里查茲是美國著名的化學家。他一生在化學發(fā)展中的主要貢獻是重新精確地測定了元素原子量。由于這項工作，他榮獲了1914年諾貝爾化學獎。“他是獲得這種榮譽的第一位美國化學家，因而在美國享有根高的聲望。”
科學的背景
道爾頓在他的原子論中明確指出：每一種元素以其原子的質量為其最基本的特征。在19世紀上半葉，許多化學家都投入原子量的測定工作，他們把它當作化學發(fā)展中的一項重點“基本建設”。
在從事測定原子量工作的化學家中，瑞典化學家貝采里烏斯的工作是最突出的；在1310一1830年的大約20年問，在簡陋的實驗室中，他對大約2千多種單質和化合物進行了準確的分析，為計算原子量提供了豐富的實驗資料。鑒于氧化物的廣泛存在，貝采里烏斯決定把氧的原子量作為基準，規(guī)定它的原子量為100。1814年他發(fā)表了列出41種元素的原子量表， 1818年被列入的元素增加到47種。由于貝采里烏斯沒有理解和接受阿佛加德羅的分子理論，致使他假設的一些氧化物的化學式出現(xiàn)錯誤，因此很多元素的原子量都有誤差，有的甚至高出一倍或幾倍。1819年法國科學家杜隆和培蒂發(fā)現(xiàn)的原子熱容定律， 1819年貝采里烏斯的德國學生米希爾里希發(fā)現(xiàn)的同晶定律，都曾被用來修正貝采里烏斯的原子量表。盡管貝采里烏斯這樣一些有豐富經(jīng)驗的化學家作了很大的努力，不承認分子理論所造成的原子量的測定上和化學式的表示上的混亂仍然無法消除，貝采里烏斯的原子量系統(tǒng)在1830一1840年間還遭到了懷疑原子學說的科學家的多方攻擊。
1860年在德國卡爾斯魯厄的國際化學家會議上，康尼查羅的工作終于使原子——分子論得以確立。消除了化學理論上的許多疑問和爭論，混亂的局面得以改善，原子量的測定工作也取得了較大的發(fā)展。不僅絕大多數(shù)元素的原子量能準確地測定出來，而且精確度也有較大提高。其中以比利時化學家斯塔的工作最為出色。他首先想方設法制備出最純狀態(tài)的化合物，通過分析和合成，確定元素的化合比，然后再推算出原子量。他材定了測定原子量的非常準確的方法，大量的實驗資料使他確定的原子量在精確性上遠遠超過了前輩和當時的其他化學家，他的原子量測定值一直被人們認為是最準確的，以至于直到1903年沒有一個化學家對這些原子量提出過懷疑，更沒有人試圖用新的實驗方法去檢驗它。在20世紀，第一個敢于對斯塔的原子量系統(tǒng)進行驗定和修正的是美國年輕的化學家里查茲。
原子量的修正
偉大的物理學家愛因斯坦曾明確他說：“提出一個問題往往比解決一個問題更重要，因為解決問題也許僅是一個數(shù)學上或實驗上的技能而已，而提出新的問題、新的可能性，從新的角度去看舊的問題，卻需要有創(chuàng)造性的想象力，而且標志著科學的真正進步。”發(fā)現(xiàn)問題、提出問題在學習和科學研究中是很重要的。
1887年，不滿20歲的里查茲從哈佛大學畢業(yè)。他來到他家的老朋友、哈佛大學化學教授庫克所領導的實驗室從事化學研究。他選擇的第一個課題是驗證普勞特假說。所謂普勞特假說即是1815年由英國醫(yī)生普勞特提出來的，認為所有元素的原子量均為氫原子量的整數(shù)倍，氫是原始物質。眾多的實驗事實表明許多元素的原子量并非氫原子量的整數(shù)倍，因而化學家們都沒有接受這一假說。當門捷列夫發(fā)現(xiàn)了元素周期律后，它所揭示的元素之間存在的內(nèi)在聯(lián)系又使化學家們感到各種不同元素的原子可能存在某種共同的東西，它們可能來自同一根源或者由同一基本物質單位所組成。這一思潮再次使普勞特假說受到重視。斯塔最初幾乎完全相信普勞特假說是正確的，但是通過精確測定卻表明原子量實際上并非整數(shù)，其中有些偏差相當大，例如C1＝35．46。于是斯塔得出給論：普勞特假說只不過是一種假想，是一種肯定與實驗矛盾的純粹假想。
19世紀末，調(diào)射線、放射性和電子的發(fā)現(xiàn)，揭開了物理學革命的序幕，也使許多科學家開始悟到原子是可分的，原子存在著復雜的內(nèi)部結構。在這種情況下，里查茲檢驗普勞特假說是有特殊意義的。為了測得氫和氧的相對重量，首先要精確地測定水的成分。經(jīng)反復實驗，他得到的氫和氧的原子量比例為1：15．96，再次證明普勞特假說不能成立。
