Кавендиш, Генри

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Генри Кавендиш
Henry Cavendish
Cavendish Henry signature.jpg
Дата рождения:

10 октября 1731({{padleft:1731|4|0}}-{{padleft:10|2|0}}-{{padleft:10|2|0}})[1]

Место рождения:

Ницца, Франция

Дата смерти:

24 февраля 1810({{padleft:1810|4|0}}-{{padleft:2|2|0}}-{{padleft:24|2|0}})[1] (78 лет)

Место смерти:

Лондон, Великобритания

Страна:

Flag of the United Kingdom.svg Великобритания

Научная сфера:

Физика, Химия

Место работы:

Великобритания

Альма-матер:

Кембриджский университет

Логотип Викитеки Произведения в Викитеке

Ге́нри Ка́вендиш (англ. Henry Cavendish; 10 октября 1731(17311010) — 24 февраля 1810) — британский физик и химик, член Лондонского королевского общества1760 года).

Биография[править | править вики-текст]

Генри Кавендиш родился 10 октября 1731 года в Ницце в семье лорда Чарльза Кавендиша, сына второго герцога Девоншира Вильяма Кавендиша, и леди Анны Грей, дочери первого герцога Кента Генри Грея. Младший брат Генри Фредерик получил серьёзные повреждения мозга в результате случайного падения в возрасте двадцати одного года во время своего последнего года в Кембриджском университете. Данные свидетельствуют о том, что он пытался повторить знаменитый эксперимент Бенджамина Франклина о природе молнии во время приближающейся грозы, и упал из верхнего окна здания. Он нуждался в специальном уходе на протяжении всей своей жизни. Леди Анна умерла, предположительно от туберкулеза, вскоре после рождения Фредерика, так что ни один из мальчиков не знал мать. Семья Кавендишей была тесно связана с многими аристократическими семьями Великобритании, её история насчитывает около восьми веков и восходит к эпохе норманнов.

Генри вместе со своим братом Фредериком получил начальное образование дома. Первоначально планировалось продолжить обучение братьев в Итоне — классической английской школе, дававшей хорошую подготовку будущим государственным деятелям. Однако ни Генри, ни его брат, не проявляли склонности к юридической науке, поэтому отец решил отправить их в специализированное научное учреждение. Он остановился на академии Хакни, многие из преподавателей которой были тесно знакомы с передовыми умами современной науки. Генри и Фредерик были первыми членами семьи Кавендишей, окончившими академию Хакни, однако позднее эта школа стала очень популярной среди других аристократических английских семей.

В 1749 году в возрасте до восемнадцати лет Генри поступает в Кембриджский университет и, продолжая родовую традицию, становится двадцать первым членом семьи Кавендишей, поступившим в этот университет. Его брат Фредерик поступает в университет двумя годами позже. Обучение в университете, впитавшем в себя идеи Исаака Ньютона, сильно повлияло на мировоззрения братьев. Генри Кавендиш уходит из университета в 1753 году, не получая учёной степени, поскольку не видит необходимости в академической карьере. После ухода из университета он начинает вести собственные научные исследования в уединении своего жилища.

Научные достижения[править | править вики-текст]

Пневматическая химия[править | править вики-текст]

Опубликованные работы Кавендиша касаются в основном исследований газов и относятся к периоду 1766—1788 гг. Мы остановимся на основной работе ученого «Искусственный воздух». Эта работа представляет большой научный интерес, повествуя о составе и свойствах воды.

Пневматические исследования Кавендиша знаменательны количеством открытий, которые они предварили. Среди наиболее значимых из них первое полное изложение свойств водорода и углекислого газа; демонстрация постоянства состава атмосферного воздуха и его первый расчет его состава относительно высокой точности; записи известных экспериментов, которые привели к обнаружению нетривиальных свойств воды и к открытию состава азотной кислоты.

До плодотворных экспериментов Кавендиша пневматическая химия едва ли существовала. В работах немногих ученых по всему миру встречались упоминания об 'упругой жидкости', которая участвует в некоторых химических превращениях. Парацельс имел некоторое знакомство с водородом . Ван Гельмонт, который ввел понятие «газ», работал над выделением углекислого газа и некоторых горючих газообразных соединений углерода и серы, Бойль в своих экспериментах столкнулся с угольной кислотой и водородом.

