化学原子论的缔造者——道尔顿

蒙蒙晓雾初开，

皓皓旭日方升……

——但丁：《神曲·炼狱》

测定原子量，这恐怕是自古以来人类要实现的一个最勇敢的创举。

——山冈望：《化学史传》

1822年，英国化学家约翰·道尔顿（John Dalton，1766—1844）被选为英国皇家学会的会员。不久，他就动身到当时世界的科学中心法国去访问。巴黎科学界接待道尔顿的热情程度和规格之高，简直让道尔顿本人都感到受宠若惊，也让整个英国感到意外。当他被引入法国科学院会议厅时，院长和院士们全体起立向他鞠躬致敬。如果我们知道，当年伟大的拿破仑也没有享受过这种荣誉，我们就会充分了解，法国科学界给了道尔顿多么大的荣誉。

在巴黎，无论他走到什么地方，人们都把他看成是象征英国的雄狮。法国最有名的科学家都以能和道尔顿交谈为荣。73岁的拉普拉斯与他讨论星云假说；74岁的贝托莱与他手挽手地边走边谈；比较解剖学的奠基人居维叶与道尔顿交谈时，两眼熠熠闪光，而且他的独生女儿克莱门汀小姐一直陪伴着道尔顿的巴黎之行；正在巴黎大学任教的化学家盖-吕萨克（Joseph Louis Gay-Lussac，1778—1850）请道尔顿参观了他的实验室，还一起详细讨论了化学原子论。

道尔顿这位出身英国贫民阶层的科学家，为什么会受到法国科学界如此隆重盛情的接待呢？原因很简单，因为道尔顿是现代化学原子论的缔造者；而化学原子论，则正如1954年诺贝尔化学奖得主鲍林（Linus Carl Pauling，1901—1994）所说，是“所有化学理论中最重要的理论。”

好，下面我们就来介绍道尔顿在建立原子论过程中的成功和失误、欢欣和困顿。

（一）

1766年9月6日，道尔顿出生在英格兰北部一个穷乡僻壤伊格斯菲尔德。他的父亲和普利斯特列的父亲一样，是一个穷苦的织布工人。那时的英格兰正如诗人雪莱在他的诗中所说：

人民，

在废耕的田野忍受饥馑……

道尔顿的母亲生下的6个孩子，竟有3个因生活贫困而夭折。

尽管家中一贫如洗，但他父母仍然设法让孩子们受到教育，这是摆脱贫困唯一的办法。道尔顿6岁时开始在村里教会办的小学上学。他的老师弗莱彻很快发现，小小的道尔顿有一股犟劲，不弄懂所学的内容就决不罢休，他常常对人夸奖道尔顿说：

“在所有孩子中，谁也比不上道尔顿。”

到11岁时，由于家庭实在无法支持他继续读书，他只得停学。1778年，12岁的道尔顿由于聪慧过人，而且又读了几年书，因此被聘为一所小学的教师，这对于道尔顿来说真是十分理想，因为教书既可以赚一点薪水帮助困难的家庭，又可以满足道尔顿对自学的渴望。不过，这么小的年龄当老师，常常会受到个头和年龄比他大的学生的刁难，但是想不到的是这些刁难，倒使道尔顿对科学发生了强烈兴趣。

三年以后，道尔顿的学识已大有长进，狭小的农村已满足不了道尔顿不断高涨的好奇心。后来由人推荐，他到肯德尔镇一所寄宿中学当助理教师。在肯德尔，道尔顿在工作之余，发奋读书，无论是自然科学的或者是哲学、文学的书，他都非常认真地研读。他后来回忆说，在肯德尔12年中他所读的书，比此后50年读的书还要多。除了自己自学以外，他还虚心向镇上一位盲人学者豪夫学习外语和数学。正是在豪夫的帮助下，道尔顿开始了对自然奥秘进行顽强而深入的思考。

1793年，27岁的道尔顿在豪夫的推荐下，来到了曼彻斯特，在一所新开办的学院里担任数学和物理讲师。后来他还自学了化学，并讲授化学课程。一个农村穷乡僻壤的穷孩子，终于靠自己顽强的拼搏和虚心求教，成了一位学者，走上了大学的讲台。

