提出科学原子论的道尔顿

John Dalton 1766一1844


      英国化学家道尔顿把古代恩辨、模糊的原子假说发展为科学的原子理论,为近代化学的发展奠定了重要的基础。伟大革命导师恩格斯誉称他为近代化学之父。

    道尔顿是怎样攀登上科学高峰呢?他自己是这样回答的:如果我比我周围的人获得更多的成就的话,那主要——不,我可以说,几乎单纯地——是由于不懈的努力。一些人比另外一些人获得更多的成就,主要是由于他们对放在他们面前的问题比起一般人能够更加专注和坚持,而不是由于他的天赋比别人高多少

    这是道尔顿的切身体会,也是他成功的经验总结。我们从他为科学真理奋斗一生的经历中,可以更深刻地理解道尔顿的这段名言。

自学成才的道路

    道尔顿是依靠不懈的努力而自学成才的。1766年9月6日,道尔顿出生在英格兰北部一个穷乡僻壤。父亲是一位兼种一点薄地的织布工人,母亲生了6个孩子,有3个因生活贫困而夭折。道尔顿6岁起在村里教会办的小学读书。刚读完小学,就因家境困难而辍学。但是他酷爱读书,在于农活的空隙还坚持自学。他的勤奋好学的态度得到村里一个叫鲁宾逊的亲戚的赞赏。鲁宾逊主动地利用晚上时间来教他数学和物理。到了15岁时,道尔顿的学识已有很大提高,于是他离家来到附近的肯达尔镇上,在他表兄任校长的教会学校里担任助理教师。在这所学校里,他仍然坚持一边努力工作,一边发愤读书,无论是数学、自然科学,还是哲学、文学的书籍,他都广泛涉猎。据说在这所学校的12年中,他读的书比以后50年的还多。正是这种勤奋学习为他当时的教学和以后的科研奠定了坚实的基础。

    在肯达尔镇,有个名叫约翰·豪大的盲人学者,他2岁时患天花而失明。他凭着坚强的毅力和出众的才智,通过自学先后掌握了拉丁文、希腊文和法文,还获得了数学、天文、医学、植物、学等学科的丰富知识,成为远近闻名的学者。道尔顿从他的身上找到了学习的榜样,主动登门拜豪夫为师,跟他学习数学、哲学和拉丁文、希腊语。

    1793年,道尔顿经豪夫推荐,来到了曼彻斯特,受聘于一所新学院担任数学和物理学讲师。后来他还开设了化学课程,系统地学习化学知识是从这里开始的。在学习中,道尔顿有一种可贵的韧劲。上小学时,每当遇到较难的运算题,他总是坚持要把难题解出。为此当同学们部放学回家了,他却常常端坐在教室里,埋头解题。在鲁宾逊的感染下,他很早就开始进行气象观测。在肯达尔,蒙夫的指导又使他掌握了记录气象日记,从21岁时,道尔顿记气象日记,坚持了整整57年。直到临终的前一天,他还记下了一段气象观察。就是这股学习的韧劲使他攻下了一个又一个的学习难关。虚心地求教和不倦地自学终于使道尔顿成为一位知识渊博的学者。

科学征递上的攀登

    曼彻斯特是英国产业革命中兴起的纺织工业中心之一,也是新兴的资产阶级和无产阶级的重要活动堡垒。一些来自中下阶层的新型科学家、企业家、商人、工程师、医生及文学家、哲学家自发地组织了以提倡科学和工艺为宗旨的民间科学团体——曼彻斯特文学与哲学学会。他们定期聚会,宣读论文,讨论自然科学、哲学、文学、民法、商业及各种工艺问题,思想很活跃。在产业革命中作出突出贡献的一些企业家、科学家、思想家都参加到这一学会中来,学会实际上成为产业革命的参谋部。道尔顿到曼彻斯特后不久,很快参加了这一学会的活动。他的研究成果大部在这个学会的例会上宣读,这个学会的刊物发表了他多达百余篇的论文,道尔顿的科研活动与该学会有着密切的联系。由于他学识渊博,待人诚恳,作风朴实,大家都很尊重他,1808年推选他为学会的副会长, 1817年任会长,直到他去世。

    道尔顿在曼彻斯特发表的第一篇论文,不是气象问题,也不是物理问题,而是一篇关于色盲的研究文章。说起来,事出偶然。圣诞节时道尔顿为母亲买了一双深蓝色的袜子表示自己对老人的孝敬。当他送给母亲时,母亲却厉声责问他,为什么买一双红色袜子。依照当地宗教习俗,妇女禁忌红色。由此道尔顿才发现自己的辨色能力与众不同。对此他经过认真的调查,发现他哥哥也和他一样,具有不正常的辨色能力,另有一些人也具有这一病症。为此他撰写了论文,提出人类中存在着色盲这一病症。道尔顿的这一发现引起了社会公众的重视,所以在英国将色盲常称为道尔顿症。

