duì)沒(méi)有研究透徹的東西從不發(fā)表，所以盡管他一生只提交過(guò)不足20篇論文，卻獲得了皇家學(xué)會(huì)成員的一致尊重。

由于其家庭地位和父母留給他的大量財(cái)產(chǎn)，使得他曾是倫敦銀行的最大儲(chǔ)戶(hù)，但他心思專(zhuān)注在科學(xué)研究中,對(duì)于財(cái)產(chǎn)，他幾十年都只讓投資顧問(wèn)買(mǎi)一種股票，不論漲跌。他的一名投資顧問(wèn)希望建議他向另一股票投資，卡文迪什以平生罕見(jiàn)的大怒的告知對(duì)方：“不要拿這些事情來(lái)煩我，否則我就解雇你”。有位法國(guó)科學(xué)家曾說(shuō)“卡文迪什是最有學(xué)問(wèn)的人中最富有的，也許是最富有的人中最有學(xué)問(wèn)的。