燃烧实验
人类对各种自然现象的认识，都有一部曲折发展的历史。拿我们日常生活中经常用到的火来说，人们对它的认识，从北京猿人使用野火到今天，已经有5000万年以上的历史。在认识火和燃烧现象的漫长征途上，充满了许许多多的风浪和波折。回顾这个历史，我们可以看到，人类对事物的认识是怎样在错综复杂的矛盾和斗争中辩证地发展的。
千古之谜
火是一种常见的自然现象。我们都见过枯槁的野草和树枝着火的情景，可是在自然界里会着火的又岂止草木。火山爆发时，熔岩滚滚；鼓风炉里，烈焰翻腾，这些都是坚硬无比的石头在燃烧。就是钢筋铁骨，也不免会被猛火烧成灰渣。就连太空中炎炎的烈日，又何尝不是一个燃烧着的大火球。
关于火，古代流传着许多神话和传说。在古希腊的神话中，据说人间的火是天神普罗米修斯冒着触犯天规的危险从天上偷到人间来的。在我国古代，人们则传说，火是一个叫燧人氏的人发明的。古代劳动人民通过对幻想中的驯火英雄的崇敬来表达他们要求征服自然的美好愿望。同时，这些神话和传说也十分自然地留下了我们先辈对自然界缺乏认识的痕迹。他们虽然已经通过用火感受到了火的光明和温暖。但在他们看来，火还是那么不可理解，是一种神秘莫测的东西。所以，在他们心目中，能驯服火的只有神仙或圣人。
当然，在古代，由于生产力水平低下，人们的认识还很难正确地反映自然界，火终究不是神，也没有什么赐火予人的神仙或圣人。
什么是火，当火成为人们生活和生产不可缺少的东西的时候，人们就十分自然地把火看成是宇宙万物的来源。我国古代“五行”说的金木水火土中有火；古代印度“四大”说的地水火风中有火；古希腊“四元”说的水土火气中也有火；古希腊的赫拉克利特甚至把整个世界都看成是“一团永恒的活火”。
在古代人看来，火是一切事物中最积极、最活跃、最容易变化的东西。它能促成事物的转化，整个世界就在烈火中永恒不息地变化着。要问火本身是什么，人们还只能依托于感觉，在古代哲学家的眼中，火就被看成是干和热两种原始性质的化身。人们从崇尚火到感觉火，从不会用火到学会用火，从只会用野火，到发现钻木取火。这都是人类同大自然长期斗争的结果。
用火，是人们认识火的真正起点。用了火，就能把石头炼成金属，把砂粒和灰碱烧成了玻璃。于是，人们开始认识到，火除了发光、发热之外，还能使物质发生变化。这样，火就不仅仅是光和热的化身，而成了变革物质的强大力量。
火山爆发、雷电轰击、陨石落地和长期干旱都可能产生火。人类在实践中不仅感觉到了黑暗中火带来的光明，寒冷中火的温暖，而且还发现了经过火烧过的食物更为可口，在熊熊的大火面前，动物相望而逃，火还能够驱赶猛兽，保护人们的生命安全。于是人们从野火中引来了火种，使火为人类服务。这是人类支配自然的伟大开端。
人类掌握了火，可以用火来烧烤野兽的肉和植物的根茎，从而结束了原始人类那茹毛饮血的野蛮而落后的时代。吃熟食不但减少了疾病的发生，缩短了消化过程，同时也为脑髓的发育提供了丰富的营养，使人类大脑的发育一代比一代完善起来。摩擦生火是人类在生产实践中发明的，在打制石器的过程中，往往发现某些石头相击会产生火星。人们在使用木制工具时，发现枯木被猛力相摩擦就会发热，摩擦出的木屑热到一定程度也会生成火星，火星由于周围有较高的温度，燃烧时间相对较长，若再遇到易燃的干草之类的纤维，就能燃起火焰。于是人们由此发明了钻木取火等方法。人们尝试着用火去烧烂泥、石头之类的东西时，马上就在改造自然的斗争中取得了一系列的重大成果。制陶术的出现，就是用火烧烂泥的直接结果。后来，人们又从石头里烧出了金属。自然界里含锡的铜矿石，经过粗糙的烧炼，就能得到自然的青铜。又过了许多年，人们才学会了炼铁，制造铁器。
烧陶要善于掌握火候，烧青铜需要更高的温度，至于炼铁，对用火技术的要求就更高了。所以，从发明摩擦取火，经过陶器时期，青铜时代，一直到铁器时代，这里的每一个进步，都同火有着密切的联系，都反映着人类利用火、控制火的能力和水平的提高和进步。随着火的利用不断扩大，煮盐、酿酒、烧玻璃等生产技术陆续出现。从此，人类要发展生产，再也离不开火了。火成了人类改造自然的重要武器，成了“人类新的解放手段”。
火既然能使事物千变万化，那么使粪土化为黄金又何尝不可能呢？
公元1世纪，在古希腊的亚历山大里亚城就流传着一种制造“黄金”的工艺，人们用锡、铅、铜、铁等金属熔制成一种黑色熔块，随后加些水银或砒霜使它变白，最后涂上一层硫磺石灰液或媒染剂，使它呈现金黄色的光泽，“黄金”就制成了。
炼金术起源于炼制金属的实践。古代随着冶金技术的发展，人们已经学会用混合各种矿石或在现成的金属里添加各种成分的方法来炼制各种金属。当时，人们只能根据颜色和光泽来分辨金属的“贵贱”，看到金黄、银白就以为黄的是金，白的是银。人们偶然制得一些光泽和色彩都很像金银的合金，便以为是真的黄金和白银。少年朋友们，今天，当你们听到这些无知的人们的所作所为时，你们一定会觉得很荒唐可笑吧。可是，他们有自己的一套自圆其说的理论，每日津津乐道地陶醉在自己的梦想之中。他们认为，之所以能把黑铁化为黄金是因为一切金属在本质上是一样的，都是阳性、火性、燃烧性的“硫”和阴性、水性、挥发性的“汞”相结合的产物。这里所说的硫和汞还不是我们今天所指的化学元素，而是某些神秘的本原。金属的“贵贱”决定于这两种本原在量上的差异。汞多就“贵”，硫多就“贱”。而火在他们的手里就更加神秘了，他们认为，火能烧去其中的硫，留下贵重的汞。所以贱金属愈烧愈精，最后变成宝贵的黄金。
炼金术从我国起源，最后传入欧洲，先后在我国、阿拉伯国家和欧洲的封建社会里盛传了一千七百多年。长期以来，烧金术士脱离劳动人民的实践，关在与世隔绝的幽暗的丹房里，沉醉于点石成金、发现“人造黄金”的梦想之中。虽然他们也长期用火，但是方向错了，指导思想也错了。他们始终没有把人类对火的认识，对燃烧现象本质的认识推进一步。在炼金术支配着火的漫长时期内，关于火和燃烧现象的学说，本质上是唯心主义的，他们把火看成是构成万物的元素和本原，认为物体燃烧则有火分解出来，而留下的是像土或盐那样的灰烬。炼金术士的神话根本无法解答与燃烧现象有关的各种问题。