    学识的增加,使道尔顿感到要深入研究,解决几个科学难题,必须付出更多的时间和精力。为此,1799年他果断地辞去了学院的繁忙教职,从曼彻斯特文学和哲学会借了一间工作室,又在工作室附近租了一间简陋的民房,开始他清贫的以科研为主的新生 活。据他的房东介绍说:道尔顿的生活很有规律,几乎每天都是,早餐前先去实验室升火,吃完早餐后即开始工作,一直干到午餐时才出来。吃罢午餐又继续进实验室工作,一直忙到晚上9点,晚餐后稍作休息,就进住房读书至夜半。这种生活就象时钟运转一样有规律,“午夜方眠,黎明即起”成为道尔顿勤奋治学生活的真实写照。功夫不负有心人。勤奋的学习,刻苦的钻研,使道尔顿在攀登科学的山路上取得了一个又一个的成果。长期以来对气象观测和对大气各种问题的思索很自然地引导他去研究气体的物理性质。他用自己亲自动手设计制作的各种器具认真地考察了大气、水蒸气等多种气体和蒸发、压缩、膨胀等物理现象,还对大气的组成、混和气体的状态、气体的扩散、气体在水中的溶解等问题作了实验研究。从1301年起,他陆续地完成了“关于极光”、“关于气压计”、论降雨”、“关于温度计”、“混和气体的组成”、“论水蒸气的力”、“论蒸发”、“论气体受热膨胀”等论文。其中最突出的成果是,他在“论气体受热膨胀”的论文中清楚地提出了气体的热膨胀定律:任何气体每上升一定温度时发生的体积膨胀是相同的,在同一时期,法国化学家盖·吕萨克也提出了气体的体积随温度而改变的这一定律,所以现在人们常称气体热膨胀定律为道尔顿一盖,吕萨克定律,此后不久,道尔顿又进一步地提出了著名的混和气体的分压定律,混和气体的压力等于各组分在同样条件下所具有的压力之和。这些对气体物理性质的实验研究成果又引导道尔顿去攀登科学险途的新高峰。

科学原子论的提出

    通过气象观测和对气体物理性质的研究,道尔顿常思考这么一个问题:为什么复合的大气,或者由两种或更多种弹性流体(气体)组成的混和物竟能在外观上构成一种均匀体?他决心解释常见的自然现象。

    他曾假定各种物质(气体)都是由同样大小的微粒构成。混和气体的分压定律表明一种气体的微粒能均匀地分布在另一种气体的微粒之中。气体的扩散也是类似的物理过程。由此道尔顿认为,物质的微粒结构是存在的,这些质点也许是大小了,即便采用显微镜也无法看到。这时他想起了公元前古希腊哲学家提出的原子假设,于是他选择了原子这一名词来称呼这种微粒。

    牛顿在他的力学理论中,指出在物质微粒的运动中,同性相斥,异性相吸。根据这一思想,道尔顿假设在混和气体中,一类气体的原子并不排斥另一类气体的原子,仅仅是同类原子相互排斥。那么怎样证实气体原子的存在呢?道尔顿认为,必须去测定各种原子的相对质量和不同原子合成新粒子的组成。当时化学家在气体化合物的化学反应中,为道尔顿的研究提供了一些实验数据,但是还远远满足不了他计算各种原子的相对质量的需要,为此道尔顿作了一些大胆的假设和推理。首先他从物理学的角度出发,假定相同体积的气体在同温同压下,含有相同数目的原子。若这一假定能成立,他便可以通过测量相对的蒸汽密度来换算气体原子的相对质量。但是,他在氧气、氢气合成水的实验中发现,水的蒸气密度反而小于氧气的蒸气密度。于是他怀疑采用蒸气密度法来测算原子相对质量行不通。(用现在的观点来看,只要把道尔顿测定的微粒由原子改为分子就对了,可惜道尔顿当时没有这种认识。)

    采用物理学的实验方法行不通,道尔顿转向了化学。根据水由35份氧和15份氢组成的实验结果,得到了氧和氢化合的质量比;又由氨气的分析得到了氮和氢化合的质量比。有了这些质量比还不够,还必须知道化合物的微粒究竟由几个原子组成,才能换算出原子的相对质量。对此道尔顿提出了由原子构成微粒(分子)的基本原则。两种元素A和B间,若只存在一种化合物,其分子为AB若存在两种化合物,其分子为AB、ABB或AAB;若存在三种时,可能是AB、AA民ABB……,在这样的规定下,他以氢原 子量作为基准,利用化学家对一些物质的分析结果,换算出一批原子的相对质量,这就是世界上第一张原子相对质量表,记载在1803年9月6日道尔顿的日记中,这一天恰好是道尔顿37岁的生日,因而更富有意义。

    1803年10月,在曼彻斯特文学和哲学学会的一次活动中,道尔顿第一次讲述了他的原子论。他的基本观点可归纳为三点:

