落秋文学

第一章 19世纪的物理科学（第2页）

道尔顿敢于提出这一想法，是因为他注意到当元素组成化合物时，一种元素的一个或多个原子与来自另一元素的一个或多个原子结合形成一份化合物。例如，一份水总是由一份氧和两份氢组合而成。一份水的重量与两个氢原子加一个氧原子的重量相等。道尔顿测试了几十种化合物，总是得到同样的结果。

道尔顿的原子理论有可能解释各种元素是怎样形成化合物的。他说，原子集合在一起组成其他物质，在这一过程中，它们总是一个与一个，或者一个与两个或更多个，以整数的，而不是分离的方式化合——形成其他物质。

1808年，在《化学哲学新体系》（emofChemicalPhilosophy）一书中，道尔顿发表了这一思想。他声称，原子是化学元素的基本单元，每种化学原子都有自己的特定重量。

他写道：

“物体有三种不同的类型，或者三种状态，即所谓的弹性流体（即气体）、**和固体，这已得到哲学化学家的注意。一个显著的例子就是水，水作为一种物体，在一定的条件下，就有这三种状态。我们认为，水蒸气是一种完全的弹性流体，水是完全的**，而冰则是完全的固体。不言而喻，这些观察已经导致这一普遍被接受的结论，即：所有大小可感知的物体，不论是**还是固体，都是由大量极小的粒子组成的，或者是被一种吸引力束缚在一起的原子所组成，吸引力的强弱视环境而定。……”

他继续解释，化学分解和合成只不过是这些粒子的重新组合——把它们相互分开，或者把它们结合在一起。正如拉瓦锡所说，在这一过程中，物质从不会被创生，也不会被消灭。道尔顿宣称：“我们可以产生的所有变化，仅仅在于把处于凝聚或者结合状态的粒子分开，以及把以前分开的再结合在一起。”这些见解就是今天仍然有效。

道尔顿的原子论正是在别人失败之处取得了成功，这是因为他提供了一种能够作出明确预言的模型。当然，他的理论中有些内容后来被抛弃了，但是，其核心内容保存了下来，这就是：每个原子都有特定的质量，在化学反应中元素的原子保持不变。

沿着这条路，道尔顿还引出了其他一些发现。他第一个发表这一结论：当一种气体与另一种气体在同样的温度下被加热至同一温度时，它们的膨胀率相等。他在1794年发表的文章中首次描述了色盲。

1833年，道尔顿的仰慕者和朋友们共同出资为道尔顿建立一座雕像。雕像坐落在曼彻斯特皇家研究所的前面。一些享有盛誉的学会给他荣誉，包括伦敦的皇家学会和巴黎的科学院。1832年，当他获得牛津大学的博士学位时，有幸晋见了英国国王。当时仪式上唯一的问题是要求他必须穿上宫廷服装，还要佩带一把剑，而这就直接违背了他所信奉的宗教的和平主义原则。但是最终他和英国的显贵人士达成了妥协，他可以穿牛津的外套，至于佩剑问题则不必强求。他或许知道，或许不知道，牛津的外套是鲜红色的——仍然与贵格会的习俗相违背。但是在这位色盲科学家看来，外套是灰色的。

道尔顿1844年去世，由于在原子理论和气体行为方面的工作，他受到了人们高度尊重。出殡那天，四万多人排列在街道两旁为他送行，他们再也不能作为学生进入他的课堂了。在道尔顿的一生中，他所取得的成就为19世纪物理学和化学的伟大进展提供了准备。足够幸运的是，他看到了人们对他贡献的认可。

电的连接

我们还会回到化学中原子和元素的传奇故事，不过，现在先到意大利，在博洛尼亚大学生物学教授伽伐尼（LuigiGalvani，1737—1798）的实验室作短暂停留。这是1771年的夏天，实验室里脏乱不堪，木桌上零乱地放着几十对青蛙腿（据某些记载，可能是用来做一盆汤）。

伽伐尼研究电如何影响动物神经和肌肉。

伽伐尼是解剖学家和医生，不是物理学家。不知什么原因，伽伐尼突然想试试用起电机的火花来刺激蛙腿的肌肉。他发现这时蛙腿会发生**。

伽伐尼这样推理：如果是电火花引起肌肉颤搐，那么就可以用来验证美国科学家富兰克林根据风筝实验提出的假设：闪电也是电。伽伐尼把蛙腿挂在铁栏杆上的铜钩下，准备检验这一假定。当雷电来临时，蛙腿果然颤搐了。但是又发生了这一现象：没有雷电时，蛙腿也会颤搐。伽伐尼发现，只要两种不同的金属同时接触肌肉，颤搐就会发生。

伽伐尼不能断定这一现象的原因。是金属引起颤搐?或者是肌肉，即便是死肌肉，仍然保留某种固有的“动物电”?也许伽伐尼的生物学兴趣导致他倾向于得出这一想法：蛙腿这样的动物组织也有电力。他在1791年发表了该结果。另一位意大利人伏打看到这一发现后，也开始做这方面的工作，从而导致了另一场革命。

