为了测量气体的密度，瑞利做了一个大玻璃球。他先仔细地测量出它的容积有多大，然后用真空泵把球内的空气抽掉，称出真空球有多少克。再在球内灌满某种纯粹的气体，例如由电解水得到的氢气，再称有多少克。这就可以算出玻璃球里的氢气有多少克。用玻璃球的容积去除氢气的质量就能得到氢气的密度。
测量了氢气测量氧气，然后又测量氮气。
说来简单，做起来却不容易。瑞利对每种气体的密度都要测量好几遍。不仅如此，对于同一种气体，还要用不同的方法制出它的纯粹的气体，分别进行测量，看看结果一样不一样。
比如说测量氧气的密度，瑞利先用电解水制造的氧气，又用氯酸钾加热分解制造的氧气，还用高锰酸钾加热分解制造的氧气，分别进行测量。只有对以上三种方法制造的氧气，测得的密度都一样，才算得到了可靠的结果。
氢气和氧气都测准了，但是测量氮气的时候出了问题。
空气是氧气和氮气组成的，这在18世纪就已经搞清楚了。瑞利把空气通过烧得红热的装满钢屑的管子，这时氧气会与铜化合，生成氧化铜，剩下的就是氮气了。测量这种氨气的密度，结果是1。2572克每升。
瑞利又把氧气通过浓氨水，得到氧气和氨气的混合气。把混合气通过赤热的氧化钢管，氨气与氧气反应，生成水和氮气。测量这种氮气的密度，结果是1。2508克每升。
奇怪！两个结果对不起来，相差0。0064克每升。是不是实验出了差错呢？瑞利又重复做了好几次，结果还是一样。
为什么两种不同来源的氮气，密度会不一样呢？这中间一定有什么奥秘。于是，瑞利给《自然》杂志写了上面那封信，请大家一同来解答这个难题。
可是一封回信也没收到。
这次是化学家来帮忙了
怎么办？一个真正的科学家是不会轻易放过实验中出现的反常现象的。问题得不到解答，瑞利就继续把实验做下去。他用各种不同的方法来制造氮气，再仔细地测量密度。
他改用赤热的铁屑去除掉空气中的氧气，又用新制成的氢氧化亚铁去除掉空气中的氧气。用这两种方法由空气中制得的氮气，和用赤热的铜屑除掉空气中的氧气而制得的氮气一样，密度仍然是每升1。2572克。
瑞利用加热亚硝酸铰的方法制造氮气，用赤热的铁屑还原一氧化氮和笑气（氧化亚氮）制造氮气，用次溴酸钠分解尿素制造氮气。结果是，这些化合物分解出来的氮气，密度和从氨气分解出来的氮气的密度一样，都是每升1。2508克。
瑞利又埋头做了两年的实验。这些实验准确地证明了：由氮的各种化合物制成的氮气密度都一样，比由空气中分离出来的氮气小0。5％。
1894年4月19日，瑞利在英国皇家学会上作了报告，详细地介绍了他的实验结果。
报告完了，化学家拉姆赛来找瑞利。拉姆赛说：“两年前，我看到您在《自然》杂志上的那封信。当时我还弄不清楚，为什么氮气会有两种密度。现在明白了。我相信，空气中的氮气一定含有较重的杂质，一种未知的气体。如果您同意的话，我愿意把这个实验继续做下去。”
瑞利非常高兴拉姆赛能跟他合作来研究这个问题。于是，物理学家和化学家又一次共同解决科学上的难题了。
在这次会上，还有一位物理学家杜瓦向瑞利提供了一个重要的线索：英国的科学老前辈卡文迪许曾经做过一个实验，他也认为从空气中取得的氮气中含有杂质。
瑞利一听说这些情况，高兴得几乎要跳起来，他的实验室就是以卡文迪许命名的。在剑桥大学，卡文迪许在100多年前的科学实验记录和资料，都保存得非常好。
瑞利回去以后，立刻查阅古老的技术档案。果然，卡文迪许在1785年做过一个实验。瑞利看了他的实验记录，感到非常惊讶。
卡文迪许是个什么人呢？他做了一个什么样的实验呢？
科学怪人和小气泡
18世纪末，英国伦敦住着一位怪人，他就是卡文迪许。卡文迪许一辈子没有结婚，因为他一见到妇女就说不出话来。他很少出门，他一出来，就会有一群小孩子跟在他的马车后面跑，街上的人也要指指点点，议论纷纷。因为他的穿戴还是他祖父时代的式样，古怪得很。
卡文迪许是个贵族，很有钱，却不喜欢交际。他出门只去两个地方，一是英国皇家学会的科学报告会，他是皇家学会的会员；二是每周一次的科学家晚会。他的钱都用来买科学仪器和图书。他在自己家中建立了实验室和图书馆。随便什么人都可以去他的图书馆借书，只是要办理个借阅手续，按时归还。卡文迪许自己拿书看，也要写一张借条，上面写着：“某月某日，卡文迪许借到某书一册。”
