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原子论

原子论 [1] 是指关于原子概念的学说。德谟克利特探讨了物质结构的问题,提出了原子论的思想。他认为万物的本原是原子和虚空。原子是一种最后的不可分割的物质微粒,它的基本属性是"充实性",每个原子都是毫无空隙的。虚空的性质是空旷,原子得以在其间活动,它给原子提供了运动的条件。道尔顿 [2] 使物质由原子组成这一概念成为现实的、有用假说的,他给元素指定符号并将符号结合起来成为化合物,并且制作了14种元素的原子量表。词条详细介绍了德谟克利特的原子论与道尔顿的近代原子论。

原子的数目是无穷的,它们之间没有性质的区别,只有形状、体积和序列的不同。运动是原子固有的属性 [3] 。原子永远运动于无限的虚空之中,它们互相结合起来,就产生了各种不同的复合物。原子分离,物体便归于消灭。他甚至认为人的灵魂也是由原子构成的,但那是最精细的原子;当构成灵魂的原子分散时,生命灭亡了,灵魂也就消失了。将他的认识论建立在这样一个假定之上,即构成事物的原子群不断地流射出事物的影像,这些影像作用于人的感官和心灵,便产生了人的感觉和思想。

西方文艺复兴后 [4] ,自然科学的研究日益受到人们的广泛重视,以牛顿力学体系的建立为标志,自然科学进入了一个辉煌的发展时期。由于法国学者伽森第等人的努力,德谟克利特等人的原子论在17世纪得以复活。然而,此时原子论者感兴趣的问题已经不是设想如何组成世界,而是如何在原子论的基础上建立起物理学和化学的基本理论。受到当时力学思维盛行的影响,笛卡尔否认原子的不可分割性,他认为最初的宇宙由大小相同的粒子组成,这些粒子沿封闭曲线形成旋涡,结果造成今天的宇宙基本上由三种不同的粒子组成,这些粒子的性质可由质量、速度和运动的量等进行定量的描述。博斯科维奇则试图以没有大小、只有力学作用的原子模型来说明所有已知的物理现象,这为后来的气体分子运动论打下了基础。

然而大多数科学家对原子论的主要兴趣是在化学方面,他们认为原子本身不可发生改变,原子在被纳入更大的单元时,只是采取简单的并列方式。塞诺特已经清楚地区分了基本原子和经过组合而成的原子。玻意耳遵循同样的思路,认识到组合而成的原子是以化学意义上的基本粒子的方式起作用。他在1661年出版了化学史上非常著名的《怀疑派的化学家》一书,用气体是像小弹簧似的粒子的聚集体的概念来解释气体的各种物理现象。

德谟克利特

约公元前460~公元前370年),古希腊的属地阿布德拉人 [5] ,古希腊伟大的唯物主义哲学家,原子唯物论学说的创始人之一(率先提出原子论(万物由原子构成))古希腊伟大哲学家留基伯约公元前500 - 约公元前440年)是他的导师。

德谟克利特一生勤奋钻研学问,知识渊,他在哲学、逻辑学、物理、数学、天文、动植物、医学、心理学、伦理学、教育学、修辞学、军事、艺术等方面都有所建树。

在第欧根尼拉尔修的记载中,他通晓哲学的每一个分支,同时,他还是一个出色的音乐家、画家、雕塑家和诗人。他是古希腊杰出的全才,在古希腊思想史上占有很重要的地位

德谟克立特的原子论

他认为,万物的本原是原子和虚空。原子是不可再分的物质微粒,虚空是原子运动的场所。人们的认识是从事物中流射出来的原子形成的“影像”作用于人们的感官与心灵而产生的。在伦理观上,他强调幸福论,主张道德的标准就是快乐和幸福。著有《小宇宙秩序》、《论自然》、《论人生》等,但仅有残篇传世 [6]

万物的本原是原子与虚空。原子是一种最后的不可分的物质微粒。宇宙的一切事务都是由在虚空中运动着的原子构成。所为事物的产生就是原子的结合。原子处在永恒的运动之中,即运动为原子本身所固有。虚空是绝对的空无,是源于运动的场所。原子叫做存在,虚空叫做非存在,但非存在不等于不存在,只是相对于由充实的原子而言,虚空是没有充实性的。世界是由原子在虚空的漩涡运动中产生的。宇宙中有无数个世界在不断的生成与灭亡。人所存在的世界,无非是其中正在变化的一个。所以他声称:人是一个小宇宙。

德谟克利特在自然科学上最重要的贡献,是他继承和发展了留基伯的原子论,为现代原子科学的发展奠定了基石。原子是非常小的,不但肉眼看不出来,就是用显微镜也看不出来。那么在两千年前,原子论是怎么提出来的呢?其实上古时代的原子论不是科学理论,它只是一种哲学的推测。

留基伯是古希腊爱奥尼亚学派中的著名学者,他首先提出物质构成的原子学说,认为原子是最小的、不可分割的物质粒子。原子之间存在着虚空,无数原子从古以来就存在于虚空之中,既不能创生,也不能毁灭,它们在无限的虚空中运动着构成万物。