伏打读了伽伐尼的文章，重复他的实验，又在自己身上做了另外一种实验。他把一片锡箔和一枚银币含在口里——一个在舌尖，一个在舌根，这两块金属是用铜线串起来的。他发现这一装置在他嘴里产生了明显的酸味。他正确地作出判断，酸味表示电荷的存在。

他写道：“值得注意的是，在锡和银相互接触时，酸味就一直存在……这表明电从一处到另一处的流动在不受阻碍地进行。”

他认识到，金属不仅是导体——电实际上就是它们产生的!伽伐尼错了：蛙腿显示的不是动物电，而是金属电。然而，伽伐尼还是起了重要作用，他的实验把人们的注意力引向这个事实，由此戏剧性地打开了研究电的大门。从那时以后的150年中，电成为一种有价值的科学工具，电的工业和商业用途数不胜数。伽伐尼的名字成了人人皆知的用语，例如由于害怕而受到刺激（galvanizedbyfear）；有些用词也与伽伐尼有关，例如镀锌铁（galvanizediron）和电流计（galvaer，检测电流用的装置）。

1797年，伏打成功地得到了流动的电，它不是当时最容易得到的来自莱顿瓶的静态电。1800年，他给伦敦皇家学会写信，描述了他发明的第一个电池——电流可源源不断地从中产生。

戴维的电化学

在18世纪末，电对每个人都有着巨大的魔力，既包括科学界，也包括大众。人人都在谈论富兰克林用风筝丝线和闪电做的实验，社交名流也喜欢在野餐和聚会中做静电游戏。但是没有一个人清楚地知道自己做的是什么，或者为什么能这样做，部分原因就在于没有连续的电源。

由于伏打发明了所谓的伏打电池后，情况才不一样。伏打的工作不仅打开了探讨电的本性的道路（在理论物理学和工业两方面都产生了辉煌成果），而且为发现新的元素和探讨化学键的本质提供了突破性的工具。

现在我们的故事再回到化学。就在伏打向伦敦皇家学会报告他的发现之后不久，戴维开始思考如何把伏打电池用来解决某些化学问题。戴维，也许最有名的是他发现了两种元素，钠和钾，他还为矿工发明了安全灯。1800年，他（和杨一起，杨的工作将在本编第四章讨论）受雇于皇家研究所，这是一个新建立的研究实验室和教育机构。

被公认为电化学奠基人的戴维

戴维是家里5个孩子中年龄最大的，他出生于1778年，是英国康沃尔郡西海岸的判扎斯城一位木雕家的儿子。1794年，年轻的戴维只有16岁，父亲去世，家庭负担只好落在他这位长子身上。于是，戴维在本地一位外科医生那里当了一段时期的学徒工，但是在19岁时他对实验化学、物理学以及相关领域发生了浓厚兴趣。他开始检验拉瓦锡夫妇在《化学基础论》一书中的思想，并得出某些革命性的结论。通过观察冰块的摩擦实验，他断言：热，不像大多数化学家所设想的那样，是“不可称量的流体”，而是运动的一种形式。不幸，戴维太年轻，还有一点粗心大意，对自己的实验结果过于自信。结果，科学界对他的看法相当冷淡，普遍持怀疑态度。对此戴维相当失望。

但是1798年，戴维成了贝多斯（ThomasBeddoes，1760—1808）的助手，贝多斯是多才多艺的化学家和擅长于用气体进行治疗的医生。在贝多斯的布里斯托尔气体研究所，戴维把他自己当做实验对象，就像实验室中的豚鼠那样。他自己制备一氧化二氮（又称为笑气，后来被牙科医生广泛使用），有一天他总共吸入了16夸脱。他后来说，这一天他“完全陶醉了”。他研究了这一气体的生理学效应，于1799年写了一篇详尽的论文，因此而成功地获得作为化学家的名望［还在社会名流中享有盛誉，这些名流中有两位诗人柯勒律治（SamuelTayle，1772—1834）和华兹华斯（orth，1770—1850），特意到他的实验室里访问，欣赏他发现的“陶醉效应”］。

戴维关于一氧化二氮的科学论文引起了伦福德伯爵的注意，他是美国出生的一位传奇般人物，由于把热看成是一种运动形式，从而在18世纪末激起相当大的争论，因为当时大多数化学家和物理学家认为热是一种叫做热质的不可称量（也就是没有重量）的流体。尽管伦福德（原来的名字叫做汤普森）当时是在巴伐利亚政府任职，但他却打算在英国创建皇家研究所，普及科学，并把科学发现的成果运用到日常生活、艺术和生产之中。伦福德聘请戴维担任第一届实验室主任，这对于年轻有为的化学家来说，是一个极好的机会。