火微粒与火燃素
大规模用火的实践，把人对火的认识大大地推进了一步。火，在炼金术士的手里，几乎没有结出多少有益的果实。但一旦从炼金术士的丹房里解放出来，却产生了巨大的成果。生产的发展，需要通过化学实验来了解火和燃烧现象的本质。但是，炼金术关于燃烧的神话，严重地阻碍着人们对火的认识的发展。要进步，就必须扫除横在前进道路上的这些障碍和绊脚石。于是，一场近代化学反对经院哲学和炼金术的斗争，就不可避免地爆发了。站在这一斗争前列的是英国资产阶级的早期活动家罗伯特波义耳。波义耳，这个曾经访问过罗马，被意大利文艺复兴运动和伽利略反对经院哲学的斗争深深激动着的年轻人，在1644年——英国资产阶级革命的高潮中，返回祖国，开始从事自然科学的研究。
如果只看现象，许多物体经过燃烧后确确实实都化为灰烬。特别是植物燃烧，在燃烧后只留下了不多的一点灰，似乎它们在燃烧时真有大量的火分解出来似的。但是，波义耳却注意到，金属在燃烧以后，剩下来的灰渣往往比金属本身重，金属的灰渣比金属本身还要复杂。可见，炼金术关于物质构成和火的观念是根本错误的。他们的理论像孔雀的羽毛，虽然好看，但却没有什么用处。
波义耳收集了大量的材料，并亲自做实验来研究这一问题。1603年，他开始了对火的燃烧现象的定量实验。他在密闭的容器内煅烧金属铜、铁、铅、锡等，他发现，燃烧后的这些金属都无例外地增加了重量。这个重量是从哪里来的呢？是不是某种有重量的东西，穿过容器壁上的微孔，跑进容器，同里面的金属结合起来了？如果是，这种东西又是什么呢？经过反复思考，波义耳认为，这种东西就是火。火应当是一种实实在在，由具有重量的“火微粒”所构成的物质元素。从这个观念出发，他认为，植物燃料在燃烧时，物体的极大部分都变成火焰散失到空气中去，只留下了同物体本身的重量相比是微不足道的灰。而金属燃烧时，从燃料中散发出来的火微粒钻进了金属，并与它结合而形成了比金属本身要重的煅灰。所以，他对金属经煅烧而加重的解释可以用一个式子表达出来，那就是：金属+火微粒=煅灰。他把煅灰看成是金属的化合物，这比起炼金术的说法要前进了一步，而且也似乎有一定的科学性，因为它毕竟是经过一定的实验而得出的结论，并非背离事实的主观臆想。但是，波义耳的实验太片面了，他在实验中只注意到密闭容器里的金属重量增加的一面，而没有同时考察和金属密切地接触着的空气是否也发生了变化的一面。
火微粒为什么只会钻进结构紧密的金属，使它增加重量，而不能钻进木头、石头等这些结构比较松散的东西，使它们的重量也有所增加呢？这些复杂而又矛盾的现象又怎能用机械的“火微粒”来解释呢？波义耳的火微粒显然不能被人们所接受，它很快就被新的理论所取代，这也是历史的必然。
为了统一对燃烧现象的认识，18世纪初，普鲁士王的御医施塔尔，在概括已有观念和综合各种事实的基础上，把炼金术的燃烧性“硫”和波义耳的“火微粒”结合在一起，提出了一种折中的学说——燃素说。
燃素说把火看成是由无数细小而活泼的微粒构成的物质实体。这种火的微粒既能同其他物质元素结合而形成化合物；也能以游离方式存在，所谓的游离就是单独存在的形式。游离的火微粒大量地聚集在一起，能形成明显的火焰，弥散于大气之中，给人以热的感觉。由这种火微粒构成的火的元素，就叫做“燃素”。
按照燃素说，燃素充塞于天地之间，流动于雷电风云之中。在地球上，动物、植物、矿物都含有燃素。大气中含有燃素，因而会在空气中引起闪电，而使大气动荡不已；生物中含有燃素，所以才生机勃勃；无生命物质含有燃素，就会燃烧起来。燃素不仅具有各种机械性质，而且又像灵魂一样，本身就是一种动因，是“火之动力”。物体失去燃素，变成死的灰烬。灰烬获得燃素，物体又会复活。
当用燃素说解释燃烧现象时，则可以认为一切与燃烧有关的化学变化都可以归结为物体吸收燃素和释放燃素的过程。煅烧金属，燃素逸去，变成煅渣；煅渣和木炭共燃时，煅渣又从木炭中取得燃素，金属重生。燃烧硫磺，燃素逸去，变成硫酸；硫酸和松节油共煮时，又从松节油里夺回燃素，硫酸又被还原成硫磺。在燃素说看来，物体中含有燃素越多，燃烧起来就越旺，比如说：油脂、炭黑、硫、磷就是极富有燃素的物质。“燃素”的含义似乎与火微粒相像，但要知道，他们两方对金属煅烧过程的解释却恰恰相反，按照燃素说，其过程可以表示为：金属-燃素=煅灰。
燃素说虽然比炼金术能解释更多定性的化学现象，但是它同炼金术一样不能解释金属煅烧增重的事实。既然金属在煅烧时要逸出燃素，为什么煅渣的重量反倒增加了呢？为了说明这一点，人们不得不加给燃素一些神秘莫测的性质。有人说，燃素是和地心相排斥的，具有负重量，因此金属失去燃素时，重量反而增加了。有人说，金属失去燃素，就好像活着的人失去灵魂，死了的尸体比活着的躯体要重，死的灰渣自然就比活的金属重。
机械论者看不到燃烧现象的本质，任意杜撰了一个由莫须有的“火微粒”所造成的燃素。然而，用燃素又不能解释全部燃烧现象。怎么办？在科学还深深禁锢在神学之中的历史情况下，形而上学的机械论只好转向传统的神秘论求救，以为只要给燃素这个“臆想出来的”物质再加上一些臆想出来的神秘特性，就可以把它变得像灵魂一样神通广大。所以，在燃素说中还深深地遗留着“万物有灵论”的痕迹。这样，它当然经不起实践的考验。经过人们多方探索，结果谁也没能拿到燃素，特别是人们对化学反应更多地进行了定量研究后，越来越使燃素说陷入了无法克服的困境。
燃烧和空气
