Henry Cavendish

Wczesne życieEdit

Henry Cavendish urodził się 10 października 1731 roku w Nicei, gdzie w tym czasie mieszkała jego rodzina. Jego matką była Lady Anne de Grey, czwarta córka Henry’ego Greya, 1. księcia Kentu, a jego ojcem był Lord Charles Cavendish, trzeci syn Williama Cavendisha, 2. księcia Devonshire. Rodowód rodziny sięgał przez osiem wieków do czasów normańskich i był blisko związany z wieloma arystokratycznymi rodami Wielkiej Brytanii. Matka Henry’ego zmarła w 1733 roku, trzy miesiące po urodzeniu drugiego syna, Fredericka, i na krótko przed drugimi urodzinami Henry’ego, pozostawiając lorda Charlesa Cavendisha na wychowanie swoich dwóch synów. Henry Cavendish był określany jako „The Honourable Henry Cavendish”.

Od 11 roku życia Henry uczęszczał do Newcome’s School, prywatnej szkoły w pobliżu Londynu. W wieku 18 lat (24 listopada 1748) wstąpił na Uniwersytet w Cambridge do St Peter’s College, obecnie znanego jako Peterhouse, ale opuścił go trzy lata później 23 lutego 1751 bez uzyskania dyplomu (w tamtych czasach była to powszechna praktyka). Następnie mieszkał z ojcem w Londynie, gdzie wkrótce miał własne laboratorium.

Lord Charles Cavendish spędził życie najpierw w polityce, a potem coraz bardziej w nauce, zwłaszcza w Royal Society of London. W 1758 roku zabrał Henry’ego na spotkania Royal Society, a także na kolacje w Royal Society Club. W 1760 roku Henry Cavendish został wybrany do obu tych grup i od tego czasu pilnie uczęszczał na zebrania. Nie brał praktycznie żadnego udziału w polityce, ale podążał za swoim ojcem w kierunku nauki, poprzez swoje badania i uczestnictwo w organizacjach naukowych. Był aktywny w Radzie Royal Society of London (do której został wybrany w 1765 r.).

Jego zainteresowanie i doświadczenie w korzystaniu z instrumentów naukowych doprowadziły go do kierowania komisją do przeglądu instrumentów meteorologicznych Royal Society i do pomocy w ocenie instrumentów Royal Greenwich Observatory. Jego pierwsza praca, Factitious Airs, ukazała się w 1766 roku. Inne komitety, w których służył, obejmowały komitet papierów, który wybierał prace do publikacji w Philosophical Transactions of the Royal Society, oraz komitety tranzytu Wenus (1769), przyciągania grawitacyjnego gór (1774) i instrukcji naukowych dla ekspedycji Constantine’a Phippsa (1773) w poszukiwaniu bieguna północnego i przejścia północno-zachodniego. W 1773 roku Henry dołączył do ojca jako wybrany powiernik British Museum, któremu poświęcił wiele czasu i wysiłku. Wkrótce po założeniu Royal Institution of Great Britain, Cavendish został jego zarządcą (1800) i aktywnie się nim interesował, zwłaszcza w laboratorium, gdzie obserwował i pomagał w eksperymentach chemicznych Humphry’ego Davy’ego.

Badania chemiczneEdit

Aparatura Cavendisha do wytwarzania i gromadzenia wodoru

Około czasu śmierci ojca, Cavendish zaczął blisko współpracować z Charlesem Blagdenem, co pomogło Blagdenowi wejść w pełni do londyńskiego towarzystwa naukowego. W zamian, Blagden pomógł utrzymać świat na dystans od Cavendisha. Cavendish nie opublikował żadnych książek i niewiele prac, ale osiągnął wiele. Kilka obszarów badań, w tym mechanika, optyka i magnetyzm, jest szeroko opisywanych w jego rękopisach, ale rzadko pojawiają się one w jego opublikowanych pracach. Cavendish jest uważany za jednego z tak zwanych chemików pneumatycznych XVIII i XIX wieku, wraz z, na przykład, Josephem Priestleyem, Josephem Blackiem i Danielem Rutherfordem. Cavendish odkrył, że określony, osobliwy i wysoce łatwopalny gaz, który nazwał „łatwopalnym powietrzem”, powstaje w wyniku działania pewnych kwasów na pewne metale. Tym gazem był wodór, który Cavendish poprawnie odgadł w proporcji dwa do jednego w wodzie.

