Cavendish, Henry

Henry Cavendish
Henry Cavendish
Fødselsdato 10. oktober 1731( 1731-10-10 ) [1] [2] [3] […]
Fødselssted Nice , Frankrig
Dødsdato 24. februar 1810( 24-02-1810 ) [2] [3] [4] […] (78 år)
Et dødssted London , Storbritannien
Land
Videnskabelig sfære fysik , kemi
Alma Mater Cambridge universitet
Priser og præmier Copley-medalje (1766)
 Mediefiler på Wikimedia Commons

Henry Cavendish ( eng.  Henry Cavendish ; 10. oktober 1731 - 24. februar 1810 ) - britisk fysiker og kemiker , medlem af Royal Society of London (1760) [5] , udenlandsk medlem af Paris Academy of Sciences (1803) [ 6] .

Biografi

Henry Cavendish blev født den 10. oktober 1731 i Nice af Lord Charles Cavendish, søn af den anden hertug af Devonshire , William Cavendish, og Lady Anne Grey, datter af Henry Gray , den første hertug af Kent . Cavendish-familien var tæt forbundet med mange aristokratiske familier i Storbritannien, dens historie går tilbage omkring otte århundreder og går tilbage til den normanniske æra . Lady Anne døde, formentlig af tuberkulose, kort efter fødslen af ​​Henrys yngre bror Frederick, så ingen af ​​drengene kendte deres mor.

Henry fik sammen med sin bror Frederick sin primære uddannelse derhjemme. Oprindeligt var det planlagt at fortsætte uddannelsen af ​​brødrene på Eton  , en klassisk engelsk skole, der gav god træning til fremtidige statsmænd. Imidlertid viste hverken Henry eller hans bror en forkærlighed for juridisk videnskab, så hans far besluttede at sende dem til en specialiseret videnskabelig institution. Han slog sig ned på Hackney Academy, hvor mange af deres lærere var fortrolige med den moderne videnskabs banebrydende hjerner. Henry og Frederick var de første medlemmer af Cavendish-familien, der dimitterede fra Hackney Academy, men senere blev denne skole meget populær blandt andre aristokratiske engelske familier.

I 1749, i en alder af atten, gik Henry ind på University of Cambridge , og i forlængelse af stammetraditionen blev han det enogtyvende medlem af Cavendish-familien, der kom ind på dette universitet. Hans bror Frederick kommer på universitetet to år senere. At studere på universitetet, som absorberede Isaac Newtons ideer , påvirkede i høj grad brødrenes verdenssyn. Henry Cavendish forlod universitetet i 1753 uden at tage en grad, fordi han ikke så behovet for en akademisk karriere. Efter at have forladt universitetet begynder han at udføre sin egen videnskabelige forskning. Cavendish førte et stille og afsondret liv, var ikke gift. Han elskede fint udformede møbler, dokumenteret som at købe "ti stole og en mahognisofa med satinbetræk". Med sine tjenere kommunikerede han udelukkende ved hjælp af noter og startede ikke personlige forhold uden for familien. Ifølge en kilde brugte Cavendish ofte bagdøren for at komme hjem til at undgå at møde sin husholderske. Nogle moderne læger (såsom Oliver Sachs ) foreslår, at Cavendish led af Aspergers syndrom , selvom han måske simpelthen var meget genert. Hans omgangskreds var kun begrænset til klubben i Royal Society , hvis medlemmer spiste sammen før de ugentlige møder. Cavendish gik sjældent glip af disse møder og blev dybt respekteret af sine samtidige. Han publicerede ikke sine videnskabelige resultater i tidsskrifter eller distribuerede dem på anden måde.

Cavendish var en generøs velgører . Efter at have erfaret, at en studerende, der hjalp ham med at organisere biblioteket, var i en vanskelig økonomisk situation, skrev Cavendish ham straks en check på 10 tusind pund - et enormt beløb på det tidspunkt.

Cavendish var fuldstændig ligeglad med verden omkring ham og var aldrig interesseret i de begivenheder, der fandt sted i denne verden - endda så betydningsfulde som den franske revolution eller Napoleonskrigene , der fejede hen over Europa .