中国有句俗语叫“火仗风势”，意思是说空气流通越好，火着得越旺，沙土能够熄灭熊熊燃烧的火，就是因为沙土将空气和火分离开了，从而使火熄灭的缘故。火和空气往往是不可分的，要燃烧总要有空气。所以要对燃烧现象有比较深入的了解，就要知道燃烧和空气的关系，揭示火与气的内在联系。
实际上，远在古代，人们早就在日常生活和生产实践中，掌握了鼓风助燃的道理。鼓风就是鼓空气，空气鼓得越足，火焰也越旺盛。但是，在整个古代，人们对自然现象还缺乏细致的分析。火和空气到底有没有关系呢？有许多人看来，还是个谜。直到后来有一次，波义耳把一个玻璃瓶中的空气抽成真空状态，再在这个抽成真空的瓶中点燃蜡烛、焦炭、硫磺等可燃物体，结果发现它们都不能燃烧，完全失去了燃烧能力。他发现，火焰不能在这个抽成真空的瓶中存在。这样，人们才意识到火和空气之间原来是有着必然联系的。
火和空气有联系，那么是什么样的联系呢？在17世纪下半叶，英国的物理学家和化学家胡克曾对此问题有过研究。在他看来，空气好比一种溶剂，燃烧就是可燃性硫在空气中溶解的过程。当可燃性物体中的硫大量地溶解到空气中去的时候，产生了许多热，这就是火。在燃素说发展起来以后，空气就十分自然地变成了燃素的溶剂。有空气，燃素就能溶解出来；没有空气，燃素自己不会从物体中跑出来。所以，直到18世纪上半叶，人们对空气的认识还相当笼统和模糊。空气是“空气”，其他气体也是“空气”。一说起“空气”就是一种包罗万象，笼统称之为“气”元素。面对这样的混乱局面，总有些人设法去改变它。
1755年，英国的化学家布拉克做了一个实验，通过这个实验他发现了“固定空气”即二氧化碳（也叫碳酸气），这才把笼统的“气”元素打碎了。布拉克把石灰石放在容器中煅烧，煅烧前后分别称其重量，结果发现，煅烧后石灰石的重量减少了44%，他断定这是因为有气体放出的缘故。石灰石是烧石灰的原料，他又将石灰石放入酸中，发现石灰石遇到酸还会“吱吱”冒气，为什么石灰石遇酸会冒气呢？这种气体是什么？布拉克用集气瓶把这种气体收集起来，并用石灰水吸收它，结果澄清的石灰水由于吸收了这种气体却变得混浊起来。再把点燃的蜡烛放在盛有该气体的集气瓶中，蜡烛马上熄灭。这种气体果真厉害！于是布拉克想，它既然有这么大的威力，看看它对有生命的东西会怎样？他把麻雀和老鼠等小动物拿来，然后把它们一一放到盛有这种气体的集气瓶中，结果，麻雀也好，老鼠也好，没有一个可以幸免于死，它们先是痛苦地挣扎着，随后便慢慢地倒在瓶里，再也不能动弹了。布拉克觉得这种气体实在是值得研究，于是想把它收集起来，当他用一瓶盛有石灰水的瓶子来收集这种气体时，他又发现，这种气体的重量与煅烧时放出来的气体重量相等。很显然，这种气体与寻常的空气不一样。由于这种气体是固定在石灰石中，当时布拉克就叫它“固定空气”。以后，布拉克又以碳酸镁做了类似的实验，发现镁石中也存在“固定空气”。这样，在布拉克实验的启迪下，人们不久就发现，“固定空气”不仅存在于石中，动物呼吸中也有，而且木炭燃烧时也有“固定空气”生成，在大气中也常常包含着“固定空气”的成分。“固定空气”既固定又不固定。
在燃素说看来，石灰石煅烧失重，变成碱性的石灰，完全是石灰石在煅烧时吸收了燃素的结果。然而，联系到石灰石遇酸冒气的事实，在对石灰石的煅烧过程进行了大量的研究以后，布拉克断言，石灰石的失重，石灰的碱性，都是由于失去了酸性的“固定空气”所引起的，而与吸收不吸收燃素没有丝毫的关系。这一发现无疑是对燃素说的一个沉重的打击。
但是由于“固定空气”易溶于水，因此布拉克等始终未能收集到纯净的这种气体。直到1766年，英国人卡文迪许才用汞槽法收集这种气体并取得成功。卡文迪许测定了“固定空气”的比重和溶解度，并用确凿的实验证明了它和动物呼出的气体，以及木炭燃烧后产生的气体相同。这种气体后来人们称它为二氧化碳。就这样，人们在大量的科学实验的基础上，发现了二氧化碳气体，从此人们对火和燃烧现象的认识也便走向科学的轨道上来。
二氧化碳的发现，揭开了气体化学的序幕。从此，一系列的气体陆续从空气中分离出来了。
卡文迪许在测定了二氧化碳的一些性质以后，又开始继续他的定量的实验研究。他用铁和锌等作用于盐酸及稀硫酸制得了氢气，并用排水集气法收集了起来。他在实验中发现，用一定量的某种金属与足量的各种酸作用，所产生的氢气其量总是固定的，与所作用的酸的种类无关，也与酸的浓度无关。有一次，他将收集到的不纯的（混有空气）氢气用火点燃，结果，“轰”的一声爆鸣声吓了他一跳，这可是以前没有发现的现象。于是卡文迪许认识到这种气体和其他已知的各种气体都不同，它既不像空气那样有利于燃烧，也不像“固定空气”那样能被碱吸收，它本身却能在空气中燃烧，且发出轻轻的爆鸣声，他把这种新发现的气体——氢气，叫做“可燃空气”。
这种气体是从哪里来的呢？从制作方法上看，它不是从酸中而来，就是从金属中而来，卡文迪许认为这种气体不是酸中产生的，而是由金属中分解出来的。由于卡文迪许是燃素说的虔诚信徒，他认为金属中含有燃素，金属在酸中溶解的时候，他们的燃素便释放了出来，形成了“可燃空气”——氢气。他甚至误认为氢气就是燃素。
二氧化碳的发现，否定了燃素说对石灰石煅烧失重的解释，而氢气的发现却又成了论述燃素存在的新证据。燃素到底有没有？氢气真的是燃素吗？燃烧的原因到底是什么？这一连串的问题成了当时的大问题，它迫使化学家们继续不断地向前探索。
18世纪70年代，法国已经进入了资产阶级革命的前夜，在英国，一个大规模的工业革命高涨时期已经到来。社会的进步有力地促进了工业生产的新高潮，工业机械化的需要对冶金工业，特别是钢铁工业，在数量和质量上都提出了新要求。而要提高金属的质量，第一步就必须弄清楚在鼓风炉里发生着的化学过程的全部细节。