在精確地測定氫和氧的原子量比值之后，里查茲致力于幾種金屬元素原子量的測定。在這些實驗中，他有三點收獲。他從不同地方得到的銅，它們具有完全相同的原子量，說明各地的銅都具有相同的性質。他測定了鐳和鎳的原子量，雖然在周期表中鉆排在鎳的前面，但鉆的原子量確實大于鎳。再次證實周期表中確實存在這一個疑問。第二點收獲是他大大地改進了重量法測定原子量的技術。具體他說就是他發(fā)展了兩種重要的實驗方法，一是設計了一種裝置，可以用它變換所稱量的樣品而又避免樣品與潮濕的空氣接觸；另一方法是研制出散射濁度計，用這種儀器可以測量或比較懸浮體的散射光，由此計算出試樣溶液的沉淀量。里查茲的第三個收獲，也是他最大的收獲是根據(jù)他的測量，1903年已察覺到斯塔的原子量數(shù)值并非像以前設想的那么精確。里查茲的大部分化學分析都是利用了鹵化銀將某一金屬元素變成鹵鹽沉淀下來而進行的。1904年，通過他和他的學他還被授予英國皇家學會的戴維獎章、英國化學會的法拉第獎章、美國化學會的吉布斯獎章。
認真·精確·耐心
許多人都沒有料到，這樣一個杰出的化學家，主要是通過自學和家庭教育而成才的6里查茲的父親是個畫家，母親是個作家兼詩人。由于他母親的主張，他是在家中完成的小學和中學教育。他14歲上大學后，對化學這門課程產(chǎn)生偏愛。1886年畢業(yè)于哈佛大學。1888年獲得博士學位。在長期的自學中，他體會到：認真、精確和有耐心是他取得成功的重要因素。
大學畢業(yè)后，他一直在大學任教。由于他的才干，他提升得很快，1901年就彼聘為哈佛大學的化學教授。他一方面教學，另一方面從事研究。可能由于數(shù)學沒學好，他在講課中盡量回避數(shù)學問題。他還有個補救辦法，那就是利用他那豐富的歷史知識，他經(jīng)常從科學史的角度給學生授課，從而使他開的課內(nèi)容豐富，生動活潑，非常吸引人。他的學生科南特就是根據(jù)他講課所記下的筆記，經(jīng)整理寫出了一本很有名氣的著作《科學史導言》。
由于他的淵博知識，也因為他出眾的實驗技巧，他在哈佛大學組織的一個科研組織，被外人尊稱為物理和分析化學的“麥加”。在這里，他培養(yǎng)了一大批后來在美國化學界嶄露頭角的著名化學家。因此在美國的化學史上，他是繼普利斯特列之后，最出色的化學家。生對鹵化銀的反復測定，證明銀的原子量是107．87，而不是斯塔的107。93。致1905年，他進而發(fā)現(xiàn)了斯塔的經(jīng)典研究中的一系列錯誤，同時也找到了斯塔研究中的錯誤根源。
斯塔的錯誤在于兩個方面。斯塔名義上取氧的原子量＝16．00為標準，實際上他的測定值大多數(shù)是基于銀的原子量，所以銀的原子量的微小偏差也必然對其它元素原子量數(shù)值產(chǎn)生影響。另一方面，斯塔在測定中，還忽略了一些微小卻又重要的因素，例如氯化銀的溶解性，這又影響了原子量數(shù)值的精確度。在找到斯塔測定工作的錯誤后，里查茲領導著一個小組開始重新測定一些主要元素的原子量，例如氮、氯、鈉、鉀等25種元素。里查茲的工作使那些已公認的原子量得到了有意義的修正、雖然這些修正在數(shù)值上并不大，但是在化學研究中卻是不可忽視的。里查茲的學生也修正了其他30多種元素的原子量。
不朽的業(yè)績
里查茲在化學研究中的第二個重要貢獻是他第一個用化學實驗的事實驗證了英國化學家索迪提出來的同位素概念。自從1896年法國物理學家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)放射性后，放射性物質成為許多物理學家和化學家的研究對象。1907年有人在研究中發(fā)現(xiàn)，存在著化學性質完全相同而原子量不同的元素。這類事實積累得越來越多，到1910年英國化學家索迪根據(jù)這些事實提出了同位素假說，即存在有原子量和放射性不同但其物理化學性質完 全一樣的化學元素變種。接著素迪又提出了放射性元素蛻變的位移法則。當時唯一能驗證這些假說的方法是化學分析。精于原子量測定技術的里查茲決定從事這項研究。根據(jù)位移規(guī)則推論，三個放射系列的最終產(chǎn)物都是鉛，各系列的鉛的原子量究竟相同與否？為了驗證同位素假說和位移規(guī)則的正確性：就應該精密測定不同來源鉛的原子量。1914年里查茲仔細測定了不同來源的放射性礦中鉛的原子量。他測得普通鉛的原子量為207．21；由最純的鐳蛻變最后生成的鉛，其原子量為206．08；釷礦中的鉛，其原子量為208：澳大利亞混和鉛的原子量為206． 34。這些數(shù)值與蛻變假說的計算值極為符合，這就證實了蛻變假說，同時也確證了同位素的存在。所以在同位素理論的確立中，里查茲的功績是永載史冊的。
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