佔空氣1%的氬氣，
為什麼超過百年都沒被發現？ ― 因為氮氣的重量差了0.5%
氬氣是一種不與任何物質結合的氣體，因此完全逃過了化學檢驗。促成它被發現的關鍵，是原本應該相同的氮氣，重量竟出現了約兩百分之一的落差。
學校教過「空氣中氮氣約占八成、氧氣約占兩成」，加起來幾乎是100%，感覺這樣就是全部了。
然而，新聞常提到的二氧化碳，其實只占空氣的0.04%左右。那麼剩下的約1%是什麼呢？答案是氬氣。它在你現在呼吸的空氣中，含量是二氧化碳的20倍以上。
明明如此常見，卻直到1894年才被發現。而空氣的研究，早在一百多年前就已相當興盛。為什麼沒有人注意到呢？
沒被發現的理由，只有兩個
當時檢驗氣體的方法，是「讓它與其他物質反應，看看會生成什麼」。氬氣不會燃燒，也不與任何物質結合，從一開始就沒被化學檢驗的網子撈到。
把空氣中的氧氣和水分去除後，剩下的都被當成「氮氣」。氬氣就這樣以約1%的比例混在其中，唯一的辨識線索，只有極其微小的重量差異。
突破這兩道關卡的，是英國物理學家瑞利爵士鍥而不捨、極為仔細的重量測量。接下來依序說明。
化學檢驗，為什麼會漏掉氬氣？
18到19世紀的化學家，是靠「會和什麼發生反應」來辨別氣體。氧氣能助燃，二氧化碳會使石灰水變混濁，反應方式就是該氣體的身分標籤。
氬氣沒有這張標籤。因為它原子最外層的電子，剛好排得滿滿的，不需要與其他原子交換電子，幾乎不會形成化合物。只靠反應來檢驗的話，氬氣就等於「不存在」。
其實線索更早就出現過。1785年，英國的卡文迪西對空氣中的氮氣施加電火花，使其與氧氣反應並加以去除。結果最後總是會殘留一個小氣泡，記錄顯示其體積不到原本的120分之1。然而，這個氣泡的真面目一直沒人追查，就這樣過了一百多年。
為什麼靠「秤重」就找到了？
1890年前後，瑞利爵士正在研究如何盡可能精確地測量氣體的重量。於是他用兩種方法製備氮氣：一種是從空氣中去除氧氣、水分等雜質後得到的；另一種是分解氨等化合物製成的。
兩者理應都是「純氮氣」。但在相同體積下比較，從空氣中取得的氮氣，卻總是重了約0.5%（圖1左）。無論改變測量方式，或換不同的化合物，這個差距都不會消失。
兩百分之一的差距，其實大可當成測量誤差處理掉。但瑞利爵士沒有這麼做，1892年他在科學期刊上投書，詢問「是否有人知道這個差距的原因」。回應他的人，是化學家拉姆齊。
兩人將從空氣中取得的氮氣，用加熱的鎂或電火花徹底反應、去除乾淨，結果仍有約1%怎麼樣都不反應的氣體殘留下來。用光譜分析後，發現了與任何已知元素都不同的光線。1894年，兩人將其發表為新元素，並以希臘文中意為「懶惰者」的字命名。
氬氣的發現，讓人們意識到週期表中整整漏掉了一整族「不反應的氣體」。拉姆齊之後從地表礦物中提取出氦氣，1898年又以逐步蒸發液化空氣的方式，找到了氖、氪、氙。1904年，瑞利爵士獲得諾貝爾物理學獎，拉姆齊則獲得諾貝爾化學獎。
一般認為，空氣中的氬氣絕大多數，是岩石所含的放射性鉀，歷經數十億年逐漸轉變而成，再透過火山等途徑從地球內部滲出、累積至今。因為幾乎不與任何物質反應，一旦進入空氣，就會持續留存不消失。
總結
氬氣因為幾乎不與任何物質反應，逃過了化學檢驗一百多年。發現它的關鍵，是有人沒有放過「氮氣重量竟差了0.5%」這個微小的異常。正因為沒有把小小的落差當成「誤差」草草了事，才促成了週期表上整整一欄的發現。
你現在呼吸的空氣裡，有1%是沒有身分標籤的氣體。
找出它的，不是化學反應，而是一台「秤」。
空氣中微量成分發揮重大作用的例子，可見只占空氣0.04%的二氧化碳，為什麼能改變氣溫？。另一則常識被證據推翻、定說因此改變的故事，請見隕石會從天而降，為什麼古代學者不相信？。
- 將500毫升的寶特瓶裝滿水，把它當作「一次呼吸的量」。
- 用量匙取出其中1%、也就是5毫升（一小茶匙）的水放到另一個容器裡，這大約就是一次呼吸中所含的氬氣量。
- 接著用滴管或眼藥水瓶一滴一滴滴水，取出約0.2毫升（幾滴）的水，這大約就是二氧化碳的量。把兩者放在一起比較看看。
一小茶匙和幾滴水，看起來都像是「一點點」，但兩者相差20倍以上。就是這樣的量，僅僅因為不會反應，就被人們忽略了這麼久。一滴水大約以0.05毫升為基準。
想知道更多 ― 用語、公式與教科書的連結從國中理科到大學專業科目，明確標示這是哪個程度的內容
- 國中國中理科課程範圍
- 高中高中「化學基礎・化學」課程範圍
- 高中＋高中選修內容，或教科書專欄程度的內容
- 大學高中不教、屬於大學專業科目（無機化學、地球化學）的內容
- 研究連大學都還沒教成「定論」，是研究者目前正在探討的內容
國中用語：這個現象是有名字的
- 氬氣：原子序18的元素，空氣中約含0.93%，無色無味的氣體。
- 惰性氣體（稀有氣體）：氦、氖、氬、氪、氙等，週期表最右側一欄的元素，幾乎不形成化合物。
- 密度：固定體積所對應的重量。溫度、壓力相同的氣體中，粒子越重，密度就越大。