一般说来，鼓风炉里，不外总是矿砂和焦炭在燃烧。但谁都知道，不鼓风，没有空气的帮助，矿砂、焦炭本身是烧不起来的。在各种物质中间燃烧关系最大的还是空气。这样，人们再也不能忽视空气的作用了。正如有些科学家所断言的那样：“要作出有关火的现象的任何真实的判断，没有空气的知识是不行的。”为了了解燃烧的本质，人们的注意力就愈来愈多地集中到空气上来了。
对空气的深入剖析，首先是从考察二氧化碳即“固定空气”的来历入手的。为什么木炭在空气中燃烧会生成二氧化碳，二氧化碳本身又是什么？1772年，英国的卢瑟福对空气进行了初步的剖析，进行了一系列的实验研究。
有一天，卢瑟福将一只小老鼠放进了一个密封的容器里，然后观察老鼠的反应。起初的时候，小老鼠艰难地喘息着，渐渐地呼吸越来越困难，最后可怜的小老鼠就闷死在器皿中。等这一切都发生过了，卢瑟福发现容器内空气的体积比以前减少了，容器内剩余气体再用碱溶液来吸收，气体还会继续减少。这说明容器中的空气含量中，有一部分是氧气，小老鼠吸收完这些氧气后，就再也得不到生命所必需的气体——氧气而一命呜呼了。还有一部分就是能被碱液吸收的碳酸气，也就是二氧化碳。
卢瑟福就是用这种方法除去空气中的氧和二氧化碳，并且对剩余气体作进一步的实验研究。他在老鼠不能生存的空气里点起一支蜡烛，蜡烛仍然可以隐隐发光；等到蜡烛熄灭后，往其中投入一小块磷，磷还会发光燃烧。通过这些实验现象，他觉得要从空气中除净这些助燃烧和助呼吸的气体是很困难的。以后，他又在密闭的器皿中，利用燃烧磷来除去这种助燃烧和助呼吸的气体，发现效果很好。卢瑟福并没有因找到了除净空气中的氧的办法而终止他的实验。他又继续做了大量的实验研究，发现器皿中的剩余气体不但能灭火，而且还不能维持动物的生命，他给这种剩余气体起名叫“浊气”。他所说的“浊气”其实就是氮气。“浊气”为什么能灭火呢？卢瑟福有自己的理论，他认为“浊气”是给燃素饱和了的空气，意思是说，因为它已吸足了燃素，因此失去了助燃能力。
当然，18世纪的任何发明与发现，都是很难属于某一个人的。当时在研究空气和燃烧关系的科学家还有瑞士的舍勒，英国的普利斯特里和卡文迪许，法国的拉瓦锡等。他们所用的实验方法几乎相同，并且都发现了空气中主要含有两种成分——有助于燃烧和呼吸的气体（氧气）和对燃烧和呼吸不利的气体（氮气）。但是，这两种气体是什么，当时还没有人对它们达成统一的认识，在这个问题的认识上，由于每个人的指导思想不同，因此他们只好分道扬镳了。
百年实验
出身贫寒的瑞士药剂师舍勒，为了谋求生活，一直在药房打工，他经常利用工作之余做一些实验来研究身边所发生的各种问题。燃烧现象的研究兴起以后，他便利用药房的一些方便条件，做了一系列的实验。他能用两种方法来制取氧气，这在当时是很了不起的事情。他总结了自己所做的各种实验结果，最后得出结论。他认为，空气能够助燃是因为空气中含有一种特殊的成分“火气”，它特别容易吸收燃素，“火气”吸收了物体中的燃素后变成了热，通过容器壁上的细孔跑掉了，结果就留下了完全不会吸收燃素的“浊气”。“浊气”是一种同燃素没有任何关系的气体。其实，舍勒所说的“火气”和“浊气”就是我们今天所说的氧气和氮气。尽管他关于“火气”吸收燃素变成热的见解近乎荒唐，但他却是第一个确认空气中包含两种成分的人。
1774年，普利斯特里利用一个直径为0.3048米的聚光镜来进行物质加热实验，看一看物体加热后会不会放出气体，并用汞槽来收集产生的气体，以便研究它们的性质。
8月的一天，他像以往做其他物质的分解实验一样把汞煅灰（氧化汞）放在玻璃器皿中用聚光镜加热，不一会儿，器皿中的物质就分解了并放出气体。他想，这种气体一定是空气。他用上水集气法收集了放出的气体，然后把点燃的蜡烛放在集气瓶中，结果蜡烛燃烧得更旺了，火焰也更加明亮起来。这使普利斯特里非常兴奋，他心里想，再用老鼠试试看，于是他把老鼠放在集气瓶中，同时，他把另一只放在盛有空气的同样瓶中，结果，在盛有空气的集气瓶中的老鼠早早地就死去了，而另一只老鼠则比它活的时间长了很多。这只“幸运”的老鼠为什么能多活了这么长时间呢？一定是这种气体有助于动物的生存，不妨自己试试看。普利斯特里大胆地试着吸入这种气体，呀！真奇怪，他顿时觉得呼吸轻快了许多，使他感到格外舒畅。
其实，这些实验结果已雄辩地说明了空气中含有一种能够助燃烧和助呼吸的成分——氧气。但是，普利斯特里是个极顽固的燃素说的信徒，即使有了以上这样的实验依据，他还仍然认为空气是一种单一的气体，助燃能力所以不同，是因为燃素的含量不同。从汞煅灰里分解出来的是新鲜的、一点燃素都没有的空气，所以吸收燃素能力特别强，助燃能力也就格外大，他把这样的空气叫做“无燃素空气”；平常的大气，由于经过动物的呼吸，植物的燃烧和腐烂，已经吸收了不少燃素，所以助燃能力就比较差了。一旦空气被燃素所饱和，就不会再继续助燃，变成了“被燃素饱和了的空气”，也就是卢瑟福所说的“浊气”。
总之，在普利斯特里看来，氧气和氮气的差别仅仅在于氧气是一点儿也不含燃素的空气，氮气是吸足了燃素的空气，平常的空气就是在燃素的含量上近乎两者之间。
法国的拉瓦锡是燃素说的根本反对者，当他了解到了普利斯特里有关氧气的实验后，他花费了大量时间，把大量的精确实验材料联系起来，用天平作为研究的基本工具，对前人做过的许多实验进行了定量分析，终于揭露了燃素说的内在矛盾。
1774年，他用锡和铅做了著名的金属煅烧实验。他在实验仪器是一个曲颈瓶和一架天平。他把事先准备好的锡和铅精确地称量好，分别放入曲颈瓶中，用塞子把瓶口密封，再用天平精确地称量金属与瓶的总重量，然后加热，直到铅和锡全部变为灰烬，再用天平进行称量，结果他发现，加热前后，总重量没有变化。另一方面，当他把曲颈瓶子打开时，发现有空气冲了进去，这时再进行称量，瓶和金属煅灰的总重量却增加了，而且所增加的量和金属经煅烧后增加的重量恰好相等。在事实面前，拉瓦锡对燃素发生了极大的怀疑，金属的煅灰会不会是金属和空气的化合物？为了证明这个想法，他又用煅灰反复做了许多实验，结果意外地发现，把煅灰与焦炭一起加热时有大量二氧化碳释放出来，同时，煅灰又变成为金属铅。这使他感到不仅是简单地从焦炭中吸取一点燃素的问题了。否则那么多的二氧化碳从哪里来？再联想到焦炭在空气中燃烧也生成二氧化碳的事实，使拉瓦锡更确信煅灰是金属和空气相结合的产物，而且，煅灰在和焦炭共热时所放出的二氧化碳一定是从煅灰中释放出来的空气与焦炭相结合的结果。
