化學人物篇——提出原子論的道爾頓

　　英國化學家道爾頓把古代恩辨、模糊的原子假說發(fā)展為科學的原子理論，為近代化學的發(fā)展奠定了重要的基礎。偉大革命導師恩格斯譽稱他為近代化學之父。

　　道爾頓是怎樣攀登上科學高峰呢？他自己是這樣回答的：如果我比我周圍的人獲得更多的成就的話，那主要——不，我可以說，幾乎單純地——是由于不懈的努力。一些人比另外一些人獲得更多的成就，主要是由于他們對放在他們面前的問題比起一般人能夠更加專注和堅持，而不是由于他的天賦比別人高多少。

　　這是道爾頓的切身體會，也是他成功的經(jīng)驗總結。我們從他為科學真理奮斗一生的經(jīng)歷中，可以更深刻地理解道爾頓的這段名言。

　　自學成才的道路

　　道爾頓是依*不懈的努力而自學成才的。1766年9月6日，道爾頓出生在英格蘭北部一個窮鄉(xiāng)僻壤。父親是一位兼種一點薄地的織布工人，母親生了6個孩子，有3個因生活貧困而夭折。道爾頓6歲起在村里教會辦的小學讀書。剛讀完小學，就因家境困難而輟學。但是他酷愛讀書，在于農(nóng)活的空隙還堅持自學。他的勤奮好學的態(tài)度得到村里一個叫魯賓遜的親戚的贊賞。魯賓遜主動地利用晚上時間來教他數(shù)學和物理。到了15歲時，道爾頓的學識已有很大提高，于是他離家來到附近的肯達爾鎮(zhèn)上，在他表兄任校長的教會學校里擔任助理教師。在這所學校里，他仍然堅持一邊努力工作，一邊發(fā)憤讀書，無論是數(shù)學、自然科學，還是哲學、文學的書籍，他都廣泛涉獵。據(jù)說在這所學校的12年中，他讀的書比以后50年的還多。正是這種勤奮學習為他當時的教學和以后的科研奠定了堅實的基礎。

　　在肯達爾鎮(zhèn)，有個名叫約翰·豪大的盲人學者，他2歲時患天花而失明。他憑著堅強的毅力和出眾的才智，通過自學先后掌握了拉丁文、希臘文和法文，還獲得了數(shù)學、天文、醫(yī)學、植物、學等學科的豐富知識，成為遠近聞名的學者。道爾頓從他的身上找到了學習的榜樣，主動登門拜豪夫為師，跟他學習數(shù)學、哲學和拉丁文、希臘語。

　　1793年，道爾頓經(jīng)豪夫推薦，來到了曼徹斯特，受聘于一所新學院擔任數(shù)學和物理學講師。后來他還開設了化學課程，系統(tǒng)地學習化學知識是從這里開始的。在學習中，道爾頓有一種可貴的韌勁。上小學時，每當遇到較難的運算題，他總是堅持要把難題解出。為此當同學們部放學回家了，他卻常常端坐在教室里，埋頭解題。在魯賓遜的感染下，他很早就開始進行氣象觀測。在肯達爾，蒙夫的指導又使他掌握了記錄氣象日記，從21歲時，道爾頓記氣象日記，堅持了整整57年。直到臨終的前一天，他還記下了一段氣象觀察。就是這股學習的韌勁使他攻下了一個又一個的學習難關。虛心地求教和不倦地自學終于使道爾頓成為一位知識淵博的學者。

　　科學征遞上的攀登

　　曼徹斯特是英國產(chǎn)業(yè)革命中興起的紡織工業(yè)中心之一，也是新興的資產(chǎn)階級和無產(chǎn)階級的重要活動堡壘。一些來自中下階層的新型科學家、企業(yè)家、商人、工程師、醫(yī)生及文學家、哲學家自發(fā)地組織了以提倡科學和工藝為宗旨的民間科學團體——曼徹斯特文學與哲學學會。他們定期聚會，宣讀論文，討論自然科學、哲學、文學、民法、商業(yè)及各種工藝問題，思想很活躍。在產(chǎn)業(yè)革命中作出突出貢獻的一些企業(yè)家、科學家、思想家都參加到這一學會中來，學會實際上成為產(chǎn)業(yè)革命的參謀部。道爾頓到曼徹斯特后不久，很快參加了這一學會的活動。他的研究成果大部在這個學會的例會上宣讀，這個學會的刊物發(fā)表了他多達百余篇的論文，道爾頓的科研活動與該學會有著密切的聯(lián)系。由于他學識淵博，待人誠懇，作風樸實，大家都很尊重他，1808年推選他為學會的副會長，1817年任會長，直到他去世。

