英國物理學(xué)家卡文迪許簡介
在卡文迪許漫長的一生中，他取得了一系列重大發(fā)現(xiàn)——其中，他是分離氫的第一人，把氫和氧化合成水的第一人。由于卡文迪許在化學(xué)領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)，后人稱他為“化學(xué)中的牛頓”。下面小編就帶大家一起來詳細(xì)了解下吧。
卡文迪許人物簡介
亨利·卡文迪許(Henry Cavendish，又譯成：亨利·卡文迪什，1731年10月10日 --- 1810年2月24日)，英國物理學(xué)家、化學(xué)家。在卡文迪許漫長的一生中，他取得了一系列重大發(fā)現(xiàn)——其中，他是分離氫的第一人，把氫和氧化合成水的第一人。由于卡文迪許在化學(xué)領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)，后人稱他為“化學(xué)中的牛頓”。他證明了水并非單質(zhì)，發(fā)現(xiàn)了庫侖定律和歐姆定律，完成了測量萬有引力常量的扭秤實驗，被認(rèn)為牛頓后英最偉大科學(xué)家之一。代表作品有《論人工空氣》、《卡文迪什的電學(xué)研究》等。
卡文迪許人物生平
在18世紀(jì)期間，英國的一些化學(xué)家，如布拉克以及普利斯特里等人，都是出身于中產(chǎn)階級的學(xué)者。
亨利.卡文迪許生于1731年10月10日，那時他的母親正在法國休養(yǎng)，所以他生在法國南部?？ㄎ牡显S的祖父和外祖父分別是德文郡公爵和肯特公爵。他是在牛頓病故四年后出生的，他讀過牛頓的全部著作，一生最佩服牛頓的學(xué)識和為人。
卡文迪許的父親是當(dāng)時有名的學(xué)者，所以，卡文迪許從小就得到父親的鼓勵，希望他在學(xué)術(shù)上能有所成就。11歲的時候，他被送到當(dāng)時著名的貴族中學(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，因為不贊成劍橋大學(xué)的宗教考試，所以沒取得任何學(xué)位，他離開了大學(xué)。
卡文迪許離開劍橋大學(xué)后，就跟父親旁聽英國皇家學(xué)會的會議，每個星期四中午，參加學(xué)會的聚餐。到了1760年他被選為皇家學(xué)會會員。這一頭銜的榮耀持續(xù)。在英國，凡是有FSR(皇家學(xué)會會員)頭銜的人，依然受到人們的尊敬。
在18世紀(jì)時，還沒有公家辦的實驗室。所以卡文迪許在自己家里裝備了一座規(guī)模相當(dāng)大的實驗室，他終身在自己家里做實驗工作。
他一生沒有結(jié)婚，過著獨身生活。曾經(jīng)有人說：“沒有一個活到80歲的人，一生講的話像卡文迪許那樣少的了?！?/p>
卡文迪許實驗室
卡文迪許實驗室是英國劍橋大學(xué)的物理實驗室。卡文迪許實驗室舊址入口實際上就是它的物理系。劍橋大學(xué)建于1209年，歷史悠久，與牛津大學(xué)同為英國的最高學(xué)府。劍橋大學(xué)的卡文迪許實驗室建于187l～1874年間，是當(dāng)時劍橋大學(xué)的一位校長威廉·卡文迪許私人捐款興建的。他是十八～十九世紀(jì)對物理學(xué)和化學(xué)做出過巨大貢獻(xiàn)的科學(xué)家亨利·卡文迪許的近親。這個實驗室就取名卡文迪許實驗室，當(dāng)時用了捐款8450英鎊，除去蓋成一棟實驗樓館，還買了一些儀器設(shè)備。
卡文迪許扭秤實驗
卡文迪許在物理學(xué)上最為人推崇的重大貢獻(xiàn)之一，是他在年近70歲時完成了測量萬有引力常量的扭秤實驗，從而使牛頓的萬有引力定律不再是一個比例性的陳述，而成為一項精確的定量規(guī)律，引力常量的測定也為牛頓的萬有引力定律的可靠性提供了最重要的實驗佐證。
17世紀(jì)時雖然牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律，給出了計算兩物體之間的萬有引力的數(shù)學(xué)公式：F=G(m1_m2)/r^2(其中F為萬有引力,G為引力常量,m1,m2分別為兩物體的質(zhì)量,r為兩物體的距離)
但牛頓卻沒有給出引力常量的具體值。雖然科學(xué)家一直努力想測出該值,但都沒有取得令人滿意結(jié)果,因為一般的物體之間萬有引力十分的小,所以萬有引力常數(shù)也很小(測量值約為6.673E-11m^3/(kg_s^2)) 。
而在卡文迪許完成他的實驗以前，天體的絕對質(zhì)量是不能精確地測定的，只能由行星的衛(wèi)星軌道來決定行星質(zhì)量的相對值。
版本一
1797年卡文迪許完成了對地球密度的精確測量。他使用的裝置是約翰·米切爾設(shè)計，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，卡文迪許將裝置安裝在一個不透風(fēng)的房間，自己則在室外用望遠(yuǎn)鏡觀測扭矩的變化。之后他向皇家學(xué)會提交報告，給出了目前看來仍然比較精確的地球密度值。這一測量被稱為開創(chuàng)了“弱力測量的新時代”。很多文章稱卡文迪許求出了萬有引力常量，實際上卡文迪許當(dāng)時只關(guān)心地球的密度，并沒有涉及其他。而采用卡文迪許的測量結(jié)果通過計算可以求出萬有引力常量和地球的質(zhì)量。
版本二
