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1、近代原子学说的奠基人：约 翰 道 尔 顿 臆测性的哲学原子说虽早在两千多年前就产生了，可是真正使原子学说成为科学理论的，却是在19世纪初，英国科学家道尔顿通过实验，经过严格的逻辑推导建立起来的。1766年9月6日，约翰道尔顿出生在英国西北部的一个农村。父亲由于收入微薄，又有子女6人，家庭经济状况很是拮据。道尔顿在农村小学里读了几年书，从12岁开始，他就办私塾教书、种田，以帮助家庭。1781年，道尔顿15岁，他应表兄之邀到附近一个城市的寄宿学校担任助理教员。从此，他离开了故乡，走上了边教课、边自学、边研究、边写作的道路。他在这条道路上走了六十多年，直到1844年去世为止。在担任助理教员期间，道尔
2、顿努力自修拉丁文、希腊文、法文、数学和相当于后来的理化及生物学的“自然哲学”。幸运的是他在学校附近结交的一位双目失明的学者豪夫，传授给他很多拉丁文、希腊文知识和科学知识。道尔顿在这位盲学者的辅导与鼓励之下，开始对自然界进行观察，搜集动物、植物标本，特别是每天详细地记录气候变化。为了获得气象方面的数据，只要有可能，他就到山区、林区和湖沼地带去旅行。他连续亲自记录气象数据达56年之久，全部观测记录超过20万款目。气象学在18世纪后期还是一门很薄弱的科学，很少有人进行这方面的研究工作。1793年，道尔顿出版了他的第一部科学著作，书名气象观测论文集，初步总结了他的观测结果，对气象学的发展，起了一定的启
3、蒙作用。从此，这位青年教师引起了科学界的注意与重视，这时他才27岁。就在这一年，由于这部论文集的出版，加上那位盲学者的推荐，道尔顿被曼彻斯特一所专科学校聘去担任讲师，讲授数学和自然科学。从18世纪起，曼彻斯特就是英国的纺织业中心，交通便利，文化发达。对道尔顿来说，在这里容易接触到科学新知识，加速了他在科学上的成长。他经常利用公共图书馆，借出各种图书，阅读到深夜。他在一封写给故乡亲友的信中，叙述自学的概况时说：“我的座右铭是：午夜方眠，黎明即起。”道尔顿在专科学校里的教学负担很重，而且没有实验室可供他进行科学实验。像这样的教会学校，只是为了借重一位新讲师的名声，本来无意于培养道尔顿这样好学的青年
4、。6年之后，道尔顿毅然辞退了讲师职务。他借用当地一个学会的讲堂，招收些学生，私人授课，宁可收入少一些，却可以有更多的时间研究和读书。同时，他向一位牧师分租了几间住房，在那里居住、从事研究工作达25年。他的生活简单、朴素而很少变化，每天绝大部分时间在自己布置的实验室里做试验，只有星期四下午到郊外的草地上打几个钟点的曲棍球，作为一星期的一次娱乐。这二十几年，正是道尔顿的科学工作最旺盛的时期。原子论的实验证明以及他的名著化学哲理新体系，都是在这一期间完成的。牛顿在17世纪后期比较明确地指出：一切物质都是由微小的颗粒组成的。可是却没有科学的实验来证明，既不能被科学界普遍接受，也无法推行运用。道尔顿从观
5、测气象开始，进而研究空气的组成，由此总结出气体分压定律，推论出空气是由不同的颗粒混合组成的。再由此出发，道尔顿通过化学分析，研究了许多地区的空气组成，得出这样的结论：各地的空气都是由氧、氮、二氧化碳和水蒸气四种主要物质的无数个微小颗粒混合起来的。于是，他利用希腊哲学上的名词，称这些小颗粒为“原子”。当时，道尔顿还不理解原子和分子的区别，无论元素的小颗粒或是化合物的小颗粒，他都一律称之为原子。他当然也不会预见到，19世纪末期才发现的元素原子的可分性。不过在他的著作里，却并没有强调原子是不可再分的物质颗粒。如果道尔顿的原子说推论只到此为止，还只是定性的阶段，没有达到科学上严格要求的定量阶段。但他的
