科学史上充满着体现科学精神的经典案例。氩气的发现就是其中之一。
氩气是第一种被发现的稀有气体,英语为Argon,由希腊语“argos”命名而来,意为“懒惰”,因为它几乎没有化学活性。由于发现了氩气,威廉·拉姆塞获得了1904年的诺贝尔化学奖,而同年的诺贝尔物理学奖也授予了氩气的另一个发现者——瑞利(也是解释天空为什么是蓝色的那位科学家,瑞利散射)。
瑞利是一位严谨的科学家,当他在测量氮气的密度时,为了确保测量结果的可靠性,分别测量了由不同制备方法得到的氮气的密度。这也是科学家们常用的方法,用不同的方法去测量同一个量,以确保自己测量的量是自己预先设想的量。
第一种制备方法是从空气提纯氮气。他分别用碱吸收空气中二氧化碳,用干燥剂吸收水蒸气,用灼热的铜除去氧气:Cu+O2→CuO,最后得到“纯净”的氮气。
第二种是由化学方法制备氮气,把空气鼓入液氨中除氧,同时放出氮气:
NH3+O2→N2+H2O
然后用同样方法除去水蒸气和二氧化碳。
但是第二种方法获得的氮气比第一种轻1/1000。千分之一的误差在平常看来很小。但是跟瑞利的实验精度相比,1/1000的偏差已经超过了实验的误差。这两组数据的区别代表着这两种氮气之间存在某种未知的区别。瑞利为此很困惑,同时也无从解释。所以瑞利把这一结果发表到《自然》[1](Nature, 46, 512 [1892])杂志上,希望寻求其他科学家的帮助。发表科学论文是科学家们交流沟通的主要方式。瑞利在文中写道:“我对于最近关于氮气密度的结果感到非常困惑,假如读者们能对此给予一些意见,我将不胜感激。”然而很长一段时间都没有回应。瑞利又进行了两年的实验,结果还是由化学方法制备的氮气比空气提纯的氮气轻。
科学家在解决一个问题时,往往首先会去参考总结之前相关的研究结果。瑞利不仅向同时代的科学家寻求帮助,他也回溯了历史文献。卡文迪什(就是发现氢气的科学家)对空气通上电流,用碱吸收产物(氮氧化物),仍有1%左右的残留气体。卡文迪什是燃素论者,他不能确认这种残留气体,这也受制于他所处的时代的科学认识水平。但是到了瑞利的时代,一切就都不同了。氩气是目前工业上应用很广的稀有气体。它的性质十分不活泼,既不能燃烧,也不助燃。在飞机制造、造船、原子能工业和机械工业部门,对特殊金属,例如铝、镁、铜及其合金和不锈钢在焊接时,往往用氩作为焊接保护气,防止焊接件被空气氧化或氮化。
高纯氩气主要用途:用于焊接、不锈钢制造、冶炼,还用于半导体制造工艺中的化学气相淀积、晶体生长、热氧化、外延、扩散、多晶硅、钨化、离子注入、载流、烧结等氩气作为制作单晶及多晶硅的保护气,为了提高硅晶体的质量,如何选用较高纯度的氩气,是制作硅晶体的一个议题。通过对本装置的使用,氩气的纯度其中氧含量小于1ppm时,水分也小于1ppm时,制作出的单晶硅其氧碳含量就小于0.5ppm,这样就提高了单晶的使用寿命并能达到要求,赢得客户的满意和市场的需求。由于一般液氩汽化后未经过纯化处理,它的氧含量一般在2ppm~5ppm。有时气体供应商提供的氩气超过了此范围,但使用氩气的客户确不知道其质量,所以往往给生产产品质量造成影响。有了氩气纯化装置后不论氩原料气的质量如何,只要经过纯化装置的处理后,进入拉晶炉的氩气,纯度始终是恒定的。一般 O2<0.2ppm,水分<1ppm,这样稳定的氩气对生产晶体质量是有保证的。