要想证明这个结论，最有说服力的当然就是想办法从金属煅灰中直接分解出空气来。于是他又设计了一个实验，加热铁煅灰。但是实验的最后结果并没有得到空气，实验没有成功。正当拉瓦锡遇到困难的时候，当时在巴黎访问的普利斯特里把从汞煅灰中分解得到“无燃素空气”的实验事实告诉了拉瓦锡，拉瓦锡马上用聚光镜重复了普利斯特里的实验。从汞煅灰中分解出了比普通空气更加助燃、助呼吸的气体。
接着而来的问题是，为什么汞煅灰里分解出来的“空气”助燃能力比平常的空气要来得大？为了解决这个问题，拉瓦锡从1772～1777年的5年时间里，又做了大量的燃烧试验。他用磷、硫磺、木炭、钻石燃烧；将氧化铅、红色氧化汞和硝酸钾加强热使之分解等等，从大量的实验结果的分析中，拉瓦锡断言，从汞煅灰里分解出来的气体，决不是什么“无燃素空气”，而是一种新的物质元素，他把它命名为：oxygene，也就是氧，物质只有在氧气中才会燃烧。空气之所以能助燃，是因为其中含有氧。物质在空气中燃烧不如在氧气中燃烧得旺盛是因为空气中只有一部分是氧，而很大一部分是不助燃的“浊气”。所谓“浊气”也不是什么“燃素化空气”，它是一种物质元素：氮气。物质的燃烧和金属煅烧变为煅灰并不是分解反应，而是与氧气的化合反应。根本不存在燃素说的信奉者们长期坚持的：金属-燃素=煅灰，而应该是：金属+氧=煅灰（某种氧化物）。
这样，拉瓦锡在普利斯特里制出的氧气中发现了幻想的燃素的真实对立物，找到了燃素说的错误根源，揭示了燃烧和空气的真实联系。氧和氮的真正发现，把过去一直以为杂然一团的空气最终分开，解开了迷惑人们达数千年之久的燃素说之谜。
水中有火
俗话说，水火不相容，然而水里却蕴藏着大量的火。如果说，氧的发现解开了燃烧之谜，沉重地打击了燃素说，那么水中取火的实现，就进一步加速了燃素说的崩溃。
生产的发展总是不断地推动着人类对自然界认识的发展。随着蒸汽机的发明和蒸汽动力的广泛使用，从来被人们看成是十分单纯的水，它的内在矛盾也就暴露出来了。水化为蒸汽，它所能迸发出来的力量足以推动各种机械的运转，但水蒸气却又对用来制造机器的金属有很大的腐蚀作用，水能腐蚀金属，这是什么道理？这个问题又不能不引起人们的重视。
1871年，普利斯特里研究了水蒸气对灼热铁屑的作用，发现水蒸气不仅可以使铁屑变成煅灰，同时还有大量“可燃空气”（氢气）释放出来，他把这种“可燃空气”同普通空气混合后，放在容器里点燃，结果容器爆炸了，在破裂的容器壁上凝结着露珠般的东西。普利斯特里没有对这些露珠多加注意，他想，这一定是容器事先没有烘干。这一事实却引起了卡文迪许的注意，他和他的助手反复多次地进行这种实验，无论容器烘得怎么干，事后都有露珠生成。在一次次的实验中，他都注意着发生的现象，总结规律。最后卡文迪许认为，容器壁的露珠是氢气和空气中的氧气的化合物。进一步对露珠进行分析，发现这种液体无臭无味，蒸干后不留任何残渣，蒸发时也没有刺鼻的气味产生，这露珠似乎就是纯净的水。
水真的是“可燃空气”同“无燃素空气”的化合物吗？为了证实它，卡文迪许直接把氢气和氧气混和在一起燃烧，结果确实有水生成。
同一时期，拉瓦锡也在研究氢和氧的作用，但他却在另一个错误观念的束缚下，陷入了严重的困难之中。在他看来，氧是一种酸素，凡是非金属与氧作用都应当生成酸，因此他一心想通过氢和氧的作用合成出一种尚未知道的酸来。这一幻想迷住了他的心窍，使他对反应中残留在器壁上的水视而不见。直到1783年5月的一天，他从卡文迪许的助手卜拉格那里得知卡文迪许的发现后，他才恍然大悟。从此，他改变方向，对水、氧和氢之间的关系做了大量实验和定量分析研究，最后也终于发现，“可燃空气”根本不是什么从金属中释放出来的燃素，而是从水中分解出来的一种物质元素，叫氢。它是水的一个组成部分。水不过是氧化了的氢，或者说水是氢气和氧气直接化合的产物。
统一的水分解了，原来的水“一分为二”，水是氢和氧的矛盾对立物。把水分解成氢和氧，从“水中取火”也就有了可能。水的分解显示了氢的真实面目，粉碎了燃素论的最后一张王牌。
燃素说之所以能被推翻，并不是说拉瓦锡是那种了不起的天才。他之所以能够推翻燃素说，是因为“燃素说经过百年的实验工作提供了这样一些材料”，而他对这些材料的真实联系作出了切实和毫不虚假的分析，要是没有实验材料，要是离开了前人和同时代的许多人的实验，燃素说的推翻也是不可能的。
人类对自然界的认识，总是不断发展的，在科学发展的历史上，燃烧的氧化理论代替了燃素说，这是个不可否认的进步。但是氧化理论绝不是对火和燃烧现象认识的终结。
当我们看到盐酸工业中，合成氯化氢反应炉里熊熊燃着的只是氢气和氯气的混合物，连一点儿氧气都没有，这就早已超越了氧化理论的范畴。原子弹的爆炸，产生出更为炽烈的燃烧现象，在那里，连一般的化学运动范畴也突破了。所以我们对火和燃烧现象的认识，也还在继续尝试，继续实验，继续发展。
光的色散实验