Chociaż inni, tacy jak Robert Boyle, przygotowali wodór wcześniej, Cavendishowi zwykle przypisuje się zasługę za rozpoznanie jego elementarnej natury. W 1777 r. Cavendish odkrył, że powietrze wydychane przez ssaki jest przekształcane w „powietrze stałe” (dwutlenek węgla), a nie w „powietrze złożone”, jak przewidywał Joseph Priestley. Ponadto, rozpuszczając zasady w kwasach, Cavendish wytwarzał dwutlenek węgla, który zbierał wraz z innymi gazami w butelkach odwróconych nad wodą lub rtęcią. Następnie zmierzył ich rozpuszczalność w wodzie i ciężar właściwy, a także odnotował ich palność. W swojej pracy z 1778 roku „Ogólne rozważania na temat kwasów” doszedł do wniosku, że oddychające powietrze stanowi kwasowość. Za tę pracę Cavendish otrzymał od Royal Society medal Copley Medal. Chemia gazów miała coraz większe znaczenie w drugiej połowie XVIII wieku i stała się kluczowa dla reformy chemii przeprowadzonej przez Francuza Antoine-Laurenta Lavoisiera, ogólnie znanej jako rewolucja chemiczna.

W 1783 roku Cavendish opublikował pracę na temat eudiometrii (pomiar przydatności gazów do oddychania). Opisał nowy eudiometr swojego wynalazku, za pomocą którego osiągnął najlepsze jak dotąd wyniki, wykorzystując to, co w innych rękach było niedokładną metodą pomiaru gazów przez ich ważenie. Następnie, po powtórzeniu eksperymentu przeprowadzonego przez Priestleya w 1781 r., Cavendish opublikował pracę na temat produkcji czystej wody poprzez spalanie wodoru w „zdeplenionym powietrzu” (powietrze w procesie spalania, obecnie znane jako tlen).Cavendish doszedł do wniosku, że spalanie wodoru, zamiast syntezy, powodowało kondensację wody z powietrza. Niektórzy fizycy interpretowali wodór jako czysty flogiston. Cavendish przekazał swoje odkrycia Priestleyowi nie później niż w marcu 1783 r., ale opublikował je dopiero w następnym roku. Szkocki wynalazca James Watt opublikował pracę na temat składu wody w 1783 roku; pojawiły się kontrowersje, kto pierwszy dokonał odkrycia.

W 1785 roku Cavendish zbadał skład zwykłego (tj. atmosferycznego) powietrza, uzyskując imponująco dokładne wyniki. Przeprowadził eksperymenty, w których wodór i zwykłe powietrze zostały połączone w znanych proporcjach, a następnie eksplodowały za pomocą iskry elektrycznej. Ponadto opisał eksperyment, w którym był w stanie usunąć, używając współczesnej terminologii, zarówno tlen, jak i azot z próbki powietrza atmosferycznego, aż do momentu, gdy w oryginalnej próbce pozostał jedynie mały pęcherzyk nieprzereagowanego gazu. Wykorzystując swoje obserwacje, Cavendish zauważył, że po określeniu ilości powietrza phlogisticated (azotu) i dephlogisticated (tlenu), pozostała objętość gazu równa 1/120 pierwotnej objętości azotu.Poprzez staranne pomiary został doprowadzony do wniosku, że „wspólne powietrze składa się z jednej części dephlogisticated powietrza , zmieszane z czterech phlogisticated „.

W latach dziewięćdziesiątych XIX wieku (około 100 lat później) dwaj brytyjscy fizycy, William Ramsay i Lord Rayleigh, zdali sobie sprawę, że ich nowo odkryty gaz obojętny, argon, był odpowiedzialny za problematyczne pozostałości Cavendisha; nie popełnił on błędu. To, co zrobił, to przeprowadził rygorystyczne eksperymenty ilościowe, używając znormalizowanych instrumentów i metod, których celem było uzyskanie powtarzalnych wyników; wziął średnią z wyników kilku eksperymentów; oraz zidentyfikował i uwzględnił źródła błędów. Waga, której używał, wykonana przez rzemieślnika o nazwisku Harrison, była pierwszą z precyzyjnych wag XVIII wieku i równie dokładna jak waga Lavoisiera (która według szacunków mierzyła jedną część na 400 000). Cavendish współpracował z producentami instrumentów, na ogół ulepszając istniejące instrumenty, a nie wymyślając zupełnie nowe.