Cavendish døde den 24. februar 1810 og efterlod en formue på £ 700.000 og yderligere £ 6.000 i årlig indkomst fra boet. Ikke et eneste pund af denne rigdom blev doneret til videnskabens behov. Testamentet indeholdt et kategorisk krav om, at krypten med hans kiste umiddelbart efter begravelsen skulle være tæt tilmuret, og der var ingen inskriptioner udenfor, der viste, hvem der var begravet i denne krypt. Og så blev det gjort. Cavendish blev begravet i katedralen i Derby . Ingen undersøgelse af liget, ingen obduktion blev foretaget.

Hans yngre bror Frederick, i en alder af enogtyve, led alvorlig hjerneskade efter at være faldet ud af et vindue i løbet af sit sidste år på Cambridge University . Beviser tyder på, at han forsøgte at replikere Benjamin Franklins berømte eksperiment om lynets natur under et nærmer sig tordenvejr . Han havde brug for særlig pleje gennem hele sit liv.

Videnskabelige resultater

Pneumatisk kemi

Cavendishs publicerede arbejde beskæftiger sig hovedsageligt med gasforskning og refererer til perioden 1766-1788. Vi vil fokusere på videnskabsmandens hovedarbejde "Kunstig luft ". Dette arbejde er af stor videnskabelig interesse og fortæller om vands sammensætning og egenskaber .

Cavendishs pneumatiske forskning er bemærkelsesværdig for antallet af opdagelser, den har gjort. Blandt de mest betydningsfulde af disse er den første fuldstændige udlægning af egenskaberne ved brint og kuldioxid; demonstration af konstansen af ​​sammensætningen af ​​atmosfærisk luft og den første beregning af dens sammensætning med relativt høj nøjagtighed; optegnelser over berømte eksperimenter, der førte til opdagelsen af ​​vands ikke-trivielle egenskaber og til opdagelsen af ​​salpetersyrens sammensætning .

Før Cavendishs frugtbare eksperimenter eksisterede pneumatisk kemi næppe. I nogle få videnskabsmænds værker rundt om i verden var der referencer til den 'elastiske væske', som er involveret i nogle kemiske transformationer. Paracelsus havde en vis fortrolighed med brint . Van Helmont , der introducerede begrebet " gas ", arbejdede på frigivelsen af ​​kuldioxid og nogle brændbare gasformige forbindelser af kulstof og svovl , Boyle stødte på kulsyre og brint i sine eksperimenter.

Disse videnskabsmænd var tættest på at forstå gasser som individuelle stoffer, men man vidste for lidt om deres forskellige egenskaber, hvorved disse gasser kan skelnes og genkendes. Troen på, at der i løbet af reaktionen ikke frigives individuelle gasser, men simpel luft af varierende opvarmningsgrad, var karakteristisk for næsten alle kemikere i anden halvdel af det 18. århundrede. Udviklingen af ​​pneumatisk kemi kunne kun finde sted på grundlag af at observere forskellene mellem den kunstige luft opnået i forskellige reaktioner , men kemikere var lidt opmærksomme på disse forskelle, og pegede kun på lighederne og forskellene mellem gasserne opnået fra atmosfærisk luft.

Et slående eksempel er Stephen Hales ' berømte essays , hvori han skriver om reaktioner, hvor "atmosfærisk luft " eller "elastiske væsker " frigives. Ifølge moderne ideer modtog han i løbet af sin forskning faktisk oxygen , brint , nitrogen , klor , kuldioxid , svovlsyre og andre gasser . Kuling kunne ikke bemærke forskelle i lugt, farve, opløselighed i vand, brændbarhed af de opnåede stoffer. Han betragtede dem som identiske med atmosfærisk luft , fordi de viste den samme elasticitet og (som det forekom for videnskabsmanden, på grund af udstyrets unøjagtighed) havde samme vægt. Deres slående forskelle i reaktivitet betragtede han som resultatet af en utilsigtet blanding af "ægte luft" med fremmede urenheder, og ikke som væsentlige og karakteristiske egenskaber ved forskellige "elastiske væsker" eller gasser.

Hakort, der undersøgte Boyles eksperimenter , bemærkede nogle forskelle mellem de "elastiske væsker", han opnåede, og atmosfærisk luft. I mangel af andre beviser blev denne teori markeret som falsk.