　　道爾頓在曼徹斯特發(fā)表的先進篇論文，不是氣象問題，也不是物理問題，而是一篇關于色盲的研究文章。說起來，事出偶然。圣誕節(jié)時道爾頓為母親買了一雙深藍色的襪子表示自己對老人的孝敬。當他送給母親時，母親卻厲聲責問他，為什么買一雙紅色襪子。依照當?shù)刈诮塘曀�，婦女禁忌紅色。由此道爾頓才發(fā)現(xiàn)自己的辨色能力與眾不同。對此他經(jīng)過認真的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)他哥哥也和他一樣，具有不正常的辨色能力，另有一些人也具有這一病癥。為此他撰寫了論文，提出人類中存在著色盲這一病癥。道爾頓的這一發(fā)現(xiàn)引起了社會公眾的重視，所以在英國將色盲常稱為道爾頓癥。

　　學識的增加，使道爾頓感到要深入研究，解決幾個科學難題，必須付出更多的時間和精力。為此，1799年他果斷地辭去了學院的繁忙教職，從曼徹斯特文學和哲學會借了一間工作室，又在工作室附近租了一間簡陋的民房，開始他清貧的以科研為主的新生活。據(jù)他的房東介紹說：道爾頓的生活很有規(guī)律，幾乎每天都是，早餐前先去實驗室升火，吃完早餐后即開始工作，一直干到午餐時才出來。吃罷午餐又繼續(xù)進實驗室工作，一直忙到晚上9點，晚餐后稍作休息，就進住房讀書至夜半。這種生活就象時鐘運轉一樣有規(guī)律，“午夜方眠，黎明即起”成為道爾頓勤奮治孩子活的真實寫照。功夫不負有心人。勤奮的學習，刻苦的鉆研，使道爾頓在攀登科學的山路上取得了一個又一個的成果。長期以來對氣象觀測和對大氣各種問題的思索很自然地引導他去研究氣體的物理性質。他用自己親自動手設計制作的各種器具認真地考察了大氣、水蒸氣等多種氣體和蒸發(fā)、壓縮、膨脹等物理現(xiàn)象，還對大氣的組成、混和氣體的狀態(tài)、氣體的擴散、氣體在水中的溶解等問題作了實驗研究。從1301年起，他陸續(xù)地完成了“關于極光”、“關于氣壓計”、論降雨”、“關于溫度計”、“混和氣體的組成”、“論水蒸氣的力”、“論蒸發(fā)”、“論氣體受熱膨脹”等論文。其中較突出的成果是，他在“論氣體受熱膨脹”的論文中清楚地提出了氣體的熱膨脹定律：任何氣體每上升一定溫度時發(fā)生的體積膨脹是相同的，在同一時期，法國化學家蓋·呂薩克也提出了氣體的體積隨溫度而改變的這一定律，所以現(xiàn)在人們常稱氣體熱膨脹定律為道爾頓一蓋，呂薩克定律，此后不久，道爾頓又進一步地提出了著名的混和氣體的分壓定律，混和氣體的壓力等于各組分在同樣條件下所具有的壓力之和。這些對氣體物理性質的實驗研究成果又引導道爾頓去攀登科學險途的新高峰。

　　科學原子論的提出

　　通過氣象觀測和對氣體物理性質的研究，道爾頓常思考這么一個問題：為什么復合的大氣，或者由兩種或更多種彈性流體（氣體）組成的混和物竟能在外觀上構成一種均勻體？他決心解釋常見的自然現(xiàn)象。

