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第4章 原子量测定中的困难

在理论的政治的认识上,站稳着脚步,才不至于随时为某些现象或谣言而动摇自己的革命信仰!

——方志敏

原子学说赋予不同的元素以定量的特征——原子量,使定量实验和化学计算得以实现。因此有人说,定量化学时期是从道尔顿而不是从拉瓦锡开始。但道尔顿测定原子量的从一开始就遇到了巨大的困难。

确定原子量(即相对原子质量)最困难的部分就是确定化合物内的原子个数比。例如氢与氧化合生成水,一份质量的氢需8份质量的氧。如果氢、氧原子个数比为1∶1,则氧原子质量是氢原子质量的8倍;如果氢、氧原子个数比原子结构为2∶1,则氧原子质量是氢原子质量的16倍。原子个数比不同得出的相对原子质量不同。在缺乏其他实验方法的情况下,道尔顿一开始认为水中只含一个氢原子和一个氧原子。他把氢定为标准原子量,规定其的原子量为1,从而得出氧的原子量为8。根据对氨组成的分析(含氢20%,含氮80%),认为氨中只含一个氢原子和一个氮原子,得出氮的原子量为4。

在没有其他实验根据的情况下,道尔顿看不出怎样确定原子个数比,于是他假定:凡是两种元素只能形成一种化合物,则化合物内两种元素的原子个数比为1∶1;若能形成两种化合物,则在这两种化合物内,原子个数比分别为1∶1和1∶2……

由于错误的假定导致了错误的结果。加上当时实验数据缺乏、精确不高,道尔顿的原子量与现代的原子量出入很大。在定量实验和化学计算中使用错误的原子量是得不到正确结论的,原子理论的应用因此也遇到了巨大的阻力。这就是戴维和法拉第认为没有必要相信原子论的原因。1834年法拉第电化当量定律的发现,使人们更趋向于使用当量值。而原子量测定工作一再出现矛盾和反复,只有一些远见卓识的科学家仍然坚持苦苦摸索。他们认识到了原子理论和原子量测定工作对于化学乃至整个自然科学发展的重要意义,相信原子理论辉煌照耀的光明白昼一定会来到。

在这些探索者中瑞典化学家贝采里乌斯最为突出,他用二十年的时间和他的同事、学生一起分析了约两千种化合物的组成,采用了多种理论和方法,取得了十分接近现代值的原子量。他们这些浩繁的工作为原子论的复兴打下了坚实的基础。

道尔顿的《化学哲学新体系》第二、三册很快出版。在第二册中他描述了当时已知元素的化学性质;第三册补充了一些实验结果。中国科学院藏有该书初版的第一、第二两册,在第二册扉页上有道尔顿赠爱丁堡医学会的亲笔字迹,弥足珍贵。

道尔顿终生未娶,他自己解释说没有时间去结交女朋友。这里也顺便提一下法拉第,他曾写下一首长诗发誓要为崇高的科学事业奉献终生而一辈子不结婚。他把诗给一位朋友看过后,法拉第很快得知朋友的妹妹暗恋着他。法拉第很快激起了爱情的浪花,把原来的长诗改成了情诗与这位朋友的妹妹结婚。法拉第夫妻一生没有生育,但他们过得十分愉快、和谐。

与法拉第充裕的晚年生活相比,道尔顿的经济情况并不宽裕。当时许多著名学者,如戴维、法拉第、布朗、歌德等,都和他有来往。一些学者常常拜访道尔顿,当他们看到道尔顿简朴的房间感到十分意外。由于这些学者的呼吁,英国政府在道尔顿67岁以后开始给道尔顿发养老金,并给他配置了一些家具等。

1837年,道尔顿轻度中风,行动很不方便,但他仍坚持做实验并继续教课。他将实验成果写成论文,寄给由他参与创办的英国科学促进会,请人代为宣读。1842年道尔顿76岁,他最后一次参加英国科学促进会的年会。一些会员们关切地询问这位长者的身体情况时,他说:“我还能做化学实验,不过每一次实验所费的时间,要比过去多三倍到四倍,我的计算能力虽然衰退,算起数来很缓慢,但还能计算。”

道尔顿就是这样一位将一生毫无保留地献给科学事业的伟大学者。1844年7月28日清晨,道尔顿在他的卧室里安详的熟睡了。他终于走完了他艰辛、果敢、睿智、富于意义的一生。

在英国曼彻斯特市政广场,后人为了纪念道尔顿雕塑了他铜像。每年来自世界各地的凭吊者络绎不绝,缅怀这位伟大学者。

从伦敦出发沿泰晤士河西行,经牛津、过布利斯托尔再一直北上225公里,就到达了英国著名的城市曼彻斯特。这座城市曾经享有一系列世界第一的盛誉:它曾经为英国工业首府,也是世界第一个近代工业城市,被称作“维多利亚工厂”。1842年,焦耳在这里第一个证明热与机械功之间的转换,找出了著名的“热功当量”,伟大的无产阶级革命导师恩格斯曾在这个城市里工作多年,写下了名著《英国工人阶级状况》。道尔顿和原子论的故事也发生在这享有盛誉的曼彻斯特。

1844年8月的一个礼拜天。曼彻斯特市政厅作出决议,给一个普通市民以该市公葬市民的荣誉。他的遗体安放在市政厅鲜花翠柏丛中,4万多市民(当时曼彻斯特市有40万人口)络绎不绝地前往致哀吊唁。公葬时有100多辆马车随行送葬,哀乐悲天动地,行人驻足行注目礼。从市政厅到阿尔德维克墓地的路上,成百上千人徒步随行,沿街商店都自动停止营业,以示悼念。

一个普通市民为什么获得如此巨大的殊荣?他的逝世为什么给曼彻斯特市民带来了如此大的悲痛?这个普通市民是什么人?

