谁第一个提出了现代化学的原子论?|化学有故事新番

作者: 汪诘、哈顿

来源: 科学有故事

发布日期: 2023-01-11 17:32:42

约翰·道尔顿是第一个提出现代化学原子论的科学家,他的发现不仅揭示了色盲现象,还通过科学思维和实验验证,提出了原子论,为化学开启了新时代。道尔顿的原子论不仅解释了众多化学现象,还通过可测量的数据特征,使得化学理论具备了很强的可证伪性。他的贡献被认为是化学中最基本的概念,是建构整个现代化学大厦的基石。

上集我们说到,拉瓦锡为现代化学奠定了元素不灭的基础理论。它就像是现代化学的指路标,从此,化学家们终于找到了正确的攀登方向。但很快,他们就遇到了挡在他们面前的一座大山:元素到底是什么?

就在拉瓦锡带着对元素本质的疑惑,心有不甘地走上位于巴黎的断头台时,英国有一位28岁的自然哲学教师被选为曼彻斯特文学和哲学学会会员,他叫约翰·道尔顿(John Dalton,1766-1844)。这个学会除了对神学和政治不感兴趣外,对这个世界上的一个问题都感兴趣,尤其是自然哲学。会员们经常聚在一起,分享着各自的新发现。1794年10月底的一天,轮到学会新人道尔顿走上台分享他的新发现。

尽管道尔顿的声音不是太好听,表达也有些磕磕绊绊,但他的发言还是引发了台下的阵阵笑声。你想的没错,道尔顿是一个色盲症患者,他的学术生涯发表的第一篇论文的题目就是《与颜色视觉有关的非凡事实》,这是历史上第一次在学术场合,以符合科学研究范式的方式,揭示了色盲这种疾病的存在。道尔顿还指出,色盲有遗传特征,他们道尔顿家族很不幸地成为他发现的第一个有色盲遗传的家族。因此,有时色盲症也被称为道尔顿症。

色盲症其实很常见,它的发病率大约是4%。换句话说,在道尔顿之前,应该也有很多很多的医生或者科学家同样也是色盲症的患者,为什么只有道尔顿把自己的生理缺陷变成了一项学术研究成果了呢?无他,依然是科学思维的胜利,在道尔顿身上,科学思维体现得很极致,他对观察和实验的痴迷已经到了一种登峰造极的境界。

道尔顿对大家说:在我18岁那年,发生了件很尴尬的事情。

我给妈妈精心挑选了一双袜子作为生日礼物,妈妈打开包装盒看到袜子后,先是显得满心欢喜,但很快就露出了尴尬的笑容。她说:约翰,这双袜子的樱桃红色很鲜艳很漂亮,但妈妈这个岁数,穿这种颜色,不合适啊。我当时大吃一惊,因为这双袜子在我眼里明明是一双灰色的袜子,为什么妈妈却说它的颜色很鲜艳呢?会不会是妈妈年纪大了,眼睛花了?

可是,当我跟其他人求证时,他们都说这双袜子的颜色很鲜艳,除了我可怜的兄弟也跟我一样看不出来有什么鲜艳的。我悲伤地发现,我眼中的红色与别人眼中的红色,感觉是完全不一样的,每当我非常认真地问别人这朵花是什么颜色时,总是被误认为我在开玩笑,其实我真的是认真的,因为他们眼中的红色对我来说不过只是光线的阴影罢了。

定比定律和倍比定律让道尔顿思考了很久,我们现在已经无法考证道尔顿到底是突然想到还是慢慢想通的。总之,他想到如果打破物质无限可分的传统观念,让每一种元素都有一个最小的基本单位,很多事情就会豁然开朗。这些最小单位就好像一个个不同的球,这些球不会消失也不能被凭空创造,它们原本就存在于大自然中,不同的化合物就是这些不同球的不同组合形式。

道尔顿借用了古希腊哲学家德谟克利特曾经用过的“Atom”(即“原子”一词),来命名自己想出来的这些球。比如碳元素的最小基本单位就是碳原子,氢元素就对应氢原子,氧元素就对应氧原子等等,每一种元素都对应一种基本的原子。不同元素的原子,在质量和性质上都不相同。每一种化合物也有一个最小单位,它们由固定比例的不同原子组成。