國中高中用算式驗證：混入1%的氬氣，真的會重0.5%嗎？
從空氣中取得的「氮氣」，其實混有氬氣。根據混合比例，計算氮氣重量會增加多少，再與瑞利爵士的測量結果比較。表中的分子量，是代表粒子相對重量的數字，沒有單位。
| 氮氣的分子量 | 約28.0 |
| 氬氣的原子量 | 約39.9 |
| 乾空氣中氮氣的比例 | 約78.1% |
| 乾空氣中氬氣的比例 | 約0.93% |
| 從空氣取得之氮氣的密度（瑞利爵士測量） | 每升約1.2572克 |
| 由化合物製成之氮氣的密度（同上） | 每升約1.2505克 |
| 殘留為「氮氣」的氣體比例（%） | 78.1 ＋ 0.93 ＝ 79.03 |
| 其中氬氣所占比例 | 0.93 ÷ 79.03 ≒ 0.0118 |
| 一個氬氣比氮氣重多少 | 39.9 − 28.0 ＝ 11.9 |
| 混入後增加的平均重量 | 11.9 × 0.0118 ≒ 0.14 |
| 相對於氮氣增加的比例 | 0.14 ÷ 28.0 ＝ 0.005 |
| 實測的重量比 | 1.2572 ÷ 1.2505 ≒ 1.0054 |
| 氬氣是二氧化碳的幾倍 | 0.93 ÷ 0.04 ≒ 23 |
| 一次呼吸（500毫升）中的氬氣量 | 500 × 0.0093 ≒ 4.7 |
計算結果約重0.5%，實測約重0.54%，兩者幾乎一致。1%的混雜物，換算成重量卻只有0.5%的差異，這個微小程度，正是延遲發現的原因之一。
| 符號・用語 | 意義與單位 |
| 分子量・原子量 | 以碳原子為12時，粒子相對重量（無單位） |
| % | 體積比例（氣體中幾乎等同於粒子數比例） |
| 密度 | 每升的克數（在0℃、1大氣壓下比較） |
高中高中＋為什麼惰性氣體不會反應
高中原子最外層電子數達到固定數目（多半是8個）時會趨於穩定。鈉、氯會藉由給出或接收電子來接近這個狀態，因此容易反應。氬氣一開始最外層電子就已滿8個，沒有必要與其他原子交換電子。
高中＋氣體密度與粒子重量成正比，依據的是亞佛加厥定律：「溫度、壓力、體積相同的氣體，不論種類，所含粒子數都相同」。瑞利爵士的方法，其實正是利用這個定律，測量出看不見的粒子的平均重量。
大學氬氣的來源，以及「不反應」的極限
一般認為，空氣中的氬氣絕大部分是質量數40的同位素，由岩石中的鉀40經放射性衰變而成。而在整個宇宙中，質量數36的氬氣則較多，由此可知地球空氣的成分記錄著地球內部的歷史。也有人利用這種衰變來測定火山岩的年代。另一方面，「完全不反應」其實言過其實，自1962年成功合成氙的化合物以來，較重的惰性氣體已知能形成化合物。至於氬氣，目前只有在極低溫下才能維持的不穩定化合物被報告過。
研究目前仍未完全釐清的事
- 地球內部究竟釋出了多少氬氣。 地球誕生後短時間內一次釋出的量，與之後緩慢釋出的量各占多少比例，依地函混合模型不同而有不同估算。
- 為什麼其他行星的惰性氣體與地球不同。 金星、火星大氣中惰性氣體的比例與地球不同，這被當作研究行星如何獲得或失去大氣的線索。
- 能否製造出穩定的氬氣化合物。 計算顯示，在高壓下氬氣可能與其他元素結合，但實驗驗證仍相當有限。
也就是說，本文的內容也只是「目前已知範圍內的說明」。尤其地球的空氣何時、如何形成，至今仍持續以惰性氣體為線索不斷被改寫。
與教科書的連結（依程度區分）
| 程度 | 科目・單元 | 對應本文何處 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科・氣體的性質、空氣的成分 | 氮、氧、氬的比例，密度 |
| 高中 | 化學基礎・週期表與電子組態 | 惰性氣體不反應的原因 |
| 高中＋ | 化學・氣體定律 | 亞佛加厥定律與密度比較 |
| 大學 | 無機化學・地球化學 | 鉀40的衰變、惰性氣體化合物 |
| 研究 | 行星科學・地球內部脫氣 | 空氣中氬氣的來源、行星間的差異 |
| ― | 與生活的連結 | 呼吸的空氣成分、不放過微小落差的態度 |
- 諾貝爾基金會 1904年諾貝爾物理學獎（瑞利爵士）
- 諾貝爾基金會 1904年諾貝爾化學獎（拉姆齊）
- Rayleigh, Lord and Ramsay, W. (1895) Argon, a New Constituent of the Atmosphere. Philosophical Transactions of the Royal Society of London A 186
- 國立天文台 編《理科年表》（国立天文台編『理科年表』） 大氣組成
- 高中「化學基礎」教科書（高等学校「化学基礎」教科書） 週期表・電子組態、氣體的性質
※本文為大眾科普解說。文中數值僅為幫助理解原理的參考概算。歷史測量值因資料來源不同，記載上可能略有差異。