（二）

还是在乡村教小学时，道尔顿就在一位叫鲁滨逊的业余自然科学爱好者的帮助下，开始气象观测。从那时开始直到他去世的一天，他从没有中断每日的气象观测。1844年7月26日，他去世前的一天晚上，他还用他那连笔都几乎握不住的手，记录下他一生最后一次气象观测记录：“微雨”。

正是由于气象观测，使他去研究空气的组成，打开了通向化学原子理论的思路。他在回忆中曾经提到他的思考过程，他说：

由于长期做气象记录，思考大气组成成分的性质，使我常常感到奇怪：为什么在复合的大气中，两种或更多种弹性流体（指气体或蒸汽——作者注）的混合物，竟能在外观上构成一种均匀的气体，并在所有力学关系上都与简单的大气一样。

于是，道尔顿开始从事气体和气体混合物的研究。空气的组成很自然成为他首先关注的对象。当时科学界一般认为，空气由4种气体（氧气、氮气、二氧化碳和水蒸气）组成，但是它们是怎样结合在一起的呢？它们是一种化学上的化合物，还仅仅是像沙和泥土那样混合在一起的混合物呢？道尔顿倾向于相信空气是几种气体的混合物。那么，这种混合物是怎么混在一起的？有哪些特殊性质？

为了弄清这个问题，他设计了一个实验，想确定混合气体各个组成部分的气体压力。结果，他发现了著名的“道尔顿分压定律”。这个定律表明：“在一定的温度下，混合气体中每种组成部分的气体所产生的压力，同这种气体单独占有同一容器时所产生的压力相同。”

有了这一新发现的定律，道尔顿又发现，如果把气体看成是由一些微小粒子组成的物质，那就很容易解释分压定律。因为一种气体的粒子均匀分布在另一种气体粒子之间，这将使得这种气体粒子表现出来的行为，如同另一种气体粒子根本不存在于容器中一样。道尔顿由此得出了一个结论：

物质的微粒结构（即终极质点）的存在是不容怀疑的。这些微粒可能太小，即使用改进了的显微镜也未必能看见它。

这时，他很自然地想起了古希腊哲学家提出的原子假说，于是他选择了“原子”（atom，意即“不可再分开的物质”）这个词，来称呼他心目中的微粒。道尔顿把原子同元素（element）的概念联系起来，认为元素是由原子构成的，有多少种元素就有多少种原子，同种元素的原子其大小重量都相等。这样，道尔顿的原子论与古代原子论相比，有本质上的不同。古代原子论认为：所有的原子本质都相同，只不过大小、形状不同罢了；而道尔顿的原子论则相反，认为不同元素的原子在本质上是完全不同的；其中，道尔顿特别强调原子的重量，即不同的原子其重量彼此不同。他还大胆假定，每种元素的原子重量是恒定不变的。更令人钦佩和赞叹的是，道尔顿还果敢地着手进行各种原子量的测定。这一勇敢无畏的行动，使日本的化学山冈望先生大为赞叹，说：

“测定原子量，这恐怕是自古以来人类要实现的一个勇敢的创举。”

利用道尔顿的原子论，不仅可以方便地解释气体分压定律，而且还可以完满地解释化学反应中的物质守恒定律及组成定律。而且，更加妙不可言的是，道尔顿根据他的原子论，得出了另一个著名的定律——倍比定律。

倍比定律是说：当两种元素化合组成几种化合物时，则与同一重量A元素化合的B元素，其重量成“简单的整数比”。例如，同一重量的碳（A元素）与氧（B元素）化合，可以生成一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2），当碳含量一定的话，氧在这两种化合物中的重量比为1∶2。再例如乙烯（CH2= CH2，又称油气）和甲烷（CH4，又称沼气）都由碳氢两种元素组成，当碳的含量一定的时候，乙烯和甲烷的氢含量之比也是1 ∶2。