德谟克利特是留基伯的学生,他继承并发展了留基伯的原子学说,指出宇宙空间中除了原子和虚空之外,什么都没有。原子一直存在于宇宙之中,它们不能被从无中创生,也不能被消灭,任何变化都是它们引起的结合和分离。

原子在数量上是无限的,在形式上是多样的。在原子的下落运动中,较快和较大的撞击着较小的,产生侧向运动和旋转运动,从而形成万物并发生着变化。一切物体的不同,都是由于构成它们的原子在数量、形状和排列上的不同造成的。原子在本质上是相同的,它们没有“内部形态”,它们之间的作用通过碰撞挤压而传递。

德谟克利特的原子论里没有神存在的空间,他认为原始人在残酷而奇妙的自然现象面前感到恐惧,再加上知识的匮乏,只有臆造出神来解释一切的未知。其实,除了永恒的原子和虚空外,从来就没有不死的神灵。他甚至认为,人的灵魂也是由最活跃、最精微的原子构成的,因此它也是一种物体。原子分离,物体消灭,灵魂当然也随之消灭。

影响

德谟克利特他肯定了人们的感觉和思想是客观世界的反映,这是唯物论的反映论。但是,他把感性认识和理性认识看成是两种不同的影像作用于不同的认识器官的结果,因此认识似乎是一次完成的;这就把感性认识与理性认识割裂开来,否定了前者到后者的飞跃。

评论

在德谟克立特之前 [5] ,哲学和美学大都建立在研究大自然上(前苏格拉底时代)。而他,却转向社会、转向人。跨出了一大步。他的原子理论虽然存在着错误和不完善,但对后世物质理论的形成仍具有先导作用。即使在今天德谟克利特的学说仍在起作用,可以说没有他就没有现代自然科学。他被后人誉为第一位“百科全书式的人物”

道尔顿(1766-1844)

道尔顿生于坎伯兰郡伊格斯非尔德一个贫困的贵格会织工家庭。1776年曾接受数学的启蒙。幼年家贫,只能参加贵格会的学校,富裕的教师鲁宾孙很喜欢道尔顿,允许他阅读自己的书和期刊。1778年鲁宾孙退休,12岁的道尔顿接替他在学校里任教,工资微薄,后来他重新务农。1781年在肯德尔一所学校中任教时,结识了盲人哲学家J.高夫,并在他的帮助下自学了拉丁文、希腊文、法文、数学和自然哲学。1785年远亲退休,道尔顿和他哥哥成为学校负责人之一。1787年3月24日道尔顿记下了第一篇气象观测记录,这成为他以后科学发现的实验基础(道尔顿几十年如一日地测量温度,而且保持在每天早上六点准时打开窗户,使对面的一个家庭主妇依赖道尔顿每天开窗来起床为家人做早饭)。道尔顿不满足于如此的境遇,他希望前往爱丁堡大学学习医学,以便成为医生。尽管他的朋友反对,他开始进行公开授课以改善经济情况和提高学术声望。詹姆斯焦耳就在学生当中。1793~1799年在曼彻斯特新学院任数学和自然哲学教授。1794年任曼彻斯特文学和哲学学会会员。

道尔顿的原子论

由道尔顿引进的原子学说是科学发展上最重要的里程碑之一。道尔顿使物质由原子组成这一概念成为现实的、有用假说的。他给元素指定符号并将符号结合起来成为化合物。另外,他制作了14种元素的原子量表。虽然他指定的符号后来为贝采里乌斯所修正,但是却比炼丹家的形象文字前进了一大步 [7]

道尔顿在《化学哲学新体系》这一著作中发表了他的学说。他建立了一定元素的原子完全相同而且它们都具有相同质量的理论。他选定氢,最轻的元素,作为原子质量的标准。他指定氢原子的质量为单位质量并且以氢原子的质量作为其他原子质量的基准。

值得注意的是,道尔顿虽然遭受了红绿色盲症折磨,但他仍然做出了这样多的科学观察和贡献。

按照道尔顿的假说,元素是由原子组成的,同一种元素的所有原子都相同。并且说化合物是由一定数目的某一元素的原子与一定数目的另一元素的原子化合而成(或一般说来是由两种或两种以上元素的原子各按一定数目化合而成)。这样就对物质不灭定律和定比定律作出了简明解释。

道尔顿还提出另一定律 倍比定律。该定律表明:当两种元素化合物形成一种以上化合物时,则与同一重量甲元素化合的乙元素,在各种化合物中的重量比,形成简单整数。这就清楚地表明了化合物中有分立的不连续的值。它是原子学说的有力证明。定比定律的发现,是道尔顿原子学说的第一个伟大胜利。这一定律不是由实验结果得出而是由道尔顿先从理论导出,再经实验证明的。在研究碳化氢(甲烷)和烯烃(乙烯)的粒子重量时,他观察到与一定重量的碳相化合的氢在甲烷中的两倍等于乙烯中的氢重。随着时间的继续,道尔顿在其他化合物中也发现了类似的关系。1808年汤姆逊对草酸钾和草酸的观察,武拉斯顿对硫酸钾和硫酸的观察,都注意到可得到两种盐,一种盐中所含酸根的量是另一种盐中的二倍。但是他们没有能力用原子说清楚地表明这一种关系 [8]