1754 markerer imidlertid udseendet af Blacks første afhandling , der viser eksistensen af ​​mindst én "elastisk væske", der har konstante kemiske egenskaber, adskilt fra dem af atmosfærisk luft . Da resultaterne af hans forskning var i modstrid med den gængse opfattelse, tør han ikke nævne den frigivne gas ( brint ) og henviser til en eksperimentel fejl, der planlægger at formulere det mere præcist i fremtiden.

Black tager dog et stort skridt frem fra sine forgængere. I senere skrifter beskriver han egenskaberne ved en opløsning af kulsyre ; 12 år senere viser Cavendish, at den har nøjagtig de samme kemiske egenskaber i fri tilstand.

"Kunstig luft"

Hans første rapport om gasser, med titlen Kunstig luft, blev offentliggjort i 1766. Det begynder med at definere kunstig luft som "enhver form for luft, der er indeholdt i andre organer i en 'uelastisk' tilstand og kan fås derfra." Det følgende er referencer til Blacks arbejde , hvori han tilkendegiver sin hensigt i fremtiden at bruge udtrykket "fast luft" i forhold til gassen indeholdt i karbonater af alkali- og jordalkalielementer . Cavendish kalder også denne luft for "ikke-brændbar", i modsætning til den luft, der frigives under nedbrydningen af ​​levende organismer og interaktionen af ​​metaller med syrer . Udtrykkene "brændbar" og "ikke-brændbar" luft finder efterfølgende bred anvendelse.

Cavendish deler sit budskab op i tre dele: den første henviser til brint , den anden til kuldioxid , den tredje til gasser frigivet under gæring og henfald . De vigtigste observationer af Cavenidsh omfatter følgende: zink , jern og tin var de eneste metaller , der frigav "brændbar luft", når de interagerer med fortyndede opløsninger af svovlsyre og saltsyre . Zink blev opløst i begge syrer hurtigere end jern og tin, men den samme mængde luft blev frigivet, uanset hvilken syre der blev brugt . Jern gav den samme mængde "brændbar luft" i svovlsyreopløsninger af forskellig styrke. Tin opløses bedst i varm saltsyre. En ounce zink producerede omkring 356, en ounce jern 412 og en ounce tin 202 ounce "brændstofgas " .

Alle disse metaller opløses let i dinitrogenoxid ( salpetersyre ) og producerede "ubrændbar luft" ( nitrogenoxider ) såvel som varm vitriololie (koncentreret svovlsyre ), og producerede også "ubrændbar luft" med en stærk ubehagelig lugt .

Ud fra disse observationer konkluderede Cavendish, at når metaller opløses i fortyndet svovl- eller saltsyre , "flyver deres phlogiston og ændrer ikke dens natur med ændringen i syre og danner 'brændbar luft', men når metaller interagerer med koncentreret svovlsyre eller salpetersyre, deres phlogiston mister sin brændbarhed."

I sit arbejde påpegede Cavendish følgende egenskaber ved "brændbar gas" ( brint ): den mister ikke sin elasticitet, viser ikke mærkbar opløsning i vand og interaktion med alkalier . Cavendish undersøgte også virkningen af ​​sammensætningen af ​​en blanding af ilt og brint på eksplosiviteten. En blanding af en del "brændbar luft" og ni dele "almindelig" brændte udelukkende inde i det pågældende kar. En blanding af 8 dele "brændbar luft" og 2 dele "normal" antændte uden eksplosion. Med en stigning i mængden af ​​brint med omkring to gange skete der forbrænding med en eksplosion. Ud fra disse eksperimenter forsøgte Cavendish at fastslå forholdet mellem brint og atmosfærisk luft, der er nødvendigt for den fuldstændige forbrænding af blandingen, men begik en fejl og troede, at der skulle 7 volumener luft til to volumener brint, mens 5 volumener af sidstnævnte ville være nok.

Cavendish forsøgte også at fastslå massen af ​​"brændstofgassen" brint . Han konkluderede, at brændbar luft undslap 8760 gange lettere end vand eller 11 gange lettere end "almindelig luft" (brint er faktisk 14,4 gange lettere end luft).

