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世界100位科学家之28:道尔顿创立原子学说

时间:2024-05-26 理论教育 版权反馈
【摘要】:创立原子学说[英国]道尔顿下课的铃声响了,鹰田庄小学校园顿时沸腾了起来。1793年,27岁的道尔顿由格夫介绍离开肯代尔,到曼彻斯特学院担任数学和物理学教师。对于勤奋好学的道尔顿来说,来到这里真是如鱼得水。1803年9月,道尔顿开始研究有关原子分子学说的关键问题,从此以后,便把主要精力集中于这一学说的完成。创立科学的新原子论醉心于新思想的道尔顿顽强地进行着研究工作。

世界100位科学家之28:道尔顿创立原子学说

创立原子学说[英国]道尔顿(17661844)

下课的铃声响了,鹰田庄学校园顿时沸腾了起来。他们的老师一位15岁左右的瘦削少年,拿起教学用具,不慌不忙地走出教室,看着生龙活虎的学生,他的眼睛里也闪着愉快的光芒。仅仅两年前,他也和这些学生们一样,在操场上嬉戏、在教室里听老师讲课。而现在,年少的他却在家乡的小学教起这些孩子们来了。他就是约翰道尔顿。这位使化学成为一门真正的科学、近代原子学说的奠基人,正是从这里起步,走完70余年艰辛而又富有意义的道路的。

自学成材

约翰道尔顿(JohnDalton)是英国化学家、物理学家。176696日,道尔顿降生在贫困落后的英格兰中北部伊格尔斯菲尔德的一个乡村里。父亲约瑟夫道尔顿是个织布工人,还耕种着一小块土地,一家人的日子过得紧巴巴的。虽然父母起早摸黑,还是无法养活6个孩子,致使其中3个相继夭折。由于家庭情况的窘迫,懂事的道尔顿只好退学。那一年,他还不满11岁。

道尔顿12岁那年,在自己家里为村里的儿童办了一所小学堂,自己当老师,开始了他漫长的教学和自学生涯。然而,这所有趣的学校在两年后便停办了。1781年,约翰的老师弗莱彻先生确信,约翰的思想比较成熟,能够帮助他教好教友会的孩子。这样,约翰道尔顿就成为肯代尔镇的数学老师。在这里,他广泛涉猎了物理学、天文学、法语、测量法等课程,还对数学和物理学进行了深入钻研。工作之余,道尔顿听从亲戚鲁宾逊和盲人学者约翰格夫的劝告,进行气象观测和研究,并于1793年出版了《有关气象学的观测和实验》一书,受到了广泛关注。

1793年,27岁的道尔顿由格夫介绍离开肯代尔,到曼彻斯特学院担任数学和物理学教师。曼彻斯特有着藏书丰富的图书馆、各种学会和出版社,还有许多著名的科学家在这里工作,有着开展科学活动的得天独厚的条件。对于勤奋好学的道尔顿来说,来到这里真是如鱼得水。在曼彻斯特学院,他越来越感觉到粉笔和破抹布消耗了他太多的宝贵时间。1799年,他终于离开了学院,成为曼彻斯特最受尊重和欢迎的私人教师。除了每天不超过两个小时的授课之外,道尔顿全身心投入对他来说最崇高的事业科学。

迁居曼彻斯特的第二年,道尔顿被举荐为曼彻斯特文学哲学协会的会员。他对这一协会的事务非常热心,定期参加学会会员报告自己研究成果的各种会议。早在这一年秋天,他就做了关于色盲的报告。这个研究是由于他弟弟和他本人同是色盲而引发的。这种视力上的缺陷比较常见,道尔顿的研究结果更是引起了社会上对色盲问题的重视,所以在英国就有了把色盲称为道尔顿症的说法。道尔顿一面克服自己视觉上的缺陷,一面恪守自己的座右铭午夜方眠,黎明即起,矢志从事科学研究。自1800年起的几年间,道尔顿相继发表了几篇有关气体物理性质的实验研究报告,确立了气体的热膨胀定律以及混合气体的分压定律。