　　他曾假定各種物質（氣體）都是由同樣大小的微粒構成�；旌蜌怏w的分壓定律表明一種氣體的微粒能均勻地分布在另一種氣體的微粒之中。氣體的擴散也是類似的物理過程。由此道爾頓認為，物質的微粒結構是存在的，這些質點也許是大小了，即便采用顯微鏡也無法看到。這時他想起了公元前古希臘哲學家提出的原子假設，于是他選擇了原子這一名詞來稱呼這種微粒。

　　牛頓在他的力學理論中，指出在物質微粒的運動中，同性相斥，異性相吸。根據(jù)這一思想，道爾頓假設在混和氣體中，一類氣體的原子并不排斥另一類氣體的原子，僅僅是同類原子相互排斥。那么怎樣證實氣體原子的存在呢？道爾頓認為，必須去測定各種原子的相對質量和不同原子合成新粒子的組成。當時化學家在氣體化合物的化學反應中，為道爾頓的研究提供了一些實驗數(shù)據(jù)，但是還遠遠滿足不了他各種原子的相對質量的需要，為此道爾頓作了一些大膽的假設和推理。首先他從物理學的角度出發(fā)，假定相同體積的氣體在同溫同壓下，含有相同數(shù)目的原子。若這一假定能成立，他便可以通過測量相對的蒸汽密度來換算氣體原子的相對質量。但是，他在氧氣、氫氣合成水的實驗中發(fā)現(xiàn)，水的蒸氣密度反而小于氧氣的蒸氣密度。于是他懷疑采用蒸氣密度法來測算原子相對質量行不通。（用現(xiàn)在的觀點來看，只要把道爾頓測定的微粒由原子改為分子就對了，可惜道爾頓當時沒有這種認識。）

　　采用物理學的實驗方法行不通，道爾頓轉向了化學。根據(jù)水由35份氧和15份氫組成的實驗結果，得到了氧和氫化合的質量比；又由氨氣的分析得到了氮和氫化合的質量比。有了這些質量比還不夠，還必須知道化合物的微粒究竟由幾個原子組成，才能換算出原子的相對質量。對此道爾頓提出了由原子構成微粒（分子）的基本原則。兩種元素A和B間，若只存在一種化合物，其分子為AB若存在兩種化合物，其分子為AB、ABB或AAB；若存在三種時，可能是AB、AA民ABB……，在這樣的規(guī)定下，他以氫原子量作為基準，利用化學家對一些物質的分析結果，換算出一批原子的相對質量，這就是世界上先進張原子相對質量表，記載在1803年9月6日道爾頓的日記中，這一天恰好是道爾頓37歲的生日，因而更富有意義。

　　1803年10月，在曼徹斯特文學和哲學學會的一次活動中，道爾頓先進次講述了他的原子論。他的基本觀點可歸納為三點：

　　（1）元素是由非常微小、不可再分的微粒——原子組成，原子在一切化學變化中不可再分，并保持自己的獨特性質。

　�。�2）同一元素所有原子的質量、性質都完全相同。不同元素的原子質量和性質也各不相同，原子質量是每一種元素的基本特征之一。

　　（3）不同元素化合時，原子以簡單整數(shù)比結合。

　　盡管道爾頓提出的原子論被后人發(fā)現(xiàn)存在許多錯誤，但是他關于原子的描述、原子量的是項意義深遠的開創(chuàng)性工作，先進次把純屬臆測的原子概念變成一種具有一定質量的、可以由實驗來測定的物質實體。在他闡述他的原子論的過程中，他又發(fā)現(xiàn)和他原子理論相吻合的一個實驗事實：當甲乙兩元素能化合生成幾種不同的化合物時，則在這些化合物中與一定質量的甲元素相化合的各乙元素的質量多互成簡單的整數(shù)比。例如一氧化碳和二氧化碳中，與同量碳化合的氧，其質量之比為1：2。氧的氮化物、沼氣（甲烷）和成油氣（乙烯)等也都呈現(xiàn)此規(guī)律。于是道爾頓先進個提出了表述這一規(guī)律的倍比定律。倍比定律來自實驗，很快為大家所理解和接受，固而成為原子理論的實驗論據(jù)之一。