Cavendish afslutter den første del af sit arbejde med en undersøgelse af kobbers interaktion med saltsyre og forsøger på denne måde at opnå en "brændbar gas ". Forskeren kommer til den konklusion, at gassen, der frigives i reaktionen (gasformig saltsyre ), ikke antændes i en blanding med atmosfærisk luft , og også mister elasticitet, når den interagerer med vand (på grund af opløsning), hvilket betyder, at det ikke er muligt at opnå en "brændbar gas" på denne måde synes muligt. Cavendish undersøgte ikke gasformig saltsyre.

Den anden del af Cavendishs arbejde hedder "Eksperimenter med bundet luft eller kunstig luft opnået fra alkaliske stoffer ved reaktion med syrer eller ved kalcinering."

Cavendish beskriver denne del af arbejdet og baserer sig på resultaterne opnået af Black med hensyn til virkningen af ​​kulsyre på hårdheden af ​​carbonater . Cavendish opnåede kuldioxid ved at opløse marmor i saltsyre . Han fandt ud af, at den frigjorte gas var opløselig i vand , reagerede hurtigt med alkalier , men kunne holde sig i op til et år under et lag af kviksølv uden at miste sin elasticitet og kemiske egenskaber. For at bestemme opløseligheden af ​​kuldioxid i vand brugte Cavendish et apparat, hvis opdagelse ofte tilskrives Priestley . I en gradueret beholder fyldt med kviksølv lancerede Cavendish kendte mængder af den undersøgte gas og vand; således konstaterede han, at "ved en temperatur på 55° absorberer vand meget mere af den undersøgte gas end almindelig luft ". I løbet af sine eksperimenter fandt han dog ud af, at vand ikke altid absorberer den samme mængde gas bundet i marmor. Forskeren forklarede dette faktum ved, at denne gas indeholder stoffer med forskellig opløselighed i vand. Videnskabsmanden fandt også ud af, at koldt vand opløser meget mere af denne gas end varmt vand; for at forklare denne kendsgerning citerede han eksemplet med kogende vand, som ikke kun er ude af stand til at absorbere nogen gas, men også er frataget det, det allerede har absorberet.

Densiteten af ​​kulsyre blev bestemt på samme måde som for brint , den viste sig at være lig med 1,57 af densiteten af ​​atmosfærisk luft . Denne definition gengiver godt den nuværende kendte værdi på 1,529. Unøjagtigheden af ​​bestemmelsen er forbundet med tilstedeværelsen af ​​en blanding af gasformig saltsyre såvel som med udstyrets ufuldkommenhed. En række eksperimenter blev udført med kuldioxids effekt på forbrændingsprocessen, Cavendish brugte en simpel installation indeholdende en glaskrukke og et vokslys. Med kun atmosfærisk luft i krukken brændte lyset i 80 sekunder. Da glasset indeholdt én del "bundet luft" (kuldioxid) og 19 dele atmosfærisk luft, brændte lyset i 51 sekunder, i forholdet 1 til 9 - kun 11 sekunder. Tilsætning af selv små mængder kuldioxid til atmosfærisk luft fratager således sidstnævnte evnen til at opretholde forbrændingen .

Det følgende er forsøg på at bestemme mængden af ​​"bundet luft" i alkalimetalcarbonater . For at gøre dette målte Cavendish massetabet af opløsningen under interaktionen af ​​carbonater med saltsyre . Han konkluderede, at ammoniumcarbonat indeholdt meget mere bundet luft end marmor , fordi reaktionen med saltsyre var mere voldsom.

Den tredje del af Cavendishs arbejde er afsat til "Luften, der produceres i processerne med gæring og forrådnelse ". McBride viste efter Blacks forslag , at kuldioxid udelukkende frigives i disse processer . Cavendish bekræftede dette resultat med forsøg på gæring af sød vin og æblejuice. Faktisk blev den gas , der blev frigivet i disse processer, fuldstændig absorberet af kaliumcarbonatet og havde også samme vandopløselighed , flammevirkning og vægtfylde som "luften" frigjort fra marmor .