18039月,道尔顿开始研究有关原子分子学说的关键问题,从此以后,便把主要精力集中于这一学说的完成。1808年,叙述化学体系的主要著作《化学哲学的新体系》第一卷第一部问世。在接下来的日子里,他又相继出版了第一卷第二部(1810)、第二卷第一部(1827)。这一著作使他声名大震,各种各样的荣誉如潮水般向他涌来。

不善交际的道尔顿一直保持独身,他对别人的解释是:因为忙,无暇考虑婚姻问题。但是,他对科学却是情有独钟。即使是中年以后,他还是在每个夏天背着沉重的气象仪器去野外作业。他70岁那年患了中风,身体日渐衰老。1844727日,道尔顿与世长辞。陷入了沉思

在道尔顿的家乡,有一位农村少见的自然科学爱好者,经常独自进行气象观测等科学研究,他就是鲁宾逊,是道尔顿的亲戚。他很爱惜道尔顿的才华,教给辍学在家的道尔顿许多数学、物理知识,并劝他一起进行气象观测。

15岁时,道尔顿来到肯代尔镇担任助理教师。有一天,突发奇想的他,对大红公鸡能准确地预报何时会下雨或何时有风暴而惊诧不已:为什么禽类能预报天气,而我却不能呢?这个问题一直萦绕在他心头。当得知镇上有一位名叫约翰格夫的盲人学者也在进行类似观测时,他紧蹙的眉头舒展开来。在格夫的帮助和鼓励下,21岁的他开始了长达57年、不下于20万次的气象观测。

肯代尔镇虽是个小地方,但在学校拨给道尔顿住的房间里,书架上却摆着很多书。书,是他真正的财富。他一边进行定期的气象观测,一边不断地读书、读书,并写下了一系列关于气象的论文,如《关于极光》、《关于气压计》、《关于降雨》、《关于蒸发》等等。1793年,他发表了专著《关于气象学的观测和实验》,以此作为对前一阶段工作的总结。在这部著作里,他介绍了气压计、温度计、湿度计和其他仪器装置,介绍了他多年观测的结果,还别具匠心地分析了云的形成过程、蒸发过程和大气降水量的分布规律,分析了早晨的北风等等。

受曼彻斯特学院院长的邀请,1793年道尔顿来到了曼彻斯特,开始了更有成效的研究。这时,由于长期关注气象学,一些关于气体的思考开始在他脑子里成形,比如,气体的膨胀问题,混合气体以及大气的组成问题,气体的扩散与气体对水的溶解度问题等等。为此,他进行了一系列实验。(www.xing528.com)

道尔顿通过对氢、氧、二氧化碳和氧化氮四种气体的实验,发现任何气体每上升同一温度时,发生的热膨胀度都是相同的。这就是气体膨胀定律。当时,他与盖吕萨克在同一时期各自独立地得到了同一结果。在另外一个实验里,道尔顿发现了混合气体的分压定律。这个被后人称为道尔顿分压定律的气体定律,其压力是不改变的。但在引进第二种气体之后,这种混合气体的压力便比原来增加了,它等于这两种气体分压之和。每种气体单独的压力并没有发生变化。1803年,这一定律研究结果的论文发表。

混合气体分压定律指出,气体混合物的形成是由于相同微粒之间的排斥而产生气体扩散的缘故。但是,对于微粒(或原子),实质上人们了解多少呢?原子在自然界中是否存在,或者仅是一种哲学的范畴?道尔顿陷入了沉思。

创立科学的新原子论

醉心于新思想的道尔顿顽强地进行着研究工作。实验室、图书馆和工作室,到处留下了他忙碌的身影。原子的特点是什么?这是燃一时期困扰他的最苦恼的问题。他觉得,化学所缺少的正是物质瀚构的真正理论。