    (1)元素是由非常微小、不可再分的微粒——原子组成,原子在一切化学变化中不可再分,并保持自己的独特性质。

    (2)同一元素所有原子的质量、性质都完全相同。不同元素的原子质量和性质也各不相同,原子质量是每一种元素的基本特征之一。

    (3)不同元素化合时,原子以简单整数比结合。

    尽管道尔顿提出的原子论被后人发现存在许多错误,但是他关于原子的描述、原子量的计算是项意义深远的开创性工作,第一次把纯属臆测的原子概念变成一种具有一定质量的、可以由实验来测定的物质实体。在他阐述他的原子论的过程中,他又发现和他原子理论相吻合的一个实验事实:当甲乙两元素能化合生成几种不同的化合物时,则在这些化合物中与一定质量的甲元素相化合的各乙元素的质量多互成简单的整数比。例如一氧化碳和二氧化碳中,与同量碳化合的氧,其质量之比为1:2。氧的氮化物、沼气(甲烷)和成油气(乙烯)等也都呈现此规律。于是道尔顿第一个提出了表述这一规律的倍比定律。倍比定律来自实验,很快为大家所理解和接受,固而成为原子理论的实验论据之一。

不朽的业绩,光辉的形象

    1804年夏天,当时在英国已颇有名气的化学家托马斯·汤姆逊拜访了道尔顿。道尔顿向他介绍了自己的原子论,汤姆逊极为饮赏,他抓紧时间,在1807年出版的他所著的《化学体系》一书中,宣传了道尔顿的原子论,从而使这一理论为其他化学家所认识。

    道尔顿自己的著作《化学哲学新体系》在1808年才陆续问世。这一名著分两卷,第一卷又分上下两册。在第一卷上册中,他主要论述了物质的结构,详尽地阐明了原子论的由来和发展,包括他关于原子论的基本观点。第一卷下册于1810年出版,它的内容主要是结合化学实验的事实,运用原子理论对一些元素和化合物的组成、性质作介绍。第二卷直到1827年才出版,它重点叙述金属氧化物、硫化物以及合金的性质,把原子论的思想作了进一步的发展。

    最早提出原子论的一是古希腊哲学家德模克利特(公元前476一370),他认为物质是由许多微粒组成的,这些微粒叫原子,意思是不可分割,许多后人都接受了德模克利特的观点,但是他们的假定只是凭想像并无实验根据。近代科学巨人牛顿也是一位原子论者,但他笔下的原子乃是一些大小不同而本质相同的微粒。道尔顿的原子论就不一样,他认为相同元素的原子形状和大小都一样,不同元素的原子则不同,每种元素的原子质量都是固定不变的,原子量是元素原子的基本特征。相比之下,可以发现道尔顿的原子论有了本质的发展。

    道尔顿原子论所提出的新概念和新思想,很快成为化学家们解决实际问题的重要理论。首先用它清晰地解释了当时正被运用的定比定律、当量定律。同时这一理论使众多的化学现象得到了统一的解释。特别是原子量的引入,原子质量是化学元素基本特征的思想,引导着化学家把定量研究与定性研究结合起来,从而把化学研究提高到一个新的水平。革命导师恩格斯评价说,“在化学中,特别感谢道尔顿发现了原子论,已达到的各种结果都具有了秩序和相对的可靠性,已经能够有系统地,差不多是有计划地向还没有被征服的领域进攻,可以和计划周密地围攻一个堡垒相比。”

    道尔顿的原子论不仅在英国化学界,而且在整个科学界引起 了重视和推崇。1816年法国科学院选道尔顿为外国通讯院士。1822年在没有征求道尔顿本人意见的情况下,英国皇家学会增选他为会员。其后他先后被聘为柏林科学院名誉院士、莫斯科自然科学爱好者协会名誉会员、慕尼黑科学院名誉院士。对此道尔顿没有丝毫兴趣,他仍然象过去一样,将自己的热情和精力奉献给科学,继续从事原子论的研究,测定各种元素的原子量,继续过着那朴实而紧张的隐居式生活。道尔顿的清贫生活,特别是那简陋的住房和艰苦的工作条件,使慕名而来访的科学家感到意外。由于他们的大声呼吁,英国政府才在1833年关心起道尔顿的生活,决定每年给他150英镑的微薄的养老金,以供他晚年生活。

    1837年4月,他刚过70岁,不幸中风,后经治疗病情有所好转,便又象往常那样继续工作。直到1844年7月26日晚,他还用发抖的手记下最后一篇气象日记。第二天清晨,他就象婴儿入唾一样静静地长眠了。享年77岁。对道尔顿的逝世,曼彻斯特市民们感到非常悲痛,当时的市政厅立即作出决定,授子这位科学家以荣誉市民的称号,将他的遗体安放在市政厅。4万多市民络绎不绝地前去致哀。8月12日公葬时,有100多辆马车送葬,数百人徒步跟随,沿街商店也都停止营业,以示悼念。一位终身未娶、没有后人也没有钱财的普通市民,在死后能获得这种非同寻常的礼遇,可见人们对道尔顿的崇敬。