Cavendish opnåede gasser frigivet under henfald ved at nedbryde bouillonen ved en temperatur tæt på vands kogepunkt . Forsøget blev udført, indtil gassen ophørte med at blive frigivet. Den resulterende gas blev ledt gennem en opløsning af kaliumcarbonat , mens kuldioxid blev absorberet, og en blanding af "almindelig luft " og noget "brændbar luft" forblev i forholdet 1 til 4,7. Yderligere bestemte Cavendish vægtfylden af ​​den resulterende blanding og sammenlignede den med vægtfylden af ​​1 del atmosfærisk luft og 4,7 dele brint ; andelen af ​​sidstnævnte viste sig at være mindre. Forskeren konkluderede, at den nye "brændbare gas" opnået har næsten samme natur som den, der opnås ved interaktion mellem metaller og syrer .

Cavendish var i stand til nøjagtigt at bestemme sammensætningen af ​​jordens atmosfære . Efter omhyggelige målinger kom videnskabsmanden til den konklusion, at "almindelig luft består af en del luft uden phlogiston (ilt) og fire dele luft med phlogiston (nitrogen)."

I værket fra 1785 beskrives et eksperiment, hvor Cavendish formåede at fjerne ilt og nitrogen fra en prøve af atmosfærisk luft, men samtidig var der en vis del, som videnskabsmanden ikke kunne fjerne ved hjælp af de metoder, han kendte. Fra dette eksperiment kom Cavendish til den konklusion, at ikke mere end 1/120 af atmosfærisk luft består af andre gasser end oxygen og nitrogen. Det tog omkring hundrede år for Ramsay og Rayleigh , blandt andet baseret på Cavendishs arbejde, for at vise, at denne resterende del af atmosfærisk luft hovedsageligt er argon , og endnu senere blev der fundet andre inerte gasser i den .

Gravitationskonstant

Udover sine præstationer inden for kemi er Cavendish også kendt for eksperimenter, hvormed han bestemte værdien af ​​Jordens tæthed , hvilket også betød at bestemme Jordens masse, da Jordens radius allerede var kendt med tilstrækkelig nøjagtighed, og også ved simple beregninger at opnå den numeriske værdi af gravitationskonstanten (hvilket sandsynligvis blev gjort efter Poissons Treatise on Mechanics (1811), hvor gravitationskonstanten blev indført i sin rene form). Baseret på resultaterne af Cavendish er det muligt at beregne dens værdi G = 6,754⋅10 −11 N m²/kg² [7] , hvilket er i god overensstemmelse med den aktuelt accepterede værdi på 6,67384⋅10 −11 N m²/kg² [ 8] .

Eksperimentet blev oprindeligt foreslået af John Michell . Det var ham, der designede hoveddelen i forsøgsopstillingen - en torsionsbalance, men han døde i 1793 uden at have sat et eksperiment op. Efter hans død overgik forsøgsopstillingen til Cavendish, som modificerede opsætningen, udførte eksperimenterne i 1797 og beskrev dem i Philosophical Transactions i 1798 [9] . For sin tid var dette værk et uovertruffent mesterværk af kunsten at eksperimentere.

Den eksperimentelle opsætning bestod af en torsionsbalance til måling af tyngdekraften mellem to 350- lb blykugler og et par 1,61- lb 2-tommer kugler . Ved hjælp af dette udstyr bestemte Cavendish, at Jordens gennemsnitlige tæthed var 5,48 gange vands . John Henry Poynting bemærkede senere, at dataene skulle have resulteret i en værdi på 5,448, og dette tal er faktisk gennemsnittet af de niogtyve Cavendish-eksperimenter beskrevet i hans arbejde. Dette resultat var dog ikke kendt i næsten 100 år, da Cavendish var ligeglad med udgivelsen af ​​sit arbejde eller om nogen anerkendelse fra den videnskabelige verden. På nuværende tidspunkt er Jordens tæthed anslået til 5,5153 g/cm³.

Mange kilder beskriver ikke helt korrekt måling af gravitationskonstanten eller jordens masse som det umiddelbare mål for Cavendishs arbejde, og denne unøjagtighed er allerede blevet bemærket af mange forfattere [10] [11] [12] [13] . Faktisk var Cavendishs hovedmål, så vidt det følger af hans egen præsentation, kun at bestemme Jordens tæthed, men dette resultat tjente som grundlag for at beregne både Jordens masse og gravitationskonstanten G, som var introduceret til systematisk brug (adskilt fra GM-kombinationer) kun 100 år efter Cavendish-eksperimentet [14] .

