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title: "多出来的一点重量，让氩露了面"
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last_modified: "2026-10-24"
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[从气体追问原子](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/#gases)

热 · 偶然 · 集体行为

# 多出来的一点重量，让氩露了面

称氮气的重量，怎么会找到空气中的另一种气体？

Sandbox Physics · 2026-10-24

诺奖贡献：1904-1

## 同样叫氮气，重量却对不上

十九世纪九十年代初，Rayleigh 正认真地给气体称重。一个小麻烦反复出现：从空气里留下的氮气，总比从化合物制出的氮气重一点，差别大约半个百分点。后来他和化学家 William Ramsay 发现，多出来的重量来自另一种气体，氩。空气里藏着一个尚未认出的成员。

称气体看似简单，把玻璃球抽空，装入气体，再称一次就行。可气体的温度高一点、压强低一点，同一只球里装下的质量就会变；称量时，周围空气还会给玻璃球向上的浮力。Rayleigh 在天平另一端放上一只外部体积相近、始终密闭的球，让空气密度变化尽量同时影响两端。先把这些日常扰动压下去，那一点差别才看得清。

来源：[2] [1]

## 换一种制法，差别反而变大了

一路从普通空气出发，除去氧气，留下当时所谓的氮气；另一路用氨等化合物提供氮。早先某种制法混用了这两种来源，差别还不显眼。Rayleigh 索性让收集到的氮全部来自化合物，重量差立刻变大。

他在 1895 年的报告中列出，同一只球在实验规定条件下，空气来源的氮气平均重约 2.3102 克，化学制备的氮气约 2.2990 克，相差约十一毫克。玻璃球本身重得多，可这十一毫克每次都朝同一个方向偏，值得追下去。

化学制备时会不会混进一点很轻的氢？他换了几种反应来试。会不会有部分氮分子拆开，气体才显得轻？他把气体放上几个月，再恢复原来的温度和压强装球称量，密度依然如此。原因逐渐指向另一边：空气里那份“氮气”，可能混着较重的东西。

来源：[1]

## 氮气除尽后，还有一点不肯走

Rayleigh 翻出 Cavendish 在 1785 年做过的实验。电火花能让氮和氧化合，生成的氮氧化物再被碱液吸收。氮气越耗越少，原先混在里面、不参加这种反应的气体便慢慢浓缩。

Ramsay 走另一条路：让氮气经过灼热的镁，氮被镁吸收，也会剩下一小团气体。两个办法得到同样的重气体，而且它很难与别的物质化合。若只是某一路装置漏进来的杂质，换一种完全不同的除氮方法，就很难仍有同样的结果。

把剩余气体放在放电管里，它还会发出独特的亮线。光谱为认出它添了一条线索。先称出异常，再把气体分离出来，最后比较性质，氩才逐渐有了清楚的身份。

来源：[2] [3]

## 一点重气体，解释了多出的重量

氩在空气中只占大约百分之一，却比氮气密得多。给氮气混进这一点较重的气体，平均密度就足以抬高原先看到的那一点。分离出来的实物，终于解释了天平上最初的异常。

少量也意味着难收集。想得到一小瓶氩，先要耗掉远多于它的氮气。原本只在平均值中露头的差别，就这样被一点点浓缩成可以单独检查的样品。

来源：[1] [2]

## 一个发现，通向两项诺奖

两人在 1894 年宣布发现氩，随后发表更完整的研究。1904 年，Rayleigh 因气体密度研究及氩的发现获得物理学奖；Ramsay 因发现惰性气体元素并确定它们在周期表中的位置，获得化学奖。奖项分属两个领域，实验中的工作始终紧密相连。

装气体的瓶子可以贴着同一个名字，里面却未必完全一样。半个百分点的差别一旦能稳定重现，“这瓶气体究竟怎么来的”就成了值得认真追问的问题。那份多出来的重量，一直来自我们每天呼吸的空气。

来源：[4] [5]

接着探索物理

## 动手试相关模型

### [看温度与体积怎样改变气体](https://sandboxphysics.com/zh/labs/ideal-gas/)

先保持温度压缩气体，再改变温度。

粒子碰撞模型展示气体压强，帮助理解称量时为何要统一温度和压强。

## 来源与阅读说明

1. [Rayleigh, Argon, Royal Institution Proceedings 14, 524–538 (1895)](https://webserver.lemoyne.edu/~giunta/EA/RAYLEIGHann.html)

   读同一玻璃球的质量表、化学氮的检验，以及两种除氮方法。

2. [Rayleigh, The Density of Gases in the Air and the Discovery of Argon (Nobel lecture, 1904)](https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/strutt-lecture.pdf)

   先看配重玻璃球怎样减少浮力影响，再追踪密度异常如何通向氩的分离。

3. [Rayleigh, The Physical Properties of Argon, Nature 52, 293 (1895)](https://doi.org/10.1038/052293a0)

   比较氩的制备方法与确认其性质的物理检验。

4. [The Nobel Prize in Physics 1904](https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1904/summary/)

   用授奖理由确认 Rayleigh 的获奖范围与年份。

5. [The Nobel Prize in Chemistry 1904](https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1904/summary/)

   把 Ramsay 的化学奖授奖理由与 Rayleigh 的物理奖理由对照。

[热、偶然与集体行为](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/) [气体怎样变成液体，又怎样失去分界](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/van-der-waals-critical-point/) [Perrin 数着那些迟迟不沉底的小颗粒](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/perrin-sedimentation/) [Bridgman 怎样把物质压进新的世界](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/bridgman-high-pressure/)