我们生活的这个世界色彩斑斓，但五颜六色是从哪里来的？自古以来人们就一直在思索这个问题。古希腊大学者亚里士多德认为，各种不同的颜色是由于照射到物体上的亮光和暗光按不同比例混合所造成的。中世纪时，随着显微镜的发明，掀起了一个“玩光”的热潮。人们利用各种光学元件观察五花八门的光学现象。你看，凸透镜能将小字放大；凹透镜能使大字缩小；三棱镜更是好玩，一束太阳光经过它折射后，会形成一条色带，按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的顺序排列。奇怪！白色的光通过三棱镜后为什么会变成七彩色带了？英国年轻的科学家牛顿亲手制作了两个光学质量很好的三棱镜，并设计了一个“判决性实验”，来判定太阳光谱的形成原因。
光的自然色散
关于颜色，很早以前人们就已经发现并开始研究它了。古希腊的亚里士多德认为它是人们的主观感觉所造成的，所有颜色都是光明与黑暗、白与黑按比例混合的结果。17世纪前的欧洲，一直流行着这种看法。人们有了颜色的初步概念以后，又发现颜色不仅一种，不同的颜色引起人的视觉感应也不同。那个时期，人们对多种复杂颜色的最初感性认识是从虹开始的。在田间从事生产劳动的人们常常发现，每当雨过天晴的时候，在太阳和云雾共存的天空中，背着太阳的云气中呈现出一道绚丽多彩的光环，这光环是由五种颜色组成的。这一美丽的自然景观引起了人们的极大关注和兴趣，人们开始研究这一有趣而又奇妙的现象。把这美丽多彩的光环叫做虹。
虹到底是什么？它是怎样形成的呢？劳动人民在长期的生产劳动中进行了大量的观察研究，最后，人们发现，虹不是在任何时候，天空中的任何位置都能出现，它总是出现在和太阳相对方向的云气中，没有云就不会见到虹，在没有太阳的阴沉天气中也不会见到虹。这是人们早期对虹的出现条件，以及虹所出现的位置规律的初步认识和掌握。到了唐代，对虹这一自然现象的成因有了比较科学的解释。人们通过对虹的观察看到了五颜六色的现象，这是最早的颜色感观。
中国古代劳动人民不仅大体上认识了虹的成因，而且在长期的生产实践中，他们发现用实验的方法能产生霓虹现象，这就是人工造虹。公元8世纪中叶，那时候民间有一位名叫张志和的读书人，他善于开动脑筋，遇事总要琢磨个究竟，对一切新奇的现象都很感兴趣。最早一次人工造虹的成功是在一个大雨过后的晴朗的天气中，他站在院中望着天边的彩虹，他想，既然太阳照射雨滴就能产生虹，那么用水滴代替雨滴也应该能产生相同的现象。他在这突发奇想的驱使下，进行了一个人工造虹的实验。他对着阳光喷射水滴，起初，他迎着阳光做这种试验，结果没有发现产生光环。于是他调整自己的观察角度，经过多次多角度的调整，最后发现，如果背着阳光喷水就能看到空气中所出现的五颜六色的光环，当他看到这一和阳光照射雨滴后产生的光环一样的景观时，他高兴极了，马上回房提笔做了记录，记下了这一景观产生的过程。这是史料记载的我国古代劳动人民第一次用实验的方法研究虹。
人们认识了虹的成因，又有了人工造虹的经验，于是就把它推而广之，当人们看到瀑布下泄水珠四溅，他们就仔细观察，结果发现，瀑布下溅出的水滴经日光照射后，也能形成七彩的霓虹。唐代诗人张九龄《湖口望庐山瀑布》中就有“日照霓虹似”的诗句。这样，人们就把日光照射云气中的水滴群，同飞泉周围的水滴群所产生的色散现象联系起来了。
除了对雨虹及其他色散现象的记述和模拟实验外，人们还发现了晶体分光和羽毛的衍射色彩。公元684～706年，传说安乐公主用百鸟的羽毛编织出两条裙子，这种美丽的裙子从正面看是一种颜色，从旁边看又是一种颜色，在日光中看和在镜子中看都能形成不同的颜色。这种用百鸟的羽毛编织出的美丽的裙子也是一种光的色散作用的应用。
到了宋代，人们就能对单个水滴的色散现象进行研究了。雨过天晴的时候，落在树叶花草之上的露珠还没有蒸发，在树叶草木的末端水珠欲落未落都聚成圆形，晶莹欲滴，非常惹人喜欢，经日照射后，便呈现五彩的霓虹，其颜色斑斓闪烁，用手挡住阳光，颜色便消失。人们通过长期观察已经意识到，这些颜色不是水珠本身所具有，而是日光中含有多种颜色，经过水珠的作用可以显示出来。可以说，宋代人们的观察分析，已经接触到了色散的本质问题。
除此之外，我国古代人民还发现了天然晶体的色散现象。他们发现，日光经过晶体折射后，光似琥珀，琥珀呈红、黄、褐各种颜色。以上这些所有的色散现象都是自然界自身展示给人们的景观，人们对色散现象的研究也只停留在现象本身。在欧洲，有意识地研究色散现象是从16世纪开始的，人们借助于棱镜这种光学仪器，开始进行了大量的色散实验，以解释色散现象的本质。在这大规模的色散现象的研究中，进行得最深入而且最早做出科学解释的是牛顿。
与众不同的牛顿
在物理学史中，最有名的所度之一便是公元1642年。这一年，意大利物理学家伽利略溘然长逝，而在英格兰东部的一个小村落里，伊萨克牛顿呱呱降生。牛顿的诞生之日——12月25日，虽然恰好是圣诞节，可是英王查理一世与国会开仗的炮声却震撼着整个英伦三岛，英国革命进入了国内战争的阶段。
随着资产阶级登上历史舞台和资本主义生产的兴起，科学也以神奇的速度发展起来。17世纪初，望远镜、显微镜相继发明，光学折射定律，人体血液循环的发现，都表明当时自然科学取得了新的进展。自然科学的力量开始受到重视，英国的哲学家弗兰西斯培根提出了“知识就是力量”这一名言。随之而来的是在英国出现了有利的学术环境。热心自然科学的人数迅速增加，学会、学院相继成立。学会的问世及其科学刊物的发行，都成了当时科学家交流学术，启发思想，共同提高的极好形式，有力地促进了当时自然科学的迅速发展。
牛顿正是处于这样一个自然科学和学术环境发生重大变革的时代，他很快顺应了时代的潮流，受到这个时期的各方面熏陶，因而显得与众不同。
牛顿的父亲是一个普通的并不富裕的农民，靠着祖传下来的地产，以耕种谋生。婚后不久，他在一场急性肺炎的袭击下于牛顿出生前便去世了，牛顿成了不足月的遗腹子。他是那样的脆弱瘦小，他母亲说，1夸特（约1升）的杯子就装得下他。微微的气息，嘤嘤的啼声，牛顿的幼小生命是那么弱不禁风，他的母亲无论如何也想不到，就是这个可怜的孩子——伊萨克牛顿竟活到85岁的高龄，而且是世界上与众不同的出类拔萃的科学家。
