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Estudió química en la Universidad de Glasgow, graduándose en 1870 y se doctoró en la Universidad de Tubinga, en Alemania, en 1872.
Ese mismo año regresó a Escocia para trabajar en el Anderson College hasta que le contrataron en la Universidad de Glasgow (1874-1880). Durante estos cuatro años, investigó sobre los alcaloides.
En 1880, se convirtió en catedrático del University College de Briston, donde pasó a ser director entre 1881 y 1887. Realizó investigaciones sobre las características físicas de líquidos y gases junto con otro químico, Sydney Young, con el que llegó a publicar más de 30 artículos.
En 1887, obtuvo un puesto de profesor de Química General en el University College de Londres, donde permaneció hasta su jubilación en 1913.
En 1892, John William Strutt, más conocido como Lord Rayleigh, descubrió una diferencia en los datos sobre el gas de nitrógeno en compuestos y en la atmósfera que atribuyó a un gas ligero incluido en compuestos químicos de nitrógeno, mientras que Ramsay sospechaba que se trataba de un gas pesado hasta ahora desconocido. Después de utilizar dos métodos distintos para eliminar todos los gases conocidos del aire ambos pudieron anunciar en 1894 que habían encontrado un elemento gaseoso monoatómico, químicamente inerte, que constituía casi el 1% de la atmósfera. Lo nombraron con la palabra griega para “perezoso”, argón.
En 1893, Ramsay liberó otro gas inerte de un mineral llamado cleveita, que resultó ser helio.
En 1896, publicó “Los gases de la atmósfera” en el que indicaba que por las posiciones de helio y argón en la tabla periódica podían existir al menos tres gases nobles más.
En 1898, en colaboración con el Morris W. Travers, aisló los elementos neón, criptón y xenón del aire y, en 1903, trabajando con Frederick Soddy, demostró que el helio (junto con una emanación gaseosa llamada radón) se produce continuamente durante la desintegración radiactiva del radio. Fue un descubrimiento de gran importancia para la comprensión de las reacciones nucleares.
En 1910, utilizando pequeñas muestras de radón, demostró que es un sexto gas noble y aportó más pruebas de que se formó por la emisión de un núcleo de helio y a partir del radio.
Fue nombrado Sir en 1902 y dos años más tarde recibió el Premio Nobel de Química por el descubrimiento de los componentes del aire y determinar su situación en la tabla periódica de los elementos. Curiosamente, su colaborador y amigo John William Strutt recibió el Premio Nobel de Física ese mismo año.
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