Elektrisk forskning

Cavendish skrev adskillige artikler om egenskaberne ved elektricitet for Royal Society, men de fleste af hans eksperimenter blev indsamlet og udgivet af James Maxwell kun et århundrede senere i 1879, kort efter at andre videnskabsmænd var nået frem til de samme resultater. Cavendishs opdagelser omfatter [15] :

Cavendish etablerede eksperimentelt (1771) mediets indflydelse på kondensatorernes kapacitans og bestemte (1771) værdien af ​​de dielektriske konstanter for en række stoffer.

I 1775 inviterede han syv fremtrædende videnskabsmænd til at demonstrere en kunstig elektrisk stråle , han havde designet , og gav alle et elektrisk stød , fuldstændig identisk med det, hvormed en ægte rokke lammer sine ofre. Og i slutningen af ​​showet meddelte han højtideligt gæsterne, at det var denne nye kraft, han demonstrerede, som en dag ville revolutionere hele verden.

Andre værker og opfindelser

Han var engageret i at bestemme varmen fra faseovergange og den specifikke varmekapacitet af forskellige stoffer. Opfundet eudiometer  - en enhed til analyse af gasblandinger , der indeholder brændbare stoffer, indførte affugtere i praksis. Han forudså mange opfindelser fra det 19. århundrede inden for elektricitet, men alt hans arbejde forblev i familiearkivet i Devonshire, indtil James Maxwell udgav sine udvalgte værker i 1879. Og selv nu forbliver adskillige kasser fyldt med manuskripter og instrumenter, hvis formål ikke kan bestemmes, usorterede.

Hukommelse

I 1935 opkaldte Den Internationale Astronomiske Union et krater på den synlige side af Månen efter Henry Cavendish .

Selvom det er en udbredt opfattelse, at det verdensberømte Cavendish Laboratory er opkaldt efter Henry Cavendish, er dette ikke sandt. Det er opkaldt efter hans slægtning William Cavendish, 7. hertug af Devonshire. Han var kansler ved University of Cambridge og donerede et stort beløb til åbningen af ​​verdens første undervisnings- og forskningslaboratorium på universitetet.

Se også

Noter

  1. Lundy D. R. Henry Cavendish // The Peerage 
  2. 1 2 Henry Cavendish // Brockhaus Encyclopedia  (tysk) / Hrsg.: Bibliographisches Institut & FA Brockhaus , Wissen Media Verlag
  3. 1 2 Henry Cavendish // Gran Enciclopèdia Catalana  (kat.) - Grup Enciclopedia Catalana , 1968.
  4. Henry Cavendish // GeneaStar
  5. Cavendish; Henrik (1731 - 1810); Natural Philosopher // Royal Society of Londons  hjemmeside
  6. Les membres du passé dont le nom commence par C Arkiveret 25. juli 2020 på Wayback Machine  (FR)
  7. Brush, Stephen G.; Holton, Gerald James. Fysik, det menneskelige eventyr: fra Copernicus til Einstein og  videre . — New Brunswick, NJ: Rutgers University Press , 2001. — S. 137. — ISBN 0-8135-2908-5 .
  8. CODATA Værdi: Newtonsk tyngdekonstant . Hentet 17. juli 2014. Arkiveret fra originalen 29. september 2015.
  9. Bryson, B. (2003), "The Size of the Earth": A Short History of Nearly Everything, 60-62.
  10. Tipler, PA og Mosca, G. (2003), Physics for Scientists and Engineers: Extended Version , WH Freeman ISBN 0-7167-4389-2 .
  11. Feynman, R.P. (1970), Feynman Lectures On Physics , Addison Wesley Longman, ISBN 0-201-02115-3
  12. Clotfelter, B.E. (1987), The Cavendish Experiment as Cavendish Knew It, American Journal of Physics 55(3), 210-213.
  13. Falconer, I. (1999), Henry Cavendish: manden og målingen, Measurement, Science & Technology 10 (6): 470-477.
  14. Cornu, A. og Baille, JB (1873), Gensidig bestemmelse af tiltrækningskonstanten og jordens middeltæthed, CR Acad. sci. , Paris bind. 76, 954-958.
  15. Elektricitet . Encyclopedia Britannica (1911). Arkiveret fra originalen den 22. august 2011.

Links