倍比定律的发现，可以说是道尔顿原子学说的一个伟大胜利，因为道尔顿首先从理论（或预言）出发导出这一定律，而后才由实验证实。这确实很了不起，因为当时化学界的潮流是忽视理论思维，片面强调“由实验决定一切”。这种唯经验论当时严重地束缚着化学家的思想。道尔顿能打破这种有害的传统，大胆利用和发挥理论思维的威力，可以说是一件壮举！而且，有了倍比定律，道尔顿就可以比较顺利地进行他对原子量的测定工作。当然，这儿说的原子（重）量，是指原子的“相对重量”，下面我们就不再一一指出。

1803年9月6日，道尔顿制订出了第一张原子重量表。1803年10月 21日，在曼彻斯特文学哲学学会上，道尔顿在报告中第一次详细地阐述了他的科学原子论，并宣读了他的第一张原子量表。

由于道尔顿的原子理论比以前任何理论都更深入地探讨了化学变化的本质，比较完满地说明了一些化学定律的内在联系，因此它成为说明化学现象的统一理论，并且使化学从此真正走上了定量发展的层次，因而开辟了化学发展的新时期。不仅如此，道尔顿的原子论还为整个自然科学的发展提供了一个重要的基础；此后，人们对物质结构的认识才有可能取得迅猛进展。英国皇家学会长戴维当时就说过：

原子论是当代最伟大的科学成就，道尔顿在这方面的功绩可与开普勒在天文学方面的功绩媲美……可以预料：我们的后代一定会根据他的许多发现而肯定这一点，人们将把他作为榜样去追求有用的知识和真正的荣誉。

戴维的话，至当不易，可谓真知灼见矣！

（三）

道尔顿的原子理论一经提出以后，并没有立即得到科学界的一致支持；事实上，反对他的理论的人还多一些，曾一度占了上风。例如上面提到的戴维就不同意道尔顿关于原子多样性的假定，而认为不同的元素应该有一个统一、单一的基石，这才符合自然统一性观念。戴维在逝世前不久写的一篇文章中还说：

“依我看来，道尔顿先生的确更像是一位原子哲学家，为了使原子本身按照他提出的假设进行排列，他常常使自己沉迷于徒然的推测之中，他……的理论中，本质上与任何关于物质或元素的根本性的观点无关。”

还有些化学家则说得更明白。例如法国化学家杜马（Jean Baptiste Dumas，1800—1884）说：

“如果由我做主的话，我会把原子一词从科学中删除。”

法国著名化学家贝托莱提出一个此后著名的反诘，以表达他的不信任原子论的态度，他反诘道：

“谁曾见到一个气体的原子？”

已经是后一辈的德国化学家凯库勒（Friedrich A.Kekule，1829—1896）说：

“原子是否存在的问题，从化学观点来说是没有什么意义的，它的讨论倒像是形而上学……”

这种反对道尔顿原子论的声音，直到1860年以后才逐渐消失。道尔顿原子论在19世纪引起争议的原因很多，本书只从科学家自身失误进行分析。从道尔顿个人来看，我们不能不承认他的原子论本身就有许多缺陷。一个新的理论有缺陷这并不奇怪，甚至是必然的，但十分令人遗憾的是道尔顿本人的保守态度和故步自封，满足于自己的实验而不认真听取别人的批评和建议，这不仅严重阻碍了原子论的正常进展，也使原子论自身的缺陷在运用中造成的混乱，长期得不到解决。我们从这种失误中，可以汲取很多的教训。

1803年前后，正当道尔顿锐意建构他的原子论时，巴黎的盖-吕萨克提出了一个假说，这个假说受到了道尔顿的极力反对，因为他认为盖-吕萨克的假说违背了他的原子理论。

道尔顿大约万万没有料到，由于他的反对，在化学界竟然引起了巨大的混乱，人们甚至因此而怀疑他的原子论到底有没有存在的价值。这场争论由于道尔顿固执的反对，竟延续了50年！

盖·吕萨克是法国著名的科学家，他的著名的“盖-吕萨克（气体）定理”是每个中学生都十分熟悉的。这是他1802年提出来的，定理指出：“在相同条件下，各种气体在温度升高时，都以相同的数量膨胀。”

