Henry Cavendish

Cavendish non si teneva distaccato dagli altri uomini con uno spirito superbo o altezzoso, rifiutando di considerarli suoi pari. Si sentiva separato da loro da un grande abisso, che né loro né lui potevano colmare, e attraverso il quale era vano tendere le mani o scambiarsi saluti. Un senso di isolamento dai suoi fratelli lo faceva ritirare dalla loro compagnia e evitare la loro presenza, ma lo faceva come chi era consapevole di un'infermità, non vantandosi di un'eccellenza.

Henry Cavendish era un filosofo naturale inglese, scienziato e importante chimico e fisico sperimentale e teorico. È noto per la sua scoperta dell'idrogeno, che chiamò "aria infiammabile". Ha descritto la densità dell'aria infiammabile, che formava acqua durante la combustione, in un articolo del 1766, On Factitious Airs. Antoine Lavoisier in seguito ha riprodotto l'esperimento di Cavendish e ha dato all'elemento il suo nome.

Uomo notoriamente timido, Cavendish si è tuttavia distinto per una grande accuratezza e precisione nelle sue ricerche sulla composizione dell'aria atmosferica, sulle proprietà dei diversi gas, sulla sintesi dell'acqua, sulla legge che governa l'attrazione e la repulsione elettrica, su una teoria meccanica del calore e sui calcoli della densità e quindi della massa della Terra. Il suo esperimento per misurare la densità della Terra è diventato noto come l'esperimento di Cavendish.

Biografia

Primi anni

Henry Cavendish nacque il 10 ottobre 1731 a Nizza, dove la sua famiglia stava vivendo in quel momento. Sua madre era Lady Anne de Grey, quarta figlia di Henry Grey, 1° Duca di Kent, e suo padre era Lord Charles Cavendish, il terzo figlio di William Cavendish, 2° Duca di Devonshire. La famiglia tracciava la sua stirpe attraverso otto secoli fino ai tempi normanni, ed era strettamente collegata a molte famiglie aristocratiche della Gran Bretagna. La madre di Henry morì nel 1733, tre mesi dopo la nascita del suo secondo figlio, Frederick, e poco prima del secondo compleanno di Henry, lasciando Lord Charles Cavendish a crescere i suoi due figli. Henry Cavendish era denominato "The Honourable Henry Cavendish".

Dall'età di 11 anni Henry frequentò Newcome's School, una scuola privata vicino a Londra. All'età di 18 anni il 24 novembre 1748 entrò all'Università di Cambridge in St Peter's College, ora conosciuto come Peterhouse, ma se ne andò tre anni dopo il 23 febbraio 1751 senza ottenere una laurea in quel momento, una pratica comune. Poi visse con suo padre a Londra, dove presto ebbe il suo laboratorio.

Lord Charles Cavendish ha trascorso la sua vita prima nella politica e poi sempre più nella scienza, in particolare nella Royal Society di Londra. Nel 1758, portò Henry alle riunioni della Royal Society e anche alle cene del Royal Society Club. Nel 1760, Henry Cavendish fu eletto in entrambi questi gruppi, e da allora in poi fu assiduo nella sua partecipazione. Ebbe praticamente nessun ruolo nella politica, ma seguì suo padre nella scienza, attraverso le sue ricerche e la sua partecipazione nelle organizzazioni scientifiche. Era attivo nel Consiglio della Royal Society di Londra al quale fu eletto nel 1765.

Il suo interesse e la sua competenza nell'uso degli strumenti scientifici lo portarono a presiedere un comitato per rivedere gli strumenti meteorologici della Royal Society e ad aiutare a valutare gli strumenti del Royal Greenwich Observatory. Il suo primo articolo, Factitious Airs, apparve nel 1766. Altri comitati di cui fece parte includevano il comitato dei documenti, che sceglieva gli articoli per la pubblicazione nel Philosophical Transactions della Royal Society, e i comitati per il transito di Venere del 1769, per l'attrazione gravitazionale delle montagne nel 1774, e per le istruzioni scientifiche per la spedizione di Constantine Phipps del 1773 in cerca del Polo Nord e del Passaggio a Nord-Ovest. Nel 1773, Henry si unì a suo padre come amministratore fiduciario eletto del British Museum, al quale dedicò una buona quantità di tempo e sforzi. Subito dopo la fondazione della Royal Institution of Great Britain, Cavendish divenne un gestore nel 1800 e prese un vivo interesse, specialmente nel laboratorio, dove osservò e aiutò negli esperimenti chimici di Humphry Davy.