的确,最早提出所有的物质都是由极其微小的、不可毁坏的被称驹原子的粒子所组成的并非道尔顿。在2000多年前,古希腊哲学际德谟克利特和伊壁鸠鲁就采用了这一假说,他们主张所有的物质瞧由不可再分割的粒子组成的。17世纪的牛顿,还有18世纪的拉瓦锡,都支持过类似的学说。不过,早期的原子学说都没有定量表达,也没有用于科学研究,更重要的是谁也没有想到哲学的假想和科学事实之间存在的联系。

道尔顿的与众不同之处正是表现在这里。经过多年的紧张劳动,18031021日,他在曼彻斯特文学学会的讲台上报告了他的化学原子论。在报告的结论部分,他指出:同一种元素的原子彼此之间是相同的,但它们不同于别种元素的原子。原子具有重量,原子不可再分,也不可称量。为了证明他的观点,道尔顿还宣读了他的第一张原子相对重量表,认为最轻的元素是氢,并把氢的原子量相对规定为。尽管他的原子量表与现行的相比误差很大,并把原子当量当成了原子量。但是,这毕竟是世界上第一张原子量表,它改变了过去关于原子的模糊概念,第一次使原子通过原子量与具体的化学实验结合起来。化学从此走上了定量研究的阶段。

荣誉市民

道尔顿的新理论引起了科学界的广泛注意。180312月~18041月,道尔顿应邀赴伦敦皇家学院做了关于原子的相对重量的讲演。回到曼彻斯特后,他继续进行原子量的测定工作。在一个有关黑色氧化铜和红色氧化铜的实验中,经过分析,他惊喜地发现:黑色氧化物中一个氧原子与一个铜原子化合,而在红色氧化物中,则是一个氧原子与两个铜原子化合。这不是偶然的,自然界存在这么一个定律倍比定律。这一定律的发现,使道尔顿坚信自己的原子论是真理,而不是假设。

早在1799年,法国化学家普罗斯通过实验证明了定比定律的存在。结合原子学说,道尔顿把定比定律阐释为:一种已知的化合物,不管它是由什么方法配制或在哪里发现的,它总含有相同的元素,而且元素之间的重量比完全一样。这条定律与倍比定律一起,极其有力地支持了道尔顿的原子分子学说。1808年,道尔顿在他发表的《化学哲学的新体系》一书中公布了以原子学说为基础的化学体系,化学领域从此发生了巨大的变化。

道尔顿的学说非常有说服力,很快被大多数科学家所接受。许多化学家按照书中所提出的方案行事,获得了巨大的成功。1822年,由于对科学原子论的贡献,以及在化学和物理学方面的发现,道尔顿被选举为英国皇家学会的会员,并被选为许多组织的名誉会员、名誉院士。1832年,道尔顿获得了牛津大学的最高奖赏。1833年,在剑桥大学的一次隆重集会上,英国政府代表转达了政府对他的敬意,并宣布发给他每年150英镑养老金

不管面对什么荣誉,也不管多少来自其他城市甚至国家研究机构的邀请,曼彻斯特一直是道尔顿离不开的地方。他说:我热爱曼彻斯特这个城市,也爱曼彻斯特文学哲学学会。对科学来说,一个科学家住在哪里是无关紧要的,主要看他对科学作出的贡献。每次外出演讲,接受荣誉,他都会很快回到曼彻斯特文学哲学学会的活动场所,继续努力工作。为了表达对他的崇高敬意和感激之情,1833年,曼彻斯特市政委员会推选道尔顿为荣誉市民,并决定在市政大厅竖立他的半身塑像。1844年,道尔顿的逝世更是震撼了曼彻斯特城。当时市政厅做出决定,授予这位大科学家公葬市民的荣誉。举行公葬的那天,市内各街道下半旗志哀。整个曼城,整个英国,都在深切悼念这位庶民科学家。

约翰道尔顿在气象学、物理学、尤其是化学领域作出了杰出贡眺。他不仅将原子假说引入科学的主体,而且完成了对原子学说的麟括。恩格斯在遗稿《自然辩证法》中指出:化学中的新时代是随着陬子论开始的。所以,约翰道尔顿完全有资格被称为近代化学之子。

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