1804年以后，盖-吕萨克开始研究各种气体在化学反应过程中，其体积变化的规律。早在1784年，英国科学家卡文迪什（Henry Cavendish，1731— 1810）在研究氢和氧化合生成水时，他就发现氧和氢的体积比是209∶423，化简后约为100∶202。这一结果有点像1∶2这么一个简单的整数比，因此引起了盖-吕萨克的注意。1805年，他和德国科学家洪堡（Friedrich Wilhelm Heinrich Alexander von Humboldt，1769—1859）又重复了卡文迪什的实验，还做了许多其他气体反应的实验。结果他惊异地发现，气体在化学反应时，其体积都呈现出一种简单的整数比关系。例如：

1808年，盖　-吕萨克综合了大量实验结果后，提出了“气体化合体积定理”，即：“所有气体在参加化学反应时，反应前后气体体积成简单的比例关系。”

这是一个十分重要的化学定理，它不仅对道尔顿的原子理论是一个强有力的证据，而且利用这个定理可以更方便和更准确地测定原子量。盖·吕萨克本人也由于这一卓有成效的成就，于1806年被推选为法国科学院院士。这种气体体积简单的整数比关系，使盖-吕萨克联想起道尔顿的原子论，尤其是倍比定律。于是他认为自己的发现是对道尔顿原子论的又一支持，而且他还根据这两个定律顺情合理地提出了一个新的假说：

在同温同压下，相同体积的不同气体含有相同数目的原子。

有了这一推论，就很容易用原子论来解释道尔顿的倍比定律和他自己 发现的气体体积定律。他自以为他的假说一定会受到道尔顿的支持，事实 上也的确受到许多化学家的赞赏，例如那位曾经坚定支持道尔顿原子论的 英国化学家托马斯·汤姆森（Thomas Thomson，1773—1852）就曾写信给道尔顿说：

“盖-吕萨克（气体体积）定律与原子假说完全吻合。”

但大大出乎盖-吕萨克意料之外的是，第一个反对他的假说的竟然的道尔顿！道尔顿在知道了盖-吕萨克的假说后，立即在他的《化学哲学新体系》上卷第二册付印时，加上了一个附录表明了自己的反对意见，他在附录中写道：

盖-吕萨克不会没有看到类似的假说我曾提出过，但又被我抛弃，因为它是不可靠的。但是既然他又将这个假说复活起来，我就不能不提几点意见。……我认为，真理将表明：气体在任何情况下都不以等体积相化合。如果它表现得似乎是这样，那一定是由于测量不精确所导致。

道尔顿不仅一口否定了盖-吕萨克的假说，而且连他的气体体积定律也表示严重的怀疑。但是，盖-吕萨克的气体体积定律是由实验事实总结出来的，已经得到化学家的普遍承认；现在道尔顿却由屋及乌，连实验事实都想推翻，这当然是盖-吕萨克不能接受的。于是从1810年起，两人就此展开了一场争论。这场争论对道尔顿的原子论的进展十分不利，不仅阻碍了原子论的进一步深化，而且加深了化学家对原子论的不信任感。原来有几位深信原子论的科学家（包括 盖-吕萨克本人），放弃了对原子论的支持。究其原因，主要是由于道尔顿用原子论来反对实验已经承认了的气体体积定律。连最先支持道尔顿的托马斯·汤姆森都对原子论表示怀疑了。

（四）

为什么道尔顿要反对盖-吕萨克的假说，甚至怀疑他的气体体积定律呢？道尔顿并不是没有丝毫根据的。我们下面就简短地分析一下道尔顿反对的理由。

如果盖-吕萨克的假说是对的，即“同温同压下，相同体积的不同气体含有相同数目的原子”，那么，在

氧（1体积）+氢（2体积）=水（2体积水蒸气）

这一反应中，我们可以假定1体积只有1个原子，那么按盖·吕萨克假说，则2体积有2个原子。于是，1个氧原子和2个氢原子可生成2个水汽这种“复杂原子”。这样，1个水的“复杂原子”就必然由1个氢原子和半个氧原子所构成。半个氧原子？1个原子能够分裂成两个半个？这显然与道尔顿的原子不能分割的定论相违背！

事实上，造成上述“违背”原子论的化学反应，显然不只氢氧生水这一个反应，只要1个体积的气体元素能够生成2个（或更多）体积气体产物时，这种矛盾就肯定会一再出现。再如在下述反应中