6、研究工作和逻辑推论，却在继续不断向前发展。他进一步分析沼气（甲烷CH4）和成油气（乙烯CH2=CH2）两种不同气体的组成，发现它们均含碳氢两种元素。如果这两种元素气体中的碳素含量都定为一份的话，沼气的氢素含量恰好是成油气的氢素含量的二倍。类似的情况出现于其它成对的有关化合物之中，这使道尔顿发现了倍比定律。如果甲乙两种元素能互相化合而生成几种不同的化合物，则在这些化合物中，与一定质量的甲元素相化合的乙元素的质量，互成简单的整数比，这就是倍比定律。倍比定律的发现成为确立原子论的重要基石。道尔顿进一步推论，不同元素的原子应当有不同的大小和不同的质量。在19世纪初，还没有一种实验方法能测定原子的大小和
7、绝对质量。可是道尔顿根据德国化学家里希特发现的当量定律，认为原子的相对质量是可以测定的。他进行了大量的实验，分析了多种化合物的组成。他以氢的原子质量为1，测出了20种不同元素的相对原子质量。1803年，世界上的第一张原子量表出现在道尔顿向曼城学会宣读的论文里。尽管道尔顿所测得的原子量与现在通用的原子量相比，数值上的误差很大，并且他还不了解原子价的意义，可是毕竟从此以后，化学科学真正走上了定量的阶段。道尔顿一生的著作约五十多种，其中最重要的是化学哲学新体系，此书共三册。第一册里包括原子学说的主要论点和实验证明，出版于1808年；第二册分述了当时已知元素的化学性质，出版于1810年；第三册补充了一
8、些实验结果，出版于1827年。中国科学院藏有此书初版的第一、第二两册，在第二册扉页上有道尔顿亲笔书赠爱丁堡医学会的原字迹，弥足珍贵。道尔顿终生过着单身生活，没有结婚。据他自己说，是没时间交女友，谈爱情。他不仅幼年时代过的是贫穷的日子，即使在享有盛名之后，经济情况仍然不富裕。当他的成就在英国国内以及欧洲大陆上，越来越引起科学界的重视和推崇时，许多和他同时代的著名学者，如英国的戴维、法拉弟、布朗，法国的拉普拉斯、毕俄，德国的歌德等，都和他通信或直接来往。但这些学者却大都因道尔顿住处的简朴而感到意外。一直到1833年，由于科学界的呼吁，英国政府才不得不每年给道尔顿养老金。道尔顿所处的时代和环境，使他
9、在科学研究中要克服很多物质条件上的困难。他一生从事气象观测的仪器，如气压计、温度计等等，都是他自己用玻璃吹制的。他用蜡烛的火焰，仔细地将玻璃管烧热，然后做成各种仪器。后来从事化学分析，大部分用具也是自制的。除了克服其他的困难之外，道尔顿还要战胜自己生理上的缺陷。他是一个色盲患者，太阳光谱的七色在他看来，只有黄、青两色。这对从事化学是很不利的。在进行实验时，难于辩别反应的颜色变化。但是道尔顿不但没有为这种生理缺陷而气馁，总是顽强地完成重要的化学实验，而且把色盲症作为自己的一个研究课题。他调查了自己的父系和母系家属成员的视觉情况，发现在他的祖先里有色盲患者，从而初步找到了色盲的遗传规律。近代生理学
10、工作者认为，色盲症的严格科学研究，应当看成是从道尔顿开始的。道尔顿性情比较孤独、沉默寡言。这多少与受宗教偏见的歧视有关。他随父母成为教友派的教徒。这是基督教的一个小教派，在社会上受到大教派的某些歧视。这影响了他与外界的交往。道尔顿是一个真正信仰基督的信徒。他相信上帝的存在，星期日总是去做礼拜，读圣经。但为了和更多的科学家接触，他也曾打破一些戒律，和宗教偏见作了一定程度的斗争。晚年的道尔顿继续教课并做化学研究。1837年，他得了轻度中风症，行动不大便利，可还是尽力进行实验，将所得成果写成论文，寄给英国科学促进会，请人代为宣读。在他76岁那年，抱病参加了英国科学促进会的年会，他向到会的会员说：“我
11、还能做化学实验，不过每一次实验所费的时间，要是过去34倍；我的计算能力虽衰退，算起数字来很缓慢，却还能计算。”1844年7月27日早晨，道尔顿还在笔记本上写上那天气压计与温度计显示的数据，在用英文写的“微雨”两字的笔末，滴下了一大滴墨水，说明他的手腕已握不牢笔了。次日清晨，道尔顿在他的安静的卧室里，像一个睡熟了的婴儿似的，没有一点痛苦的表情，心脏停止了跳动。这位在资本主义上升时期为科学奋斗的学者，走完了78年既艰辛又富有意义的道路。在1853年1月26日，曼彻斯特市举行了一次市政集会，在会上共同捐了一大笔钱，赠送给曼彻斯特大学。让这个大学用这笔钱的利息，以道尔顿奖学金的名义，鼓励学化学成绩优秀的青年。一百四十多年以来，尽管原子理论已有了很大的发展，然而道尔顿建立的原子论基础永远不会被人淡忘的。