Перечисленные ученые были наиболее близки к понимаю газов как индивидуальных веществ, но слишком мало знакомы с их различными свойствами, по которым эти газы можно отличить и распознать. Убежденность в том, что именно воздух, а не индивидуальные газы, выделяется в процессе реакции, была свойственна практически всем химикам второй половины восемнадцатого века. Развитие пневматической химии могло произойти только на основании наблюдения отличий между полученным в разных реакциях искусственным воздухом, но химики мало обращали внимания на эти различия, указывая лишь на сходство и отличия полученных газов от атмосферного воздуха.

Ярким примером служат знаменитые очерки Стивена Хейлза, в которых он пишет о реакциях, в которых выделяется «атмосферный воздух» или «упругие жидкости». Согласно современным представлениям, в ходе своего исследования в действительности он получал кислород, водород, азот, хлор, углекислый газ, сернистую кислоту и другие газы. Хейлз не сумел заметить различий в запахе, цвете, растворимости в воде, горючести полученных веществ. Он рассматривал их как идентичные атмосферному воздуху, потому что проявляли одинаковую эластичность и, как казалось ученому ввиду неточности оборудования, обладали одинаковыми весами. Их поразительные различия в реакционной способности он считал результатом случайного смешения «истинного воздуха» с инородными примесями, а не как существенные и отличительные свойства различных «упругих жидкостей» или газов.

Хакорт, исследуя эксперименты Бойля, отметил некоторые отличия полученных им «упругих жидкостей» от атмосферного воздуха. За неимением других доказательств, эта теория была отметена как ложная.

В 1754 году, однако, отмечается появление первой диссертации Блэка, в которой показано существование по крайней мере одной «упругой жидкости», которая обладает постоянным химическими свойствами, отличными от свойств атмосферного воздуха. Поскольку результаты его исследований шли в разрез со сложившимся мнением, он не осмеливается дать выделенному газу (водороду) название и ссылается на ошибку эксперимента, планируя в дальнейшем поставить его более точно.

Тем не менее, Блэк делает большой шаг вперед по сравнению со своими предшественниками. В более поздних работах он описывает свойства раствора угольной кислоты; двенадцатью годами позднее Кавендиш показывает, что она обладает точно такими же химическими свойствами и в свободном состоянии.

«Искусственный воздух»[править | править вики-текст]

Его первое сообщение о газах под названием «Искусственный воздух» было опубликовано в 1766 году . Оно начинается с определения искусственного воздуха, как «любого вида воздуха, который содержится в других органах в „неупругом“ состоянии, и может быть получен оттуда». Далее следуют ссылки на работы Блэка, в которых он заявляет о своем намерении в последующем пользоваться термином «зафиксированный воздух» в отношении газа, содержащегося в карбонатах щелочных и щелочноземельных элементов. Кавендиш также называет этот газ «негорючим», противопоставляя его газу, который выделяется при гниении живых организмов и взаимодействии металлов с кислотами. Термины «горючий» и «негорючий» газ впоследствии находят широкое применение.

Свое сообщение Кавендиш делит на три части: первая относится к водороду, вторая — к углекислому газу, третья — к газам, выделяющимся во время брожения и гниения. К основным наблюдениям Кавенидша можно отнести следующие: цинк, железо и олово были единственными металлами, которые выделяли «горючий воздух» при взаимодействии с разбавленными растворами серной и соляной кислот. Цинк растворялся в обеих кислотах с большей скоростью, чем железо и олово, однако выделялось одинаковое количество газа вне зависимости от используемой кислоты. Железо давало одинаковое количество «горючего газа» в растворах серной кислоты разной силы. Олово растворялось лучше всего в теплой соляной кислоте. Унция цинка производила около 356, унция железа — 412 и унция олова — 202 унции «горючего газа».

Все эти металлы легко растворялись в закиси (азотной кислоте) и производили «негорючий воздух» (окислы азота), а также в горячем купоросном масле (концентрированной серной кислоте), также с образованием «негорючего воздуха» с сильным неприятным запахом.

Из этих наблюдений Кавендиш пришел к выводу, что, когда металлы растворяют в разбавленной серной или соляной кислоте, «их флогистон летит, не изменяя свою природу с изменением кислоты и формируя „горючий воздух“, но когда металлы взаимодействуют с концентрированной серной или с азотной кислотой, их флогистон теряет свою горючесть».

В своей работе Кавендиш указал на следующие свойства «горючего газа» (водорода): он не теряет свою эластичность, не проявляет заметного растворения в воде и взаимодействия с щелочами. Кавендиш также исследовал влияние состава смеси кислорода и водорода на взрывоопасность. Смесь из одной части «горючего воздуха» и девяти «обычного» горела исключительно в пределах рассматриваемого сосуда. Смесь из 8 частей «горючего воздуха» и 2 частей «ообычного» воспламенялись без взрыва. При увеличении количества водорода примерно в два раза, горение происходило со взрывом. Из этих экспериментов Кавендиш попытался установить пропорцию между водородом и атмосферным воздухом, необходимую для полного сгорания смеси, однако допустил ошибку, посчитав, что на два объёма водорода необходимо 7 объёмов воздуха, в то время как 5 объёмов последнего было бы достаточно.