道尔顿曾设计一整套符号来表示他的理论。大概由于这套符号都有鲜明的图像的缘故,令道尔顿原子学说得到推广。道尔顿认为原子全是球状,所以他设计的原子符号都是一些圆圈,图上还有各种线、点和字母,用来表示不同的原子。这些符号满意地起到了一个原子的模型作用,现在通常称之为道尔顿台球式原子模型。图91出示了道尔顿为表示某些元素的原子和化合物的分子式所采用的一些符号。这些符号由于不便印刷和书写被贝采里乌用字母所表示的符号所代替了。然而道尔顿的用一个符号表示一个原子的概念仍然被保存了下来。

道尔顿于1803年左右所用的原子符号和分子式

(其中有些化学式是错误的)

道尔顿的原子说,正如罗塔迈尔(Lothor Meyer)所说,是那么简单,以致“一眼看去,并不显眼”。关于物质由原子组成的学说,道尔顿从来没有认为是他的首创。然而如果把古代原子论和道尔顿的近代原子论加上比较,就会发现它们之间有很大的区别,古代的和过去的原子论都认为各种各样的物质(例如水和铁)的原子,本质都是相同的而形状不同罢了。他们认为水的原子圆而光滑,相互之间可以滚来滚去,而铁的原子都是粗糙不平,所以能牢固地一起成一种坚硬的固体。而道尔顿却认为这些原子在本质上也是不同的。并且和元素的概念联系起来,说元素是由原子构成的。有多少种元素就有多少种原子,同种元素的原子大小重量都相同,特别强调了重量,也就是每种元素的原子量都相同。道尔顿的原子论虽然也是一种假说,但是这样一种定量的科学理论同古希腊的模糊的推测之间有根本的区别 [7]

从道尔顿的时代来看,他显然无法决定原子的绝对重量,然而利用了当时的分析实验,他提出了测定原子的相对重量,也就是原子量的任务。道尔顿在1808年介绍原子理论的文章中写道:“这项工作的一个伟大目标就是要表明确定终极粒子相对重量的重要性和好处”。但是道尔顿面临着严重的困难。大家知道,在已知化合物的组成元素重量百分比的情况下,要想求得组成元素的原子量必须先知道化合物的分子式。亦即化合物的原子个数比。此外,还必须指定一种元素的原子量作为参考和比较的标准。道尔顿面临着分子式和原子量都不知道的严重困难。因氢气最轻,所以指定氢的原子量为1作为比较标准,这是可以理解的。

道尔顿为测定两元素化合时的原子个数比作出一假设。假设原子总是以最简单的形式化合,例如:当两种元素只形成一种化合物时,他认为在大多数情况下,这种化合物是二元的,也就是说是由一个A原子和一个B原子组成的,如果两种元素形成两种化合物,他认为比较普遍的化合物是二元的,第二疯PO三元的由三个原子组成,为A2B或AB2;如果形成三种以上的化合物,如氮的氧化物,就需要考虑到四元,或更高元的化合。以上所说的便是所谓道尔顿的“最简化原理”。

因为水是那时人们已经知道的唯一的氢和氧的化合物,道尔顿认为它是二元化合物(HO),从我们时代的优越地位看,道尔顿明显是错了。但这却指出一个方向,明确一个开端。利用拉瓦锡的有关水中含85%的氧和15%的氢的分析结果,道尔顿计算了氧的原子量为5.66,当对水做了更准确的分析后,他指定氧的原子量为7。

在对氮的氧化物进行研究时,道尔顿推断:“硝化空气”最轻,是二元化合物(NO);根据密度和分析资料,他把“氧化亚氮”或笑气定为三元化合物,分子式为N2O;他也把称为硝酸的棕色氧化物定为三元化合物,分子式为NO2。由于使用了分析资料和氧的原子量,使他在当时能够确定氮的原子量。对于常见元素的氧化物和氢化物进行类似的推理,使他能够确定其他元素原子量数值。

1808年道尔顿在《化学哲学新体系》第一卷中发表了他的新原子量表和元素符号,其中包括14种元素。

表9-1 道尔顿于1808年所发表的原子符号和原子量

影响

在近代原子论的建立中,英国伟大的科学家道尔顿做出了不可磨灭的贡献,他通常被看成是科学原子论之父 [9] 。他把波义耳、拉瓦锡的研究成果,即化学元素是那种用已知的化学方法不能进一步分析的物质,同原子论的观点结合起来。他提出,有多少种不同的化学元素,就有多少种不同的原子;同一种元素的原子在质量、形态等方面完全相同。他还强调查清原子的相对重量以及组成一个化合物“原子”的基本原子的数目极为重要。关于原子组成化合物的方式,道尔顿认为这是每个原子在牛顿万有引力作用下简单地并列在一起形成的。在化学反应后,原子仍保持自身不变。尽管现代科学的发展在一定程度上修正了原子本身的物理不可分和万有引力将原子连接在一起的观点,但是道尔顿对原子的定义却被广泛地接受下来。


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