Ricerca in chimica

Circa al momento della morte di suo padre, Cavendish iniziò a lavorare a stretto contatto con Charles Blagden, un'associazione che aiutò Blagden a entrare pienamente nella società scientifica di Londra. In cambio, Blagden ha aiutato a mantenere il mondo a distanza da Cavendish. Cavendish non pubblicò libri e pochi articoli, ma realizzò molto. Diverse aree di ricerca, inclusi meccanica, ottica e magnetismo, sono ampiamente presenti nei suoi manoscritti, ma sono scarsamente presenti nei suoi lavori pubblicati. Cavendish è considerato uno dei cosiddetti chimici pneumatici del diciottesimo e diciannovesimo secolo, insieme, ad esempio, a Joseph Priestley, Joseph Black e Daniel Rutherford. Cavendish scoprì che un gas particolare, definito e altamente infiammabile, che chiamò "Aria Infiammabile", era prodotto dall'azione di certi acidi su certi metalli. Questo gas era l'idrogeno, che Cavendish correttamente ha indovinato essere proporzionato due a uno nell'acqua.

Sebbene altri, come Robert Boyle, avessero preparato gas di idrogeno in precedenza, a Cavendish è generalmente attribuito il merito di averne riconosciuto la natura elementare. Nel 1777, Cavendish scoprì che l'aria esalata dai mammiferi viene convertita in "aria fissa" anidride carbonica, non "aria filogistica" come predetto da Joseph Priestley. Inoltre, dissolvendo alcali in acidi, Cavendish ha prodotto anidride carbonica, che ha raccolto, insieme ad altri gas, in bottiglie invertite su acqua o mercurio. Ha quindi misurato la loro solubilità in acqua e il loro peso specifico, e ha notato la loro combustibilità. Ha concluso nel suo articolo del 1778 "General Considerations on Acids" che l'aria respirabile costituisce l'acidità. Cavendish è stato assegnato della Copley Medal della Royal Society per questo articolo. La chimica dei gas era di importanza crescente nella seconda metà del 18° secolo e divenne cruciale per la riforma della chimica del francese Antoine-Laurent Lavoisier, generalmente nota come la rivoluzione chimica.

Nel 1783, Cavendish pubblicò un articolo sull'eudiometria la misurazione della qualità dei gas per la respirazione. Ha descritto un nuovo eudiometro della sua invenzione, con il quale ha ottenuto i migliori risultati fino ad allora, utilizzando quello che in altre mani era stato il metodo inesatto di misurare i gas pesandoli. Poi, dopo una ripetizione di un esperimento del 1781 eseguito da Priestley, Cavendish pubblicò un articolo sulla produzione di acqua pura bruciando idrogeno in "aria deflogistica" aria nel processo di combustione, ora nota come ossigeno. Cavendish ha concluso che invece di essere sintetizzata, la combustione dell'idrogeno ha causato il condensamento dell'acqua dall'aria. Alcuni fisici hanno interpretato l'idrogeno come flogisto puro. Cavendish ha riferito i suoi risultati a Priestley non più tardi di marzo 1783, ma non li ha pubblicati fino all'anno seguente. L'inventore scozzese James Watt ha pubblicato un articolo sulla composizione dell'acqua nel 1783; ne è seguita una controversia su chi abbia fatto la scoperta per primo.

Nel 1785, Cavendish ha investigato la composizione dell'aria comune cioè atmosferica, ottenendo risultati impressionantemente accurati. Ha condotto esperimenti in cui l'idrogeno e l'aria ordinaria erano combinati in rapporti noti e poi fatti esplodere con una scintilla di elettricità. Inoltre, ha anche descritto un esperimento in cui è stato in grado di rimuovere, in terminologia moderna, sia i gas ossigeno che azoto da un campione di aria atmosferica fino a quando rimase solo una piccola bolla di gas non reagito nel campione originale. Usando le sue osservazioni, Cavendish ha osservato che, quando aveva determinato le quantità di aria filogistica azoto e aria deflogistica ossigeno, rimase un volume di gas pari a 1/120 del volume originale di azoto. Attraverso misurazioni attente è stato portato a concludere che "l'aria comune consiste di una parte di aria deflogistica".

Negli anni 1890 circa 100 anni dopo due fisici britannici, William Ramsay e Lord Rayleigh, si resero conto che il loro gas inerte appena scoperto, l'argon, era responsabile del residuo problematico di Cavendish; non aveva commesso un errore. Quello che aveva fatto era eseguire esperimenti quantitativi rigorosi, utilizzando strumenti e metodi standardizzati, mirati a risultati riproducibili; prendere la media del risultato di diversi esperimenti; e identificare e tenere conto delle fonti di errore. La bilancia che ha utilizzato, realizzata da un artigiano di nome Harrison, era la prima delle bilance di precisione del 18° secolo, e accurata quanto quella di Lavoisier che è stata stimata misurare una parte su 400.000. Cavendish ha lavorato con i suoi costruttori di strumenti, generalmente migliorando gli strumenti esistenti piuttosto che inventarne di completamente nuovi.

