Lord Rayleigh e la scoperta dell'Argon, 13 Agosto 1894

Lord Rayleigh era il titolo di John William Strutt (1842-1919). Egli lavorò come professore di Fisica Sperimentale all'Università di Cambridge dal 1879 al 1884, come il successore di Maxwell, e presto servizio dal 1887 al 1905 alla Royal Institution di Londra. Gran parte della sua ricerca la realizzò nel suo laboratorio privato nella sua casa di Terling.

Il suo lavoro copriva gran parte della fisica, a testimonianza di ciò ricordiamo che prendono il suo nome il Rayleigh Scattering, l'equazione di Rayleigh-Jeans, il rifrattometro di Rayleigh , e il criterio di Rayleigh per la risoluzione di sorgenti luminose.

La  sua opera in due volumi "The Theory of Sound", 1042 pagine in tutto, pubblicato nel 1877, pietra miliare al momento della sua apparizione è ancora in stampa. Fu tra i fisici più eminenti della sua epoca. Alla fine ottenne il premio Nobel per la scoperta dell'Argon. Come ciò sia accaduto è una delle storie più interessanti negli annali della scienza.

Come fisico, Rayleigh tendeva ad essere diretto e deciso, con un chiaro obiettivo in mente. Nella scoperta dell'Argon, però, le cose procedettero in modo esattamente contrario. I suoi esperimenti non erano diretti a tale scoperta. Iniziò a lavorare per testare ipotesi di Prout che i pesi atomici di molti elementi sono multipli interi del peso atomico dell'idrogeno preso come unità.

Gli esperimenti particolarmente difficili sono descritti nella sua biografia, "Vita di John William Strutt, terzo Barone Rayleigh", da suo figlio Robert John Strutt. Rayleigh iniziò pesando idrogeno e ossigeno per determinare le loro densità. Un pallone da 2 litri fu vuotato, pesato, e poi pesato nuovamente dopo essere stato riempito con il gas. Il peso osservato è ovviamente influenzato dalla presenza dell'aria nella stanza dell'esperimento e la spinta verso l'alto da parte di quest'ultima è a sua volta influenzata dalla temperatura ambiente e dalla pressione barometrica. Gli esperimenti furono effettuati da un assistente di fiducia, supervisionati da Rayleigh stesso, e proseguirono per diversi anni. Il suo risultato per il rapporto tra la densità di ossigeno e idrogeno fu di 15,882, che sembrò contraddire il peso di 16 per l'ossigeno.

Per completare lo studio che poi si rivolse a quello che sembrava un problema più semplice, determinare il peso dell'azoto. Il modo più semplice per ottenere il gas "puro" era di rimuovere gli altri costituenti noti dell'aria, ossigeno, anidride carbonica e vapore acqueo, con mezzi chimici. Il suo risultato fu in buon accordo con una misurazione pubblicata diversi anni prima. A questo punto, prese la decisione che cambiò l'intero corso delle sue indagini. "Con la sua caratteristica prudenza voleva confermare il risultato con un metodo diverso di preparazione del gas." Ottene l'azoto da reazioni chimiche di ammoniaca o altri composti contenenti azoto. Il risultato fu una sorpresa. Dopo due anni di lavoro dovette concludere che l'azoto di origine chimica era sempre circa lo 0,5% meno denso di quello ottenuto dall'aria, ben al di là dell'errore sperimentale. Non era  in grado spiegarlo. La sua prima relazione dell'esperimento in Nature, 46, 512 [1892], iniziò "Sono molto perplesso da alcuni recenti risultati per quanto riguarda la densità di azoto, e sarò grato se uno dei vostri lettori è in grado di offrire suggerimenti a proposito." Nessuno si fece avanti.

Infine, William Ramsay, un chimico presso la University College di Londra, apprese i risultati di Rayleigh. Egli propose che l'aria potesse contenere un gas pesante precedentemente sconosciuto che non è stato rimosso dai metodi chimici utilizzati per rimuovere gli altri costituenti. Nello stesso periodo Rayleigh aveva appreso di un esperimento del fisico Henry Cavendish nel 1795, che aveva accennato a un componente sconosciuto dell'aria. Cavendish aveva miscelato aria con ossigeno supplementare e fatto passare scintille elettriche di un generatore elettrostatico attraverso il gas, a contatto con una soluzione alcalina. Questa operazione rimosse l'azoto e ossigeno ma al termine di un lungo esperimento una piccola quantità di gas era rimasta. Egli sugger che la bolla è un costituente gassoso non reattivo dell'atmosfera. L'esperimento non fu mai ripetuto e fu dimenticato per quasi cento anni. Rayleigh ripetette l'esperimento con attrezzature producenti una forte scarica elettrica. Questo funzionò, e fu prodotto circa un centimetro cubo di gas. Esso non mostrava la minima traccia dello spettro tipico dell'azoto, né mostrava alcuna reazione chimica.

Nel frattempo Ramsay dimostrato che il magnesio rovente rimuoveva sia l'azoto che l'ossigeno dall'aria. Accumulò abbastanza gas residuo per misurarne lo spettro, il calore specifico e altre proprietà. Rayleigh e Ramsay unirono i loro sforzi e confermarono l'esistenza di un nuovo, inerte, componente monoatomico dell'atmosfera. Annunciarono la loro scoperta nell' Agosto del 1894, alla riunione della British Association for Science. La relazione dell'associazione della loro ricerca fu stranamente breve per una scoperta così importante. Diceva, nella sua interezza:

Lunedi, 13 di agosto "1) si è tenuta una riunione congiunta con la Sezione A, in cui Lord Rayleigh, Sez. RS, e il professor W. Ramsay, FRS, hanno dato un resoconto preliminare di un nuovo costituente gassoso dell'aria."

Ramsay scopri l'elio [noto dallo spettro solare, ma precedentemente non rilevato sulla Terra], Ne, Kr, e Xe.

Questa scoperta riporta alla mente epitaffio di Alexander Pope per Isaac Newton: "le leggi di natura e la natura giacevano nascoste nella notte: Dio disse: Sia Newton e fu la luce!». L'Argon e altri quattro gas elementari giacevano nascosti in bella vista, presenti in ogni nostro respiro. La fisica diligente di Rayleigh e l'esperienza chimica di Ramsay li hanno portati alla luce.

Il nome "Argon" è stato proposto da HG Madan, dalla parola greca, che significa Aergon "inerti" o "pigro". Si tratta di una contrazione di due parole, "A" e "Ergon". La "a" è un prefisso che nega la parola seguente, come in "apolitico", o, meglio in questo caso, "atomo". "Ergon" è "energia", come nel "erg" della fisica.

Rayleigh e Ramsay ricevettero entrambi il premio Nobel nel 1904, Rayleigh per la fisica e Ramsay per la chimica.