Cavendish, jak wskazano powyżej, używał języka starej teorii flogistonu w chemii. W 1787 r. stał się jednym z najwcześniejszych poza Francją, aby przejść do nowej teorii antyflogistycznej Lavoisier, choć pozostał sceptyczny co do nomenklatury nowej teorii. Sprzeciwiał się również określeniu przez Lavoisiera ciepła jako mającego materialną lub elementarną podstawę. Pracując w ramach mechanizmu newtonowskiego, Cavendish zajął się problemem natury ciepła w latach 60. XVII wieku, wyjaśniając ciepło jako wynik ruchu materii.

W 1783 roku opublikował pracę na temat temperatury, w której zamarza rtęć i wykorzystał w niej ideę ciepła utajonego, choć nie użył tego terminu, ponieważ uważał, że implikuje on akceptację materialnej teorii ciepła. Wyraził swoje zastrzeżenia w pracy z 1784 r. na temat powietrza. Następnie rozwinął ogólną teorię ciepła, której rękopis został przekonująco datowany na późne lata osiemdziesiąte XVII wieku. Jego teoria była jednocześnie matematyczna i mechaniczna: zawierała zasadę zachowania ciepła (później rozumianą jako przypadek zachowania energii), a nawet zawierała pojęcie (choć nie etykietę) mechanicznego odpowiednika ciepła.

Gęstość ZiemiEdit

Po śmierci ojca Henry kupił kolejny dom w mieście, a także dom w Clapham Common (zbudowany przez Thomasa Cubitta), w tym czasie na południe od Londynu. W londyńskim domu znajdowała się większa część jego biblioteki, natomiast większość instrumentów trzymał w Clapham Common, gdzie przeprowadzał większość swoich eksperymentów. Najsłynniejszy z tych eksperymentów, opublikowany w 1798 roku, miał na celu określenie gęstości Ziemi i stał się znany jako eksperyment Cavendisha. Aparat, którego Cavendish użył do zważenia Ziemi, był modyfikacją wagi skrętnej zbudowanej przez Anglika i geologa Johna Michella, który zmarł, zanim zdążył rozpocząć eksperyment. Aparatura została wysłana w skrzyniach do Cavendisha, który ukończył eksperyment w latach 1797-1798 i opublikował wyniki.

Przyrząd eksperymentalny składał się z wagi skrętnej z parą 2-calowych 1,61-funtowych kul ołowianych zawieszonych na ramieniu wagi skrętnej i dwóch znacznie większych stacjonarnych kul ołowianych (350 funtów). Cavendish zamierzał zmierzyć siłę przyciągania grawitacyjnego między nimi. Zauważył, że aparatura Michella byłaby wrażliwa na różnice temperatur i indukowane prądy powietrza, więc dokonał modyfikacji, izolując aparaturę w oddzielnym pomieszczeniu z zewnętrznymi urządzeniami kontrolnymi i teleskopami do prowadzenia obserwacji.

Korzystając z tego sprzętu, Cavendish obliczył siłę przyciągania między kulkami na podstawie okresu oscylacji równowagi skrętnej, a następnie użył tej wartości do obliczenia gęstości Ziemi. Cavendish odkrył, że średnia gęstość Ziemi jest 5,48 razy większa niż gęstość wody. John Henry Poynting zauważył później, że dane powinny prowadzić do wartości 5,448, i rzeczywiście jest to średnia wartość z dwudziestu dziewięciu oznaczeń, które Cavendish zawarł w swojej pracy. To, co było niezwykłe w eksperymencie Cavendisha, to wyeliminowanie każdego źródła błędu i każdego czynnika, który mógłby zakłócić eksperyment, a także precyzja w pomiarze zadziwiająco małego przyciągania, zaledwie 1/50 000 000 masy ołowianych kulek. Wynik, jaki Cavendish uzyskał dla gęstości Ziemi, mieści się w granicach 1 procenta obecnie przyjętej liczby.