氮（1体积）+氢（3体积）=氨（2体积）

1个复杂原子氨中将有半个氮原子和1个半氢原子。

道尔顿在建立原子论的过程中，也曾提出过与盖-吕萨克假说相同的假说，但在发现上述矛盾后，他立即放弃了这个假说。我们可以想象，当时在道尔顿面前本有两条选择：一是否定气体体定律，因为气体体积定律如果千真万确是对的，那原子论就要出大问题；二是承认气体体积定律绝对可靠，并认可这一假说，这样原子论就得进行大幅度修正。

道尔顿当时就是正好处于这种两难的境地之中。按道理说，气体体积定律是可以用实验严格检验、证实的，而原子论只是一个理论上的假说，即使它在大方向不容置疑，但在细节上或根本构思上应该是可以修正的。但道尔顿这时犯了一个重大错误，他毫不犹豫地作出了第一种选择，不考虑对原子论作某种修正，而对实验已经证实的定律采取怀疑和否定的态度。正由于这一失误，原子论就处于更不利地位，加重了人们对它的怀疑，并阻碍了分子—原子论的进步达半世纪之久！

这一失误，本可以避免，但是很遗憾的是没有。

1811年，即道尔顿和盖-吕萨克开始争论后的一年，意大利化学家阿伏伽德罗（Ameldeo Avogadro，1776—1856）注意到他们两人的争论，经过一番思考，于当年提出了分子—原子假说。按照阿伏伽德罗的假说，只需把盖·吕萨克假说中改一个字就行了：把“原子”改成“分子”，就顺顺当当地解决了所有的矛盾。阿伏伽德罗明白了这一奥妙，因此他的假说是：

在同温同压下，相同体积的不同气体含有相同数目的分子。^[2]

这样就可以避免原子被分割成一半的矛盾；而“分子”是原子的复合体，当然可以分解成原子。例如：

1个体积的氧气有1个分子的氧，2个体积的氢气有2个分子的氢，反应后生成2个体积的水汽，即2个分子的水。这样，1个分子的水就含有1个分子的氢，半个分子的氧。半个分子的氧就不必担心了，我们可以把1个分子的氧看成是2个原子构成的复合原子就行了。这样，1个水分子中含有的是1个氧原子。

有了阿伏伽德罗假说，道尔顿的原子论几乎可以不变，而盖-吕萨克气体体积定律也用不着怀疑和否定，一切矛盾都迎刃而解！多美妙啊！还有更妙的是有了这一假说，道尔顿测定的原子量就会更加准确。例如氧的原子量，由实验知道，1克氢和8克氧化合而水。道尔顿根据他的原子论认为这些重量就分别是它们“1个原子”的重量。如果氢的原子量定为1，那么氧的原子量就是8（实际上道尔顿测的是7，这是因为实验误差所致，我们这儿略去）。现在按照阿伏伽德罗的假说知道，1克和8克分别相当于2个氢原子和1个氧原子构成的重量；所以，如果仍以氢的原子量为1，则氧的原子量将为16。

大家可以看到，有了阿伏伽德罗的假说，道尔顿原子论里原有的谬误，就会一个接一个冰消瓦解。而且阿伏伽德罗假说与道尔顿原子理论前后相继问世，真可以说是：

在英国为道尔顿建立的雕像。

春风忽怒起，

意乃媚行者。

飞花扑人来，

揽之欲盈把。

然而不幸的是，阿伏伽德罗的假说由于种种原因，竟没有被当时的科学界接受。这就使物质结构的理论，也可以认为是化学的基础理论，停滞于不完整的时期达半个世纪！真个是

当年不肯嫁春风，

无端却被秋风误。

造成这种不幸的局面的原因很多，但道尔顿抱残守缺，对自己的假说过于偏爱，也应该是原因之一。道尔顿总想用实验确证自己偏爱的假说，而不能持开放的态度改进自己的假说；为了维护自己的假说，连不利于他的实验也宁肯否认，而不愿审视假说中不足之处。难怪瑞典化学家贝采里乌斯（Jöns Jacob Berzelius，1779—1848）说：

道尔顿犯下了任何有能力的化学家本可以避免的荒唐错误。