　　不朽的業(yè)績，光輝的形象

　　1804年夏天，當時在英國已頗有名氣的化學家托馬斯·湯姆遜拜訪了道爾頓。道爾頓向他介紹了自己的原子論，湯姆遜極為飲賞，他抓緊時間，在1807年出版的他所著的《化學體系》一書中，宣傳了道爾頓的原子論，從而使這一理論為其他化學家所認識。

　　道爾頓自己的著作《化學哲學新體系》在1808年才陸續(xù)問世。這一名著分兩卷，先進卷又分上下兩冊。在先進卷上冊中，他主要論述了物質的結構，詳盡地闡明了原子論的由來和發(fā)展，包括他關于原子論的基本觀點。先進卷下冊于1810年出版，它的內(nèi)容主要是結合化學實驗的事實，運用原子理論對一些元素和化合物的組成、性質作介紹。第二卷直到1827年才出版，它重點敘述金屬氧化物、硫化物以及合金的性質，把原子論的思想作了進一步的發(fā)展。

　　較早提出原子論的一是古希臘哲學家德模克利特（公元前476一370），他認為物質是由許多微粒組成的，這些微粒叫原子，意思是不可分割，許多后人都接受了德模克利特的觀點，但是他們的假定只是憑想像并無實驗根據(jù)。近代科學巨人牛頓也是一位原子論者，但他筆下的原子乃是一些大小不同而本質相同的微粒。道爾頓的原子論就不一樣，他認為相同元素的原子形狀和大小都一樣，不同元素的原子則不同，每種元素的原子質量都是固定不變的，原子量是元素原子的基本特征。相比之下，可以發(fā)現(xiàn)道爾頓的原子論有了本質的發(fā)展。

　　道爾頓原子論所提出的新概念和新思想，很快成為化學家們解決實際問題的重要理論。首先用它清晰地解釋了當時正被運用的定比定律、當量定律。同時這一理論使眾多的化學現(xiàn)象得到了統(tǒng)一的解釋。特別是原子量的引入，原子質量是化學元素基本特征的思想，引導著化學家把定量研究與定性研究結合起來，從而把化學研究提高到一個新的水平。革命導師恩格斯評價說，“在化學中，特別感謝道爾頓發(fā)現(xiàn)了原子論，已達到的各種結果都具有了秩序和相對的可*性，已經(jīng)能夠有系統(tǒng)地，差不多是有計劃地向還沒有被征服的領域進攻，可以和計劃周密地圍攻一個堡壘相比。”

　　道爾頓的原子論不僅在英國化學界，而且在整個科學界引起了重視和推崇。1816年法國科學院選道爾頓為外國通訊院士。1822年在沒有征求道爾頓本人意見的情況下，英國皇家學會增選他為會員。其后他先后被聘為柏林科學院名聲院士、莫斯科自然科學愛好者協(xié)會名聲會員、慕尼黑科學院名聲院士。對此道爾頓沒有絲毫興趣，他仍然象過去一樣，將自己的熱情和精力奉獻給科學，繼續(xù)從事原子論的研究，測定各種元素的原子量，繼續(xù)過著那樸實而緊張的隱居式生活。道爾頓的清貧生活，特別是那簡陋的住房和艱苦的工作條件，使慕名而來訪的科學家感到意外。由于他們的大聲呼吁，英國政府才在1833年關心起道爾頓的生活，決定每年給他150英鎊的微薄的養(yǎng)老金，以供他晚年生活。

　　1837年4月，他剛過70歲，不幸中風，后經(jīng)治療病情有所好轉，便又象往常那樣繼續(xù)工作。直到1844年7月26日晚，他還用發(fā)抖的手記下較后一篇氣象日記。第二天清晨，他就象嬰兒入唾一樣靜靜地長眠了。享年77歲。對道爾頓的逝世，曼徹斯特市民們感到非常悲痛，當時的市政廳立即作出決定，授子這位科學家以品質市民的稱號，將他的遺體安放在市政廳。4萬多市民絡繹不絕地前去致哀。8月12日公葬時，有100多輛馬車送葬，數(shù)百人徒步跟隨，沿街商店也都停止營業(yè)，以示悼念。一位終身未娶、沒有后人也沒有錢財?shù)钠胀ㄊ忻�，在死后能獲得這種非同尋常的禮遇，可見人們對道爾頓的崇敬。

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