牛顿在小学读书时，他的资质一般，学习成绩较差，常被列入劣等。但是与众不同的是，他喜欢沉思默想，对许多事物都感到新鲜好奇，乐于去观察体验。有一天，牛顿突然注意到，早晨上学时，他自己的影子在左边，晚上放学回家时，他的影子却转移到另一边去了，太阳光下的人影会随着时间的改变而移动，这可太有意思了。这一现象启发了牛顿去做了一个日晷——一种利用测日影来确定时刻的器具。这个日晷的圆盘边缘有刻度，中间竖一根小棍，从小棍的影子所指的刻度，就可以知道几点几分钟。沉思默想的牛顿把这个日晷做好后，安放在村子中央，给村民们指示着时间。后来村民们怀着敬意称它为“牛顿钟”。
不仅如此，牛顿在小学的时候，还自己琢磨着造出一架“计时水钟”。这是一个灌满水的小木桶，木桶的底下有一个小孔，用塞子紧紧塞住，打开小孔的塞子，让水一滴一滴地缓缓滴下。木桶里的水面逐渐下降，水面的浮标也随着慢慢下降，并带着指针在均匀的刻度盘上一点点的移动，从而指示着各个时刻。当桶里的水滴尽的时候，恰恰就是中午的时刻。牛顿创造的这个装置虽然被看做是孩童的小玩意，但它却体现了牛顿的好奇心和灵巧的制作。人们对小牛顿的善于开动脑筋的好奇心都称赞不已。
牛顿在12岁那年，进了格兰瑟姆中学。到中学后，牛顿依然保持自己的兴趣不变，他继续发展了对手工制作和机械方面的爱好。他经常独自一人钻在自己的小屋子里，制作各种各样的小玩艺。最成功的制作是风筝，他给班级的同学每人做了一个风筝，他做的风筝，不仅外形美观好看，而且在拉线的力点和尾巴的重量上都很有讲究，因而他做的风筝起飞得特别快而且飞得也高。这体现了牛顿在力学方面的天才素质。有一次，他把一只纸灯笼点着火，系在他的风筝尾巴上，夜里把它放到高高的天空，就好像一颗巨星升在空中。村民们竞相观看，都很惊奇和恐惧，他们认为这是一颗新出现的扫帚星。这时牛顿跑过来告诉他们，这不是什么扫帚星，是他的风筝！人们才放下心来。当人们得知这是牛顿搞的名堂后，又禁不住交口称赞这孩子的发明创造本领。
在格兰瑟姆镇上有一座高大的风车，人们安装它是为了利用风力来磨面粉。牛顿从学校放学回来路过这里，当他看到这东西的时候，就禁不住地仰着脖子用心地观察风车的转动。边看边琢磨，最后他终于弄懂了风车的工作原理。回家后他也照葫芦画瓢地做了一架小风车，风一吹，叶片转动，加一点儿麦粒进去就能像大风车一样磨出面粉来。可是，风车没有风就不能转动，这不好，太不方便了，于是牛顿又想出了新招，他用铁丝做了一个圆笼子，里面关着一只老鼠，当老鼠踩动轮子时，磨就飞快地转动，居然也能磨出面粉来。
有一天，牛顿把自己的小风车拿到学校去给同学们看，一下子吸引了好多学生。正当同学们议论纷纷的时候，一个学习成绩一向很好但十分骄傲的学生跑过来，他一边盛气凌人地夺过小风车摔在地上，一边又用语言加以讥讽，带头起哄。这使牛顿气愤到了极点，与那个同学厮打了起来，这个平日里沉默寡言的牛顿，把那个优等生打得落花流水。从此，牛顿暗暗下定决心，发愤图强，不久，牛顿的学习成绩就在全班名列前茅。
1661年6月，牛顿以优异的成绩考入了剑桥大学三一学院。格兰瑟姆中学的校长斯托克斯先生深知，牛顿是一个难得的天才，他向剑桥大学输送了一名很有希望、很有前途的学生。为此，斯托克斯先生特别召开全体学生大会表彰牛顿，他以父亲般的骄傲把他心爱的学生列为学校的高材生，他眼中闪动着泪水，赞扬牛顿的性格和特殊的才华。
揭开光谱的秘密
光与人们的生活和生产极为密切，它能引起人们的视觉，人们就是借助光来观察世界，从事各种各样的重要工作的，而光又是人们通常用到的一种最普遍的自然现象，因此光的作用是非常大的。光既然这么重要，那么少年朋友们，你们知道光是怎样产生的，它又有哪些性质呢？
我们知道有许多物体，像太阳、电灯、火炬、萤火虫等，它们都能自己发出光来，在物理学上，我们把这种自己能发光的物体称为光源。生活在远古的人类祖先，是以太阳为光源的，到了黑夜就无能为力了。黑暗给人以可怕可恶的感觉。经过漫长的岁月，人们发现火也能提供光和热，开始时，人们使用天然火，后来，人们学会了利用竹、松脂等制成火炬来作为人造光源。用油灯作为光源的历史在中国也是很悠久的。蜡烛作为光源是后来中国人发明的，战国时期，人们已经知道用纤维或竹心外裹着层层蜜蜡制成了一种叫“蜜烛”的蜡烛。据分析，墨家做光学实验时，用的就是这种蜜烛。直到近代光源——电灯发明以前，在很长时间里，以不同形式出现的火，一直是人们惟一可用的人工光源。通过对光的长期观察，人们发现，只有借助光源发出的光才能引起人们的视觉。
有了光源，就能产生光，光是一种奇特而又重要的物质，它有很重要的性质。远在公元前4世纪，墨翟和他的弟子们做了世界上最早的针孔成像实验，这个实验的结果告诉我们：光照在人身上就像射来的箭一样，是沿直线进行的，而不走曲线。从人体下部射出来的光线，射到屏幕的高处；从人体上部射出来的光线，射到屏幕的低处。从脚部射向低处的光线被针孔所在的屏壁遮蔽，因此脚部成像于屏幕的高部位；从头部射向高处的光线，被屏壁遮蔽了，因此头部成像于屏幕的低部位。人所在的位置离小孔由远而近，则屏幕上的像由小变大。由于从人体射出并穿过小孔投到屏幕上的一切光线都在小孔处交于一点，所以屏幕上的像是倒立的。这是光的直线传播的最早的科学解释，也是世界上对小孔成倒像的第一次实验验证。远在公元前4世纪，墨家就知道用小孔成像的实验来验证光的直线传播特性，实在是一种惊人的科学创举。
光是沿直线传播的，但是在前进的方向上遇到不透明的物体时，就会改变路径被反弹回来，这种现象就叫光的反射，这种不透明的物体叫镜子。光线不能穿透镜子，镜面成像就是光线反射的结果。我们知道，只要对着光滑的平面就可以照见自己的形象，人们最初是利用静止的水面作为光的反射面，当做镜子使用，从水中看到自己的形象，进行整理梳洗，这些都是光的反射作用给人们带来的方便。那么，光的路径的改变是不是就这一种方法呢？不是的，光还有一种改变传播路径的方法，叫折射。