1800年，戴维在离开布里斯托尔去伦敦前，就已有了这一令他感到满意的想法，伏打电池是通过化学反应而产生电，很快他就猜测到，逆效应可能也是正确的，即反过来把电作用于化合物和混合物上，也会产生化学反应。

然而，在接下来的几年里，他在伦敦皇家研究所的职责使他离开了这个课题。为了赚一点钱，研究所开设了一系列高级科普讲座，戴维的魅力和**使他成为当时最受欢迎的演讲者之一。（奇特的电学表演和一氧化二氮产生的“**”也许吸引了更多听众的注意力。）一方面是为了推行科学普及的工作，另一方面也是为了保证有固定的收入，但与此同时，研究所还集中关注农业科学、制革和矿物学，戴维关于这些课题的几篇出色论文，不但给研究所增添了光彩，也给自己提高了知名度。

1806年，戴维的机会来了。在短短5个星期里，他完成了108个电解实验，使电用于产生各种化学反应。这一年他在向皇家学会作的《论电的化学媒介作用》的报告中，提出了电解与电流作用之间的理论联系，对化学反应的电特性首次给出解释。他说，化学上物质的结合是因为原子间有相互吸引的电。

戴维还想到，也许可以用电来分解化合物从而分离出尚未发现的元素。许多年来科学家一直在对数种物质进行研究——石灰、氧化镁、碳酸钾，等等，它们似乎都是金属的氧化物。但是用加热或者其他能够想到的办法，都无法把氧分离出去。戴维在他的报告结尾作出预言，希望“新的分解方法可以引导我们发现物质的真正元素”。

为了试验这一想法，戴维建造了庞大的电池组，用250多块金属片组成，比伏打电池要强大得多。第二年，他用一小块稍稍浸湿的碳酸钾（由植物燃烬后的灰末浸水而得到）做实验，他从电池的负极引出绝缘的电极连在碳酸钾块的一个表面，正极连接另一个表面。这时他注意到，碳酸钾块“处于剧烈的活性状态”。碳酸钾块的两个接触点开始溶化，与正极相接表面释放出一种气体。另一个接触点，不释放气体，却开始生成“具有高度金属光泽的滴状物质”，看上去有点像汞滴，其中的某些在燃烧时会发出明亮的火焰，并且爆炸。戴维马上明白，他发现了一种新元素，他称之为钾。正如他的兄弟约翰在信中描述这个实验时写道，戴维“看到通过碳酸钾冒出了许多钾滴，当它进入大气时起火，他无法克制喜悦的心情，兴奋得在房间里欢呼跳跃，但很快他又使自己镇定下来继续做实验”。

几天后，戴维用同样的方法对碳酸水（现在知道它是氢氧化钠）做实验，结果发现了钠。他的想法得到了证实。与此同时，在斯德哥尔摩。贝采里乌斯和他的同事正在进行类似的实验，双方互有通信往来。贝采里乌斯发现，当他在加入石灰或重土的汞化合物中通入电流时，得到了一种“汞齐”或者某种合金，是其他金属与汞的合成物。这给戴维又一个启示，不出几个月，戴维对贝采里乌斯描述的汞齐（以及其他物质）猛烈加热，结果从中分离出了镁和钙；从一种矿物中分离出了锶（strontium，该矿物质产于苏格兰的一个城镇，其名即由此而来）；从重土（baryta）中分离出了钡（barium）。戴维以发现众多元素而声名远扬。1810年，戴维在测试一种名叫次氯酸的绿色气体时，发现一种元素，他称之为氯（因为它呈绿色）。

1812年对于戴维来说是重要的一年，这一年他出版了《化学哲学原理》（ElementsofChemicalPhilosophy）。很快他又出版了应用性更强的《农业化学原理》（ElementsofAgricultureChemistry）。由于他的成就，1812年4月他被封为爵士，不久娶了富有的苏格兰寡妇阿普勒斯。1813年，他被任命为皇家研究所教授，随即去欧洲旅行，随同的有新婚夫人和不久前选用的年轻助手法拉第。法拉第的故事将在19世纪后半叶详细展开。尽管当时英国与法国正在交战，但正如戴维所说：“科学家之间永远没有战争。”拿破仑欢迎戴维的访问。在这期间，戴维和法拉第访问了欧洲大陆的许多著名科学家。对于法拉第来说，这次旅行使他有幸领略科学前沿的风貌。

1820年，戴维成为皇家学会会长，开始研究船底铜罩的防腐蚀方法，但是他的健康开始不佳，1823年后长期在瑞士居住，一直到51岁去世。在那里他受到高度尊敬，获得国葬的礼遇。

这一年是1829年，对于化学来说，新的世纪刚刚开始。新的挑战正在前头：为大量出现的新元素理出个头绪，继续寻找更多的新元素，以及弄清与碳元素相结合的一大族分子。所有这些领域的进展不久就会到来。