这个想法就像黑夜中的一道闪电,一下子就将已经发现的所有现象都给解释了,无论是质量守恒定律,还是定比、倍比定律,一切都变得自然而然,天经地义。不过,道尔顿并没有将自己的想法急于发表,他需要更多的证据和更多的数据来验证自己的想法。

道尔顿的原子论是非常具体的,每一种原子都有精确的定义,而且,道尔顿也根据自己的原子论提出了预言,这就是著名的道尔顿分压定律。道尔顿认为,如果原子论的理论成立,那么当两种不同的气体混合时,就好像是绿豆中混进去了黄豆,在总体积不变的情况下,混合气体的总压强也应该是两种单独气体的压强之和。

尽管现代我们知道,道尔顿分压定律并不是严格成立,只能在理想状态下近似成立,但以道尔顿当时的实验条件来说,至少对他自己而言,验证原子论的实验是取得初步成功的。

但道尔顿依然没有急于公开发表他的原子论,他还有一项极为重要的工作没有完成。任何科学理论,不仅要定性,还要定量。既然道尔顿认为原子是一种实实在在存在的小球,那么,这些小球的质量、体积等参数就应该是能够被精确测定的。因此,道尔顿的下一个挑战是测定原子的物理性质。其中最重要的一个参数就是原子的质量。

测量相对质量就容易多了。比如,当时化学家们已经公认,水是氢和氧的化合物,而且当氢气和氧气发生反应时,总是消耗固定比例的氢气和氧气。道尔顿在1803年笔记中记录了,他的最初测量结果是1克氢气会与5.66克氧气完全化合成水,换句话说,按照这个测量结果,那么氧的原子量就是5.66。当然,对这个数值他并没有马上满意,而是继续测定。

到了1808年,道尔顿的代表作《化学哲学新体系》正式出版,这是化学史上又一部经典著作,在书中,他正式公布了20个元素的原子量,全部都是整数,他认为原子之间的质量之比都应该是整数才符合简洁之美。

尽管道尔顿没能准确给原子定量,但他的原子论已经为化学开启了一个新时代。从1803年底开始,道尔顿开始在英国皇家学会作演讲,全面阐述他的原子论。但据说道尔顿的表达能力实在不怎么样,嗓音也不好听,因此,他的新理论要被接受,并没有那么顺利。讲到这里,我不得不感叹拉瓦锡英年早逝,如果拉瓦锡还在世,他一定能用详实的数据证实道尔顿的原子论有多么美妙和强大。

不过,还是有很多化学家欣喜地发现,道尔顿的原子理论不仅能够解释众多的化学现象,更是有了可测量的数据特征,换句话说,用道尔顿的理论可以精确预言很多化学反应前后的各种数据,具备很强的可证伪性,实在是一个看上去非常美妙的理论。

今天,无论我们怎么盛赞道尔顿对化学做出的贡献都不为过。原子是化学中最基本的概念,也是建构整个现代化学大厦的基石。

著名的物理学家费曼(Richard Phillips Feynman)曾在一次物理课上抛出过这样一个问题:“如果发生一场大灾难,所有的科学知识都毁了,只能留给后代一句话,要用最少的字包含最多的信息,这句话该怎么写?”费曼说:我相信这句话应该是,世界上所有的东西都是由原子构成,原子是在不停运动的微小粒子,分开远一点会互相吸引,但靠得非常仅时,又会互相排斥。

知道了这句话,只要再需要有一点想象力和思考力,就能推知关于这个世界无比巨量的信息。

道尔顿就是那个为人类开启认知世界大门的人之一,当然,此时的化学家们就好像刚刚走进了一个巨大无比的仓库,在他们的眼中,这个仓库显得那么杂乱无章,还有大量的东西要么看不懂,不知道是什么东西,要么就是躲在黑暗中还看不清。

在接下来的几十年中,这个大仓库中突然闯入一大群好奇的化学家,他们各怀绝技,有的擅长整理,有的擅长测量,有的擅长发现,有的擅长推理……化学的黎明即将过去,天光即将大亮,一切都显得混乱不堪但又生机勃勃,无数精彩的探索故事正从四面八方朝你涌来。

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