Кавендиш также пытался установить массу «горючего газа» водорода. Он пришел к выводу, что легковоспламеняющийся воздух выходит 8760 раз легче, чем вода, или в 11 раз легче, чем «обычный воздух». Водород, однако, в действительности в 14,4 раза легче воздуха.

Первую часть своей работы Кавендиш завершает исследованием взаимодействия меди с соляной кислотой и попытками получить «горючий газ» этим способом. Ученый приходит к выводу, что газ, выделяющийся в реакции (газообразная соляная кислота), не воспламеняется в смеси с атмосферным воздухом, а также теряет эластичность при взаимодействии с водой (в связи с растворением), а значит получить таким образом «горючий газ» не представляется возможным. Исследованиями газообразной соляной кислоты Кавендиш не занимался.

Вторая часть работы Кавендиша носит название «Эксперименты по связанному воздуху, или искусственный воздух, получаемый из щелочных веществ взаимодействием с кислотами или прокаливанием».

Описывая эту часть работы, Кавендиш опирается на полученные Блэком результаты касательно влиянии угольной кислоты на жесткость карбонатов. Кавендиш получил углекислый газ растворением мрамора в соляной кислоте. Он обнаружил, что выделяющийся газ обладает растворимостью в воде, быстро взаимодействует с щелочами, но может сохраняться до одного года под слоем ртути, не теряя эластичности и химических свойств. Для определения растворимости углекислого газа в воде Кавендиш использовал аппарат, открытие которого часто приписывают Пристли. В градуированный сосуд, наполненный ртутью, Кавендиш запускал известные объёмы исследуемого газа и воды; таким образом он установил, что «при температуре 55° вода поглощает гораздо больше исследуемого газа, чем обычного воздуха». В ходе своих экспериментов он установил, однако, что вода не всегда поглощает один и тот же объём связанного в мраморе газа. Этот факт ученый объяснял тем, что данный газ содержит вещества, обладающие различной растворимостью в воде. Ученый также выяснил, что холодная вода растворяет гораздо больше такого газа, чем горячая; для объяснения этого факта он приводил в пример кипящую воду, которая не только не способна поглотить какой-либо газ, но и лишается того, что она уже поглотила.

Плотность угольной кислоты была определена так же, как и в случае водорода, она оказалась равной 1,57 плотности атмосферного воздуха. Это определение хорошо воспроизводит известное на данный момент значение 1,529. Неточность определения связано с наличием примеси газообразной соляной кислоты, а также с несовершенством оборудования. Была проведена серия опытов по влиянию углекислого газа на процесс горения, Кавендиш использовал простую установку, содержащую стеклянную банку и восковую свечу. При наличии в банке только атмосферного воздуха свеча горела в течение 80 секунд. При содержании в банке одной части «связанного воздуха» (углекислого газа) и 19 частей атмосферного воздуха свеча горела 51 секунду, при соотношении 1 к 9 — всего 11 секунд. Таким образом, добавление даже небольших количеств углекислого газа к атмосферному воздуху лишает последнего способности к поддержанию горения.

Далее следуют попытки определить количества «связанного воздуха» в карбонатах щелочных металлов. Для этого Кавендиш измерял потерю массы раствора при взаимодействии карбонатов с соляной кислотой. Он пришел к выводу, что карбонат аммония содержит гораздо больше связанного воздуха, чем мрамор, поскольку реакция с соляной кислотой протекает более бурно.

Третья часть работы Кавендиша посвящена «Воздуху, образующемуся в процессах брожения и гниения». Макбрайд, следуя предположению Блэка, показал, что в этих процессах выделяется исключительно углекислый газ. Кавендиш подтвердил этот результат опытами по брожению сладкого вина и яблочного сока. Действительно, газ, выделяющийся в этих процессах, полностью поглощался карбонатом калия, а также обладал такими же растворимостью в воде, действием на пламя и удельным весом, как и «воздух», выделяемый из мрамора.