卡文迪许整天躲在自己的实验室里做实验。所有的实验，他都做了详细记录，但是很少把他的科研成果整理出来发表。
1810年，卡文迪许去世了。过了50年，他的实验记录才由物理学家麦克斯韦整理发表。每个科学家看了他的工作都大为敬佩，原来后辈科学家做的许多实验，卡文迪许早就做过了。化学家知道了卡文迪许不仅研究了空气的组成，还第一个把水分解为氢气和氧气，并测定了两者的化合体积是2：1。物理学家知道了是卡文迪许第一个计算出地球的质量。静电作****跟电荷的大小成正比，跟距离的平方成反比，这个定律卡文迪许比库仑测定的还要早，还要准确。但是物理学课本上还是把这个定律叫做库仑定律，因为卡文迪许没有公开发表他的发现。
瑞利在英国皇家学会1784年和1785年两年的年报中，找到了卡文迪许的论文，题目是《关于空气的实验》。
要读懂100多年前的科学论文，需要有一点历史的知识。瑞利知道在上一个世纪氮气刚刚发现的时候，人们管它叫“浊气”。卡文迪许在论文中讲到的“浊气”就是氮气，这正是他感兴趣的问题。
卡文迪许把两只酒杯装满水银，又把一根U形玻璃弯管的两端分别插人到两只酒杯的水银中，再把起电器的两根导线分别通到两杯水银里。
摇动起电器，圆玻璃板和毛皮不断地摩擦，摩擦生的电通过导线，积累在水银杯里。过了一段时间，玻璃弯管内电火花就一闪，同时出现红色的烟雾，这是管内空气中的氧气和氮气有一小部分化合生成的二氧化氮。
卡文迪许将苛性钠（氢氧化钠）溶液滴到玻璃管中，红色消失了：二氧化氮被苛性钠溶液吸收了。这时候弯管内的气体体积就缩小了一些。
卡文迪许和他的仆人轮流不停地摇着起电器，让玻璃管内不断地放电。最后，空气中的氧气全都与氮气化合了，而生成的二氧化氮又都被苛性钠溶液吸收了。玻璃管中气体的体积缩小到一定程度，就不再缩小了。
这时候，卡文迪许向玻璃管内送进一些氧气，再开始放电。新加人的氧气又与剩余气体化合，体积又缩小了一些。
这个实验，卡文迪许和他的仆人轮流不停的摇着起电器，一连做了三个星期。最后，弯玻璃管中只剩下一个很小的小气泡，这个小气泡很顽固，无论怎样放电，它也不肯跟氧气化合。这个小气泡也不可能是剩余的氧气。因为最后，卡文迪许在玻璃管中加入了一点“硫肝”（草木灰的浸出液与硫磺共煮得到的肝脏色溶液，主要成分是多硫化钾），把多余的氧吸收掉了。
卡文迪许的实验记录得十分详细。他写道：“在弯玻璃管里剩下来一个小气泡，这是由于某种特殊原因不与氧气化合而剩下来的浊气。它不像普通的浊气，而是另一种浊气，因为什么样的电火花都不能使它与氧气化合。”最后，卡文迪许作出结论：“空气中的浊气不是单一的物质，还混有一种不与氧气化合的浊气，总量不超过全部空气的1/120。”
“啊！原来是这样！”瑞利十分激动。
瑞利立刻把这情况告诉了拉姆赛。并且立刻在他那个以卡文迪许命名的实验室中，重新做109年前卡文迪许做过的实验了。
拉姆赛得到很大的启发，也在自己的实验室中继续进行研究。
他们决心学习那位科学怪人卡文迪许的精神，各自关在自己的实验室里，不把空气中的这种杂质——卡文迪许的小气泡取出来，就不出实验室的门。为了互通情报，他们靠邮递员经常交换实验结果。
重找小气泡
问题似乎清楚了，空气中的氮气中还有未知的气体，也就是卡文迪许的那个小气泡。可以预料，这种未知气体极不活泼，密度比氮气大。但是要证实这个预料，必需得到这个小气泡，才能研究它的性质，测定它的密度。
瑞利做实验要比卡文迪许容易多了，因为时代不同了。这时候已经发明了能产生高电压的振荡线圈，所以瑞利不必像卡文迪许那样去摇动起电器，摇了三个星期才得到一个很小的小气泡。
为了得到更多的那种小气泡，瑞利用一个大圆底烧瓶代替玻璃弯管，倒立在碱水槽里，烧瓶内通人两根金属导线，其尖端相距只有几厘米。通上高压电，两根金属导线的尖端之间就会连续发生电火花，使瓶中空气里的氧气和氮气化合成二氧化氮。另外还有一根玻璃管通到瓶内。通过这根玻璃管，可以喷人苛性钠溶液来快速吸收掉生成的二氧化氮，也可以往瓶内送人氧气和补充新的空气。
用这个装置，瑞利终于得到一个较大的气泡。这个气