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亨利·卡文迪許 - 簡介

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)英國物理學(xué)家、化學(xué)家。他首次對氫氣的性質(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)了庫侖定律和歐姆定律，將電勢概念廣泛應(yīng)用于電學(xué)，并精確測量了地球的密度，被認(rèn)為是牛頓之后英國最偉大的科學(xué)家之一。

亨利.卡文迪許是百萬富翁。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：“他是有學(xué)問的人當(dāng)中最富有的，也是富人當(dāng)中最有學(xué)問的。”

亨利·卡文迪許 - 生平

亨利.卡文迪許生于1731年10月10日，那時他的母親正在法國休養(yǎng)，所以他生在法國南部。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?yàn)椴毁澇蓜�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)，在18世紀(jì)時，還沒有公家辦的實(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。他一生沒有結(jié)婚，過著獨(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(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年的英國皇家學(xué)會的期刊上。

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。

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，已年近七十。在物理學(xué)上他最主要的成就是通過扭秤實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了牛頓的萬有引力定律，確定了引力常數(shù)和地球平均密度。

卡文迪許驗(yàn)證萬有引力定律的實(shí)驗(yàn)采用自己設(shè)計的“扭秤”為工具，后人稱為著名的“卡文迪許實(shí)驗(yàn)”。

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�！痹谝槐尽痘瘜W(xué)史》書上，曾舉出卡文迪許最怕交際的一件事例。有一天一位英國科學(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。在互相介紹時，班克斯曾對這位遠(yuǎn)客盛贊卡文迪許，而這位初見面的客人更是對卡文迪許說出非常敬仰他的話，并說這次來倫敦的最大收獲，就是專程拜訪這位名震一時的大科學(xué)家。

卡文迪許聽到這話，起初大為忸怩，最后完全手足無措，便從人叢中沖出了室外，坐上他的馬車趕回家去了。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。一直到現(xiàn)在，在英國，凡是有FSR(皇家學(xué)會會員）頭銜的人，還是受到人們的尊敬。

接下來他在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)”。也就是這個時候，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研究，是關(guān)于地球平均密度的問題。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。這說明當(dāng)時試驗(yàn)已經(jīng)相當(dāng)準(zhǔn)確。他還有一項工作，是過了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題。

亨利·卡文迪許 - 學(xué)業(yè)

卡文迪什家族是一個歷史很悠久的英國貴族家庭。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。卡文迪什從小接受良好的家庭教育，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，但因不滿當(dāng)時劍橋刻板的學(xué)習(xí)和學(xué)位制度而于1753年2月退學(xué)，查爾斯卡文迪什對兒子退學(xué)而沒有獲得應(yīng)得的學(xué)位而憤怒，并決定每年只給他120鎊的零用錢�？ㄎ牡鲜苍跉W洲大陸旅行一段時間后即定居倫敦，自己購買書籍和實(shí)驗(yàn)儀器，開始了他長達(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(qiáng)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，這篇文章使他獲得英國皇家學(xué)會的科普利獎?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產(chǎn)生的氣體進(jìn)行了多步干燥和純化處理。隨后他測定了它的密度，研究了它的性質(zhì)。他使用燃素說來解釋，認(rèn)為在酸和鐵的反應(yīng)中，酸中的燃素被釋放出來，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)�！彪S后卡文迪什繼續(xù)研究氫氣和氧氣反應(yīng)時的體積比，得出了2.02:1的結(jié)論。對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)時曾引起了爭論。因?yàn)槠绽锼固乩�，瓦特，卡文迪什都作過類似的實(shí)驗(yàn)。1785年瓦特被選為皇家學(xué)會會員，爭論以當(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，無法與氧氣反應(yīng)生成化合物被氫氧化鈉吸收。經(jīng)過幾百次的實(shí)驗(yàn)和分析，他得出在今天看來都很精確的結(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。在拉瓦錫提出氧化說，卡文迪什贊成氧化說的簡潔，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，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，后來被庫侖通過實(shí)驗(yàn)證明，成為庫侖定律。他和法拉第共同主張電容器的電容會隨著極板間的介質(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。他第一個將電勢概念大量應(yīng)用對電學(xué)現(xiàn)象的解釋中。并通過大量實(shí)驗(yàn)，提出了電勢與電流成正比的關(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﹄妼W(xué)的研究基本都沒有發(fā)表，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋的最后五年致力于對卡文迪什個人實(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，卡文迪什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”。很多文章稱卡文迪什求出了萬有引力常量，實(shí)際上卡文迪什當(dāng)時只關(guān)心地球的密度，并沒有涉及其他。而采用卡文迪什的測量結(jié)果通過計算可以求出萬有引力常量和地球的質(zhì)量。

亨利·卡文迪許 - 相關(guān)實(shí)驗(yàn)

十八世紀(jì)后期，在牛頓第一個指出行星的運(yùn)動是怎樣依賴于太陽質(zhì)量之后一百多年，一位英國物理學(xué)家、化學(xué)家卡文迪許（1731～1810）發(fā)現(xiàn)測量引力常數(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。

在卡文迪許的實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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，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(shí)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(shí)，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。

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，據(jù)說為作家暗中偷畫的卡文迪什沉默寡言，不善交際，對于卡文迪什的生平主要來源于物理學(xué)家漢弗萊·戴維和其他一些朋友的記載，同時也流傳著不少傳說。據(jù)記載，卡文迪什長年穿著一件褪色的天鵝絨大衣，戴當(dāng)時已經(jīng)少見的三角帽，性格獨(dú)特，說話顯得猶豫和困難，而面對女士和陌生人會很羞澀而避免和他們說話。他非常喜歡獨(dú)自沉思，甚至很少和自己的仆人見面，一般只會在桌子上留下字條說明自己晚餐要吃什么，常常是“一只羊腿”�？ㄎ牡鲜步K生未婚，唯一的社會活動就是參加皇家學(xué)會俱樂部的兩周一次的會議。他對沒有研究透徹的東西從不發(fā)表，所以盡管他一生只提交過不足20篇論文，卻獲得了皇家學(xué)會成員的一致尊重。

由于其家庭地位和父母留給他的大量財產(chǎn)，使得他曾是倫敦銀行的最大儲戶，但他心思專注在科學(xué)研究中,對于財產(chǎn)，他幾十年都只讓投資顧問買一種股票，不論漲跌。他的一名投資顧問希望建議他向另一股票投資，卡文迪什以平生罕見的大怒的告知對方：“不要拿這些事情來煩我，否則我就解雇你”。有位法國科學(xué)家曾說“卡文迪什是最有學(xué)問的人中最富有的，也許是最富有的人中最有學(xué)問的。

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