Газы, выделяющиеся в процессе гниения Кавендиш получал, разлагая бульон при температуре, близкой к температуре кипения воды. Опыт проводил до тех пор, пока газ не переставал выделяться. Полученный газ пропускали через раствор карбоната калия, при этом углекислый газ поглощался и оставалась смесь «обычного воздуха» и некого «горючего воздуха» в пропорции 1 к 4,7. Далее Кавендиш определил удельный вес полученный смеси и сравнил с удельным весом 1 части атмосферного воздуха и 4,7 частями водорода; удельный вес последнего оказался меньше. Ученый сделал вывод о том, что новый полученный «горючий газ» обладает практически такой же природой, что и полученный взаимодействием металлов с кислотами.

Кавендиш смог точно определить состав атмосферы Земли. После тщательных измерений ученый пришел к выводу, что «обычный воздух состоит из одной части воздуха без флогистона (кислорода) и четырёх частей воздуха с флогистоном (азота)».

В работе 1785 г описан эксперимент, в котором Кавендишу удалось удалить кислород и азот из образца атмосферного воздуха, но при этом оставалась определенная часть, которую ученый не мог удалить известными ему способами. Из этого эксперимента Кавендиш пришел к выводу, что не более 1 / 120 атмосферного воздуха состоит из газов, отличных от кислорода и азота. Несмотря на то, что аргон на тот момент был уже известен, понадобилось около ста лет, чтобы Рамзай и Релей показали, что именно этот газ составляет остаточную часть атмосферного воздуха.

Гравитационная постоянная[править | править вики-текст]

Помимо своих достижений в области химии, Кавендиш также известен своими опытами, с помощью которых он сумел измерить гравитационную силу и определить точное значение плотности Земли. На основании его результатов, можно вычислить значение для G = 6,754·10−11 Н м²/кг²[2], что хорошо совпадает с ныне принятым значением 6.67384·10−11 Н м²/кг²[3]. Для своего эксперимента Кавендиш использовал оборудование, построенное и сконструированное геологом Джоном Митчеллом, который умер ещё до начала эксперимента. Оборудование было направлено к Кавендишу, который завершил эксперимент в 1797 году и опубликовал результаты в 1798 г[4].

Экспериментальная установка состояла из крутильных весов для измерения гравитационного притяжения между двумя свинцовыми шарами массой 350-фунтов и парой 2-дюймовых шаров массой 1,61 фунтов. Используя это оборудование, Кавендиш установил, что средняя плотность Земли в 5,48 раза больше плотности воды. Джон Генри Пойнтинг позже отметил, что данные должны были привести к значению 5,448, и действительно именно это число является средним значением двадцати девяти экспериментов Кавендиша, описанных в его работе.

Исследования электричества[править | править вики-текст]

Кавендишу принадлежат несколько работ об изучении свойств электричества, написанных для Королевского общества, но большая часть его экспериментов была собрана и опубликована Джеймсом Максвеллом только век спустя в 1879 году, вскоре после того, как к тем же результатам пришли другие ученые. К открытиям Кавендиша принадлежат[5]:

Экспериментально установил (1771 год) влияние среды на ёмкость конденсаторов и определил (1771) значение диэлектрических постоянных ряда веществ. В 1798 году сконструировал крутильные весы и измерил с их помощью силу притяжения двух сфер, подтвердив закон всемирного тяготения; определил гравитационную постоянную, массу и среднюю плотность Земли. Занимался определениями теплоты фазовых переходов и удельной теплоёмкости различных веществ. Изобрёл эвдиометр — прибор для анализа газовых смесей, содержащих горючие вещества, ввёл в практику осушители. Предвосхитил многие изобретения XIX века в области электричества, но все его работы оставались достоянием семейного архива в Девоншире, пока в 1879 году Джеймс Максвелл не опубликовал его избранные труды. Именем Кавендиша названа организованная в 1871 г. физическая лаборатория в Кембриджском университете.

Многие источники ошибочно описывают работы Кавендиша как измерение гравитационной постоянной (G) или массы Земли, и эта ошибка уже отмечалась многими авторами[6][7][8][9]. В действительности основная цель Кавендиша состояла в определении плотности Земли. Этот результат послужил основой для расчета константы G, которая впервые использована была в 1873 году, почти через 100 лет после опыта Кавендиша[10]. Результаты опыта Кавендиша также могут быть использованы для вычисления массы Земли.