Cavendish, come indicato sopra, ha usato il linguaggio della vecchia teoria del flogisto in chimica. Nel 1787, è diventato uno dei primi al di fuori della Francia a convertirsi alla nuova teoria antiflologistica di Lavoisier, anche se rimase scettico sulla nomenclatura della nuova teoria. Ha anche obiettato all'identificazione di Lavoisier del calore come avente una base materiale o elementare. Lavorando all'interno del quadro del meccanismo newtoniano, Cavendish aveva affrontato il problema della natura del calore negli anni 1760, spiegando il calore come il risultato del movimento della materia.

Nel 1783, ha pubblicato un articolo sulla temperatura a cui il mercurio si congela e in quell'articolo ha fatto uso dell'idea di calore latente, anche se non ha usato il termine perché credeva che implicasse l'accettazione di una teoria materiale del calore. Ha reso esplicite le sue obiezioni nel suo articolo del 1784 sull'aria. Ha poi sviluppato una teoria generale del calore, e il manoscritto di quella teoria è stato datato in modo convincente alla fine degli anni 1780. La sua teoria era contemporaneamente matematica e meccanica: conteneva il principio della conservazione del calore successivamente inteso come un'istanza della conservazione dell'energia e includeva anche il concetto sebbene non l'etichetta dell'equivalente meccanico del calore.

Densità della Terra

Dopo la morte di suo padre, Henry ha comprato un'altra casa in città e anche una casa a Clapham Common costruita da Thomas Cubitt, in quel momento a sud di Londra. La casa di Londra conteneva la maggior parte della sua biblioteca, mentre manteneva la maggior parte dei suoi strumenti a Clapham Common, dove ha condotto la maggior parte dei suoi esperimenti. L'esperimento più famoso di quelli, pubblicato nel 1798, è stato per determinare la densità della Terra e divenne noto come l'esperimento di Cavendish. L'apparato che Cavendish ha usato per pesare la Terra era una modifica della bilancia di torsione costruita da John Michell, inglese e geologo, che morì prima di poter iniziare l'esperimento. L'apparato è stato inviato in casse a Cavendish, che ha completato l'esperimento nel 1797–1798 e ha pubblicato i risultati.

L'apparato sperimentale consisteva in una bilancia di torsione con un paio di sfere di piombo da 2 pollici 1,61 libbre sospese dal braccio di una bilancia di torsione e due palle di piombo stazionarie molto più grandi da 350 libbre. Cavendish intendeva misurare la forza dell'attrazione gravitazionale tra i due. Ha notato che l'apparato di Michell sarebbe stato sensibile alle differenze di temperatura e alle correnti d'aria indotte, così ha fatto modifiche isolando l'apparato in una stanza separata con controlli esterni e telescopi per effettuare osservazioni.

Utilizzando questa apparecchiatura, Cavendish ha calcolato l'attrazione tra le palle dal periodo di oscillazione della bilancia di torsione, e poi ha usato questo valore per calcolare la densità della Terra. Cavendish ha scoperto che la densità media della Terra è 5,48 volte maggiore di quella dell'acqua. John Henry Poynting ha successivamente notato che i dati avrebbero dovuto portare a un valore di 5,448, e infatti questo è il valore medio delle ventinove determinazioni che Cavendish ha incluso nel suo articolo. Quello che era straordinario nell'esperimento di Cavendish era l'eliminazione di ogni fonte di errore e di ogni fattore che potesse disturbare l'esperimento, e la sua precisione nel misurare un'attrazione straordinariamente piccola, un mero 1/50.000.000 del peso delle palle di piombo. Il risultato che Cavendish ha ottenuto per la densità della Terra è entro l'1 percento della figura attualmente accettata.

Il lavoro di Cavendish ha portato altri a valori accurati per la costante gravitazionale G e la massa della Terra. Basandosi sui suoi risultati, si può calcolare un valore per G di 6.754 × 10−11 N-m2/kg2, che si confronta favorevolmente con il valore moderno di 6.67428 × 10−11 N-m2/kg2.

I libri spesso descrivono il lavoro di Cavendish come una misurazione di G o della massa della Terra. Poiché questi sono correlati alla densità della Terra da una banale rete di relazioni algebriche, nessuna di queste fonti è sbagliata, ma non corrispondono alla scelta di parole esatta di Cavendish, e questo errore è stato sottolineato da diversi autori. L'obiettivo dichiarato di Cavendish era misurare la densità della Terra, anche se il suo risultato ovviamente calcola G per farlo.

La prima volta che la costante ha ricevuto questo nome è stata nel 1873, quasi 100 anni dopo l'esperimento di Cavendish, ma la costante era in uso dall'epoca di Newton. I risultati di Cavendish danno anche la massa della Terra.

Ricerca elettrica

Gli esperimenti elettrici e chimici di Cavendish, come quelli sul calore, erano iniziati mentre viveva con suo padre in un laboratorio nella loro casa di Londra. Lord Charles Cavendish morì nel 1783, lasciando quasi tutto il suo patrimonio molto sostanziale a Henry. Come la sua teoria del calore, la teoria completa dell'elettricità di Cavendish era matematica nella forma ed era basata su precisi esperimenti quantitativi