1798年，卡文迪許改進(jìn)了約翰·米歇爾所設(shè)計的扭秤，在其懸掛扭秤的金屬絲上附加一塊小平面鏡M，如圖2所示，實現(xiàn)了對金展絲扭轉(zhuǎn)角度的放大，利用望遠(yuǎn)鏡在室外遠(yuǎn)距離操縱和測量，防止了空氣的擾動(當(dāng)時還沒有真空設(shè)備)。他用一根39英寸的鍍銀銅絲吊一6英尺長的木桿，桿的兩端各固定一個直徑2英寸的小鉛球m，另用兩個直徑12英寸的固定著的大鉛球m’吸引它們，測出鉛球間引力引起的擺動周期，由此計算出兩個鉛球的引力，從而推算出萬有引力常量G的數(shù)值為6.754X1O-11N·m2/kg2。他的測定方法非常精巧，在八、九十年間竟無人能趕超他的測量精度，就是現(xiàn)在看來，卡文迪許的測量仍有相當(dāng)?shù)木_度(1979年G的測量值為6.6720XlO-11N·m2/kg2)?？ㄎ牡显S把自己的這個實驗稱做“測量地球的重量”，他通過測定的G值算出地球的平均密度為水密度的5.481倍(地球密度的現(xiàn)代數(shù)值為5.517g/cm3)，成為“稱量地球第一人”。
卡文迪許相關(guān)實驗
在卡文迪許的實驗中利用了一個扭秤，典型的設(shè)計可由一根石英纖維懸掛一根載有質(zhì)量為m1及m2的兩個小球的桿而組成，如圖3.6a所示。每個小球距石英纖維的距離L相等。當(dāng)一個小的可測量的扭矩加在這個系統(tǒng)上時，在石英絲上可以引起扭轉(zhuǎn)，記下這個扭轉(zhuǎn)值可以標(biāo)定扭秤。我們可以利用這個扭矩，它是由具有恒定的、作用力已知的彈簧在m2的位置上施加一個水平的力而組成。
如果質(zhì)量為M1及M2的兩個物體分別位于與質(zhì)量為m1及m2的兩個小球的水平距離很小的位置上，我們可以觀測到石英絲的旋轉(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的水平方向上的力，由此確立加石英纖。
從質(zhì)量M的測量所得的偏離，再根據(jù)上面所說到的，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。由于我們可以測量N，L，r1，r2以及所有不同物體的質(zhì)量，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，利用開普勒第三定律，方程(3.47)可以立即決定太陽的質(zhì)量。開普勒第三定律實際上是包含太陽及行星的總質(zhì)量M的，但是對不同行星進(jìn)行計算后，我們可以證實，太陽的質(zhì)量很接近于M，而行星的質(zhì)量僅約為～0.0013M⊙，在近似計算中可以忽略。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。
卡文迪許人物評價
卡文迪許公開發(fā)表的論文并不多，他沒有寫過一本書，在長長的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)容都是實驗性和觀察性的，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年的英國皇家學(xué)會的期刊上。
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)，用來指存在在某種物質(zhì)中，通過化學(xué)反應(yīng)可以釋放出來的氣體。如普利斯特里通過碳酸鹽與酸反應(yīng)生成的二氧化碳。在文章中卡文迪什在嚴(yán)格保持溫度和壓強條件的前提下，對當(dāng)時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，并首先研究出二氧化碳、氫氣等氣體的收集方法，較系統(tǒng)地研究了二氧化碳和氫氣的性質(zhì)。這篇文章使他獲得英國皇家學(xué)會的科普利獎?wù)隆?/p>
1767年，卡文迪許發(fā)表的論文介紹了他，關(guān)于水和固定空氣(二氧化碳)的實驗。
1773年，卡文迪許用兩個同心金屬球殼做實驗，發(fā)現(xiàn)了電荷間的作用規(guī)律，從而驗證了自己的之前的結(jié)論——卡文迪許之前曾圓滿解釋了電荷在導(dǎo)體表面分布并嚴(yán)格遵守距離平方反比律的原因。
1781年，卡文迪什采用鐵與稀硫酸反應(yīng)而首先制得“可燃空氣”(即氫氣)，隨后測定了它的密度，研究了它的性質(zhì)。他測出氫氣和氧氣化合成水時的體積之比為2.02：1，從而證明了水不是元素而是化合物。
在1783年他研究了空氣的組成成分，做了很多試驗，發(fā)表的論文的題目是“空氣試驗”。也就是這個時候，他發(fā)現(xiàn)水是由氫和氧兩種元素組成的。他還發(fā)現(xiàn)了硝酸。
還有一部分是關(guān)于液態(tài)物質(zhì)凝固點的研究，發(fā)表于1783年到1788年。
1797年，卡文迪許最后的一項研究十分著名的，是關(guān)于地球平均密度的問題。他在改良約翰·米切爾設(shè)計之后，通過實驗測量了地球平均密度?？ㄎ牡显S提出的數(shù)字是5.448克/厘米，公認(rèn)的是5.48克/厘米。這說明當(dāng)時試驗已經(jīng)相當(dāng)準(zhǔn)確。這項實驗同時實驗驗證了牛頓的萬有引力定律，確定了引力常數(shù)，被后人稱為“卡文迪許實驗”。
卡文迪許在熱學(xué)理論、計溫學(xué)、氣象學(xué)、大地磁學(xué)等方面都有研究。1798年他完成最后的實驗時，已年近七十。
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)家麥克斯韋教授整理后在1879年出版，化學(xué)和力學(xué)部分是由愛德華.普索于1921年主編出版的。
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