Интересные факты[править | править вики-текст]

  • Кавендиш вел тихий и уединенный образ жизни. Со своими служанками он общался исключительно записками и не заводил личных отношений вне семьи. Согласно одному из источников, для того, чтобы попасть домой, Кавендиш часто пользовался чёрным ходом, чтобы избежать встреч со своей экономкой. Некоторые современные врачи (например, Оливер Сакс) предполагают, что Кавендиш страдал синдромом Аспергера, хотя он, возможно, просто был очень застенчивым. Круг его общения ограничивался лишь клубом Королевского общества, члены которого обедали вместе до еженедельных совещаний. Кавендиш редко пропускал эти встречи и был глубоко уважаем своими современниками.
  • Он также увлекался коллекционированием мебели тонкой работы, документально подтверждена покупка им «десяти стульев и дивана красного дерева с атласной обивкой».
  • Излюбленным способом тратить деньги была для Кавендиша благотворительная деятельность. Как-то раз, узнав, что студент, помогавший ему упорядочивать библиотеку, оказался в трудной финансовой ситуации, Кавендиш немедленно выписал ему чек на 10 тысяч фунтов — сумму по тем временам громаднейшую. Подобным образом он поступал всю жизнь — и, тем не менее, всегда располагал миллионами фунтов стерлингов, будто обладал сказочным «неразменным рублем».
  • Большинство научных работ Кавендиша не публиковалось вплоть до второй половины XIX века, когда Джеймс Максвелл занялся разбором архивов Кавендиша. И даже сейчас несколько ящиков, заполненных рукописями и приборами, назначение которых не поддается определению, остаются не разобранными.
  • Одним из следствий его гравитационных измерений было довольно точное определение плотности. Однако, этот результат не был известен почти 100 лет, так как Кавендиш не заботился ни о публикации своих работ, ни о каком-либо признании учёным миром.
  • В 1775 году он пригласил семерых выдающихся ученых, чтобы продемонстрировать сконструированного им искусственного электрического ската, и дал каждому ощутить электрический разряд, абсолютно идентичный тому, каким настоящий скат парализует свои жертвы. А по завершении показа он, опередивший своих современников Гальвани и Вольта, торжественно объявил приглашенным, что именно эта, продемонстрированная им новая сила когда-нибудь революционизирует весь мир.
  • Хотя распространено мнение, что всемирно известная Кавендишская лаборатория названа в честь Генри Кавендиша, это не соответствует действительности. Она названа в честь родственника Генри, Уильяма Кавендиша, 7-го герцога Девоншира. Он был канцлером Кембриджского университета и пожертвовал крупную сумму на открытие первой в мире учебно-научной лаборатории при университете.
  • Примерно за 11 лет до Кулона закон взаимодействия зарядов был открыт Г. Кавендишем, однако результат не был опубликован и долгое время оставался неизвестным.
  • Он умер неженатым 24 февраля 1810 года, оставив состояние в 700 000 фунтов и ещё 6000 годового дохода от имения. К сожалению, ни один фунт из этого богатства не был пожертвован на нужды науки. Завещание же ученого содержало категорическое требование, чтобы склеп с его гробом сразу после похорон был наглухо замурован, а снаружи не было никаких надписей, указывающих, кто в этом склепе похоронен. Так и было сделано. Кавендиша похоронили в соборе в Дерби. Ни осмотра тела, ни вскрытия трупа не производили. И ни одного достоверного портрета Кавендиша тоже не сохранилось.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. 1 2 Record #118668889 // Gemeinsame NormdateiLeipzig: Deutschen Nationalbibliothek, 2012—2014.
  2. Brush, Stephen G.; Holton, Gerald James Physics, the human adventure: from Copernicus to Einstein and beyond. — New Brunswick, N.J: Rutgers University Press, 2001. — P. 137. — ISBN 0-8135-2908-5
  3. CODATA Value: Newtonian constant of gravitation
  4. Bryson, B. (2003), «The Size of the Earth»: A Short History of Nearly Everything, 60 — 62.
  5. Electricity. Encyclopedia Britannica (1911). Архивировано из первоисточника 22 августа 2011.
  6. Tipler, P. A. and Mosca, G. (2003), Physics for Scientists and Engineers: Extended Version, W. H. Freeman ISBN 0-7167-4389-2.
  7. Feynman, R. P. (1970), Feynman Lectures On Physics, Addison Wesley Longman , ISBN 0-201-02115-3
  8. Clotfelter, B. E. (1987), The Cavendish Experiment as Cavendish Knew It, American Journal of Physics 55 (3), 210—213.
  9. Falconer, I. (1999), Henry Cavendish: the man and the measurement , Measurement, Science & Technology 10 (6): 470—477.
  10. Cornu, A. and Baille, J. B. (1873), Mutual determination of the constant of attraction and the mean density of the earth, C. R. Acad. Sci., Paris Vol. 76, 954—958.

Ссылки[править | править вики-текст]