Praca Cavendisha doprowadziła innych do dokładnych wartości stałej grawitacyjnej (G) i masy Ziemi. Na podstawie jego wyników można obliczyć wartość G wynoszącą 6,754 × 10-11N-m2/kg2, która korzystnie porównuje się ze współczesną wartością 6,67428 × 10-11N-m2/kg2.

W książkach często opisuje się pracę Cavendisha jako pomiar albo G, albo masy Ziemi. Ponieważ są one związane z gęstością Ziemi przez trywialną sieć relacji algebraicznych, żadne z tych źródeł nie jest błędne, ale nie odpowiadają one dokładnemu wyborowi słów Cavendisha, a błąd ten został wskazany przez kilku autorów. Podanym celem Cavendisha było zmierzenie gęstości Ziemi, chociaż jego wynik oczywiście oblicza G, aby to zrobić.

Po raz pierwszy stała otrzymała tę nazwę w 1873 roku, prawie 100 lat po eksperymencie Cavendisha, ale stała była w użyciu od czasów Newtona. Wyniki Cavendisha podają również masę Ziemi.

Badania elektryczneEdit

Eksperymenty elektryczne i chemiczne Cavendisha, podobnie jak te dotyczące ciepła, rozpoczęły się, gdy mieszkał z ojcem w laboratorium w ich londyńskim domu. Lord Charles Cavendish zmarł w 1783 roku, pozostawiając Henry’emu prawie cały swój pokaźny majątek. Podobnie jak jego teoria ciepła, obszerna teoria elektryczności Cavendisha miała formę matematyczną i opierała się na precyzyjnych eksperymentach ilościowych. Wczesną wersję swojej teorii opublikował w 1771 r., opierając się na ekspansywnym płynie elektrycznym, który wywierał ciśnienie. Wykazał, że jeśli natężenie siły elektrycznej jest odwrotnie proporcjonalne do odległości, to na zewnętrznej powierzchni naelektryzowanej kuli znajduje się więcej płynu elektrycznego niż potrzeba do osiągnięcia neutralności elektrycznej; następnie potwierdził to doświadczalnie. Cavendish kontynuował pracę nad elektrycznością po tej pierwszej pracy, ale nie opublikował więcej na ten temat.

Cavendish pisał prace na tematy elektryczne dla Royal Society, ale większość jego eksperymentów elektrycznych nie stała się znana, dopóki nie zostały zebrane i opublikowane przez Jamesa Clerka Maxwella sto lat później, w 1879 roku, długo po tym, jak innym naukowcom przypisano te same wyniki. Prace elektryczne Cavendisha z „Philosophical Transactions of the Royal Society of London” zostały przedrukowane, wraz z większością jego rękopisów elektrycznych, w „The Scientific Papers of the Honourable Henry Cavendish, F.R.S.” (1921). Według wydania Encyclopædia Britannica z 1911 roku, wśród odkryć Cavendisha były: koncepcja potencjału elektrycznego (który nazwał „stopniem elektryzacji”), wczesna jednostka pojemności (dla kuli o średnicy jednego cala), wzór na pojemność kondensatora płytowego, pojęcie stałej dielektrycznej materiału, związek między potencjałem elektrycznym i prądem (obecnie nazywany prawem Ohma) (1781), prawa podziału prądu w obwodach równoległych (obecnie przypisywane Charlesowi Wheatstone’owi) i prawo odwrotności kwadratu zmiany siły elektrycznej z odległością, obecnie nazywane prawem Coulomba.

DeathEdit

Cavendish zmarł w Clapham 24 lutego 1810 roku (jako jeden z najbogatszych ludzi w Wielkiej Brytanii) i został pochowany, wraz z wieloma swoimi przodkami, w kościele, który jest obecnie Katedrą Derby. Droga, przy której mieszkał w Derby, została nazwana jego imieniem. Laboratorium Cavendisha na Uniwersytecie w Cambridge zostało ufundowane przez jednego z późniejszych krewnych Cavendisha, Williama Cavendisha, 7. księcia Devonshire (kanclerza Uniwersytetu w latach 1861-1891).