光在某种物质中能被弯曲，可见光能穿透它们，这种物质我们统一叫做透明物质。关于光能穿过透明体的折射现象，中国古代人民早有所知，有史料记载说“削冰令圆，向日取火”，历代都被人们所怀疑。冰在太阳光下，遇热会融化，怎么可能将光线聚集起来进行点火取暖呢？清代科学家郑光复曾经做过实验进行验证。他用一底部微凹的锅壶，里面装上沸水，将壶放在冰上转动，制成一块表面光滑的凸透镜。把它放在强烈的阳光下，果然能把放在冰透镜后面焦点处的纸煤点燃。这个实验实际上是很难成功的，但是，2000年前的中国古代人们就已成功地做出这样的实验，真可以说是巧夺天工的发明创造。据说17世纪著名英国科学家胡克也曾经做过这个实验，当时的科学家们对他赞叹不已，可是，他们哪里知道，早在一千多年前中国人就成功地做过这样的实验。由于用冰做成的透镜不会长久，所以就没有什么使用价值。这个实验是光的折射现象的很好说明，当光线照射到冰（透明物体）上时，就要改变传播路线，发生折射，折射后的光线要通过焦点，所有的光线经冰折射后都会聚集到焦点上，所以这点的温度迅速升高，以致可以点燃物质。
有了这些基本的光学知识，人们就可以对光进行深入的研究了。伟大的科学家牛顿，就是光学领域中的伟大的研究者，单凭他在光学方面的贡献，就完全可以成为科学史上的伟大人物，他在光学方面的主要贡献是对颜色的研究。在牛顿所处的时代，由于实验科学的发展，推动了人们对光的研究。
有一天，牛顿取来一块长纸板，一半涂成鲜红色，另一半涂成蓝色，然后把它放在窗户边，通过一块玻璃三棱镜来观察纸板。他发现，如果把玻璃棱镜的棱角朝上，使纸板由于折射看起来像是被抬高了，那么折射的结果将使蓝色半边比红色半边抬得更高。他把棱镜反倒过来，让折射棱角朝下，使纸板由于折射看起来被放低时，蓝的半边就比红的半边降得更低了。因此，牛顿断定蓝光折射比红光厉害些，也就是说不同的颜色具有不同的折射率。
这个设想是否正确呢？为了证实它，牛顿又做了一个实验。他拿来一张纸，一半涂上蓝色，一半涂上红色，用蜡烛做光源，经透镜在另一张纸上成像。结果却发现，无法使涂色纸片的两边同时呈现清晰的像，蓝色半边的像要在离透镜更近的地方才能看清楚。这说明，被蜡烛照射的红蓝纸片所发出的红蓝光经透镜后聚集在离透镜不同距离的地方。这就是透镜成像的色差。这种现象的发生是因为红蓝光具有不同的折射率所造成的。
1666年，年轻的科学家牛顿亲手制作了两个光学质量很好的三棱镜，并设计了一个“判决性实验”，来判定太阳光谱的形成原因。牛顿将两个棱镜隔开一段距离放置，在它们中间放置一个屏幕，屏幕中间开有一条垂直的狭缝。他再将房间的百叶窗放下，房内顿时漆黑一片，牛顿事先在百叶窗上开有一个小孔，这时外面的阳光透过这个小孔射向第一个棱镜，牛顿预想将会像小孔成像一样，在屏上会看到圆形的太阳的像。然而，结果却相反，在屏上看到的却是被拉长了的太阳的像，并且形成了一条光彩夺目的彩带。彩带的顶部是蓝色，底部为淡红色。牛顿感到这很有趣，他又将第一个棱镜转动了几次，使彩带的7条光线依次投到狭缝上。这样，7种不同颜色的光又通过狭缝投射到第二个棱镜上。牛顿发现，在第一个棱镜上折射得很厉害的蓝光，也在第二个棱镜上得到最大的折射。原来，太阳的像被拉长是由于光不是均匀的，而是由不同类型的光线组成的，其中的一些比另一些更容易被折射的缘故。而且各种彩色光透过第二个棱镜折射后虽然各自的折射角更大，但却不再展现出彩色带，而只显示各自的颜色。牛顿将白光分解成各种色光的现象称为色散，将白光分解后形成的彩带称为光谱。
牛顿对这个实验结果非常感兴趣，他仔细分析了实验现象，他想，光谱的形成到底是什么原因呢？当时，人们对光谱的解释多种多样，在众多的解释中最权威的是：从太阳表面不同点发出的光进入棱镜时的角度各不相同，这造成了三棱镜对这些光线折射的不同，结果就形成不同的颜色。年轻的科学家牛顿并不迷信权威的说法，他说，如果造成光谱是由于光在入射时的角度不同，导致棱镜对它的折射不同，那么，各种色光从狭缝入射到第二个棱镜时的入射角也不同，理应由于折射的不同再造成一次色散而形成新的光谱。实验结果却对这种推论“宣判”了死刑。究竟怎样来解释太阳光（白光）通过三棱镜后形成的光谱现象呢？
经过一段时间的思考，牛顿提出了这样的解释：白光是由折射能力各不相同的色光混合而成的，当白光透过棱镜时，由于各种色光的折射能力不同，于是“各奔东西”，造成了这些色光彼此远离而形成一条七色彩带。对于其中的一种色光来讲，由于它已经是单一成分了，即使再通过棱镜也不会造成色散，而“依然保持本色”，只不过在第二次透过棱镜后，折射将更厉害一些罢了。
判决了旧理论的死刑，又怎样来证实新理论的新生呢？为此，牛顿又做了一个“支持性实验”。他在上述实验装置上作了一些变动：撤走了第二个棱镜和屏幕，在屏幕位置上放了一只很大的凸透镜，牛顿让经过第一个棱镜色散后的光谱投射到凸透镜上，结果，所有7种颜色的光经过凸透镜后就会聚成一束白光了！由此，它直观地显示出，白光是由这些色光混合而成的。
“白光是由各种色光混合而成的”，这是一个重大的发现。牛顿的实验与结论使人们对颜色的认识的主观成分大大地减少了。他还成功地解释了虹的成因。牛顿认为，在天空中一边有阳光照射，另一边乌云密布的时候，彩虹就将出现。这是因为彩虹的颜色实际上是被云中或下落的细小水滴所反射的阳光的分解。阳光照射在水滴上，进入水滴发生折射，接着在水滴的另一面发生全反射后，再从前表面折射出来，结果不同色光在离开水滴后就呈扇形散开。因此，地面上的观察者若是背向太阳，就会看到弧状的彩虹。