18世纪后半期英国经过产业革命,工业、商业、农业和技术等有了长足的发展,因而促进了自然科学的进步。

获得世界名城曼彻斯特人们尊敬的约翰·道尔顿于1766年9月6日出生于英格兰北部巴兰州一个穷乡僻壤。父亲是一个兼种微薄土地的织布工人,以半工半农维持一家人的贫困生活。小道尔顿不像幼年的拉瓦锡那样受到无微不至的爱护和照料,他受到的正式教育也只有短段几年时间。后来他所取得的巨大成就,都是他自学成材的结果。

由于个人的努力和朋友的推荐,道尔受聘于顿曼彻斯特一家学校担任作教员。但是教师授课工作繁忙,常常影响他的科学研究工作。后来,道尔顿为了科学研究,辞去了学校教职。他辞去学院职务以后,一直再未在任何学校任职,过的是朴实无华的隐居式的生活,既不担任公职也不愿高居显赫的地位,终生乐于做一名平民科学家。

在顿曼彻斯特道尔顿曾经研究过色盲,他也是最早发现和研究过色盲的人。直到今天,英国人仍然把色盲称为“道尔顿症”,以示纪念道尔顿发现色盲症。

晚年,道尔顿赢得了巨大的荣誉,进入了世界最优秀的科学家的行列。一天,一个学生问起老师是怎样获得成功的,有什么秘诀。道尔顿说:“如果说我比其他人获得了较大成功的话,那主要是——不!完全是不断勤奋地学习钻研而来的。有的人能够远远地超越其他人,与其说他是天才,不如说是由于他能够专心致志地坚持学习,具有不达目的不罢休的那种不屈不挠的精神。”

傍晚,道尔顿躺在安乐椅上回忆一生的科学研究生涯。

当人们高唱祝福歌跨进19世纪的门槛时,道尔顿集中注意力研究有关气体物理性质,此后相继发表了几篇有关的实验研究报告,确立了“气体的热膨胀定律”以及“混合气体的分压定律”。法国化学家贝托雷与普鲁斯特围绕定比定律的激烈争论吸引了道尔顿,使他转向从气体的角度来研究原子论问题。

距今大约2500年前,古希腊各个城邦里有很多才智过人的哲人。德谟克利特就是其中一位,他提倡的原子说,这是由他的老师留基伯原子和虚空的观点发展而来的。

德谟克利特的原子学说认为“万物是由不可再分割的粒子组成的”,它们在虚空中运动、发展和变化。这一学说受到欧洲中世纪封建时代的扼杀,直到文艺复兴才重见天日。道尔顿以前的科学家也用过原子论来解释化学变化及其现象。道尔顿正是在这一基础上做出了自己的创造。他对原子论的贡献主要体现在,提出了原子量概念,第一次使原子通过原子量与具体的化学实验结合起来。

道尔顿主张不是深思熟虑的东西决不草率发表。1804年夏,汤姆生来访。道尔顿趁机向他说明了自己的原子学说,并得到了他的认同。后来汤姆生在出版的著作《化学体系》中介绍了道尔顿的观点。学术界从此热闹起来了。许多人赞同道尔顿的理论,也有人误解了道尔顿的理论。1808年,道尔顿发表了《化学哲学新体系》一书的第一卷,详细阐明了原子理论,论述了原子理论的许多具体应用。道尔顿使用了独特的象形原子符号,简单明了,很多人由此踏入了原子世界的大门。

由于定比定律和倍比定律的支持,道尔顿的原子论在学术界引起了轰动。贝托雷与普鲁斯特的争论,从原子论的观点上看也就解决了。道尔顿原子论与古希腊的原子论不同,它建立在实证科学及实验基础上的,而古希腊原子论则是天才的猜测和主观的臆想。原子论的确立奠定了道尔顿在科学史上的不朽地位。

当时,在科学界也有一些人反对道尔顿原子论,其中包括大名鼎鼎的戴维、贝托雷,他们主要在原子量还不能精确测量上做文章,进而反对使用原子论。道尔顿与他们进行了长时间的论战,虽然道尔顿占了上风,但很多地方却说服不了反对者。当时原子量还不可能精确地测量,直到20世纪30年代这个问题才彻底解决。后来精确测量原子量的任务由一代化学大师贝采里乌斯完成。

道尔顿作为近代原子学说的创始人早已名满天下之时,英国皇家学会却并未选他为会员。无疑是作为皇家学会台柱子的戴维从中作梗。常言道,墙里开花墙外香。道尔顿在英国之外已经赫赫有名之后很久,其中法国科学院等国际学术机构给予他极高荣誉之后,皇家学会才批准道尔顿成为该学会的会员。

道尔顿原子论的建立给科学发展指明了方向。在此之前,化学研究者像游荡的牧羊人,漫无目的地前进。而原子论就像战略指挥官一样,使一切都有组织、有计划地进行。

道尔顿原子论正式发表的第三年,意大利科学家阿佛伽德罗提出了分子论,补充和完善了道尔顿原子论的科学体系,最终统称为原子—分子论。它成为整个19世纪科学发展的核心,也是19世纪科学家奉献给科学大厦精美的构件。

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