穿越時空的對話

楊秀芬

（江蘇省高淳高級中學 江蘇 南京 211300）

原子論的產(chǎn)生和原子內(nèi)部奧秘的發(fā)現(xiàn)，在化學發(fā)展史中占有重要的地位，在這一系列的發(fā)現(xiàn)中，許許多多的科學家為此貢獻了畢生的心血。他們頑強的探索精神和科學的探索方法給我們留下了寶貴的精神財富。當前實行新課程改革，將純知識的學習轉(zhuǎn)向能力的培養(yǎng)，突出知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度價值觀三大基本要素，新課改的要求與科學家的探索過程中的精髓不謀而合。但教材中對道爾頓原子論的內(nèi)容涉及較少，其教法也值得我們探討。筆者在校本課程和興趣小組的教學平臺上，對化學史的教學用“角色表演法”進行了嘗試，主要用對話的方式展現(xiàn)英國化學家道爾頓（1766—1844）第一次科學、系統(tǒng)地提出原子論的主要歷程。

一、對話實錄

今人：你創(chuàng)立的原子學說對化學學科的建立和發(fā)展起了關鍵性的作用，原子論是近代化學的基礎，你被恩格斯譽為“近代化學之父”。請問你是在什么歷史背景下提出 “物質(zhì)是由原子構成的”？

道爾頓：從公元前到17世紀中葉，人們一直在尋思物質(zhì)是由什么構成的，他們的想法雖沒有定論，但給了我一些啟發(fā)。如：英國化學家波義耳以化學實驗為基礎建立了元素論，認為“只有那些不能用化學方法再分解的簡單物質(zhì)才是元素”。1789年，法國化學家拉瓦錫提出元素是“化學分析所能達到的終點”，這一認識豐富了波義耳的元素觀，他還發(fā)表了包含33種元素的元素表。他們所指的“元素”是“原子”的雛形。

另外，1785年，拉瓦錫用實驗證明了：化學反應發(fā)生了物質(zhì)組成的變化，但反應前后物質(zhì)的總質(zhì)量不變。1791年，里希特發(fā)現(xiàn)了當量定律：酸、堿、鹽之間的反應存在確定的定量比例關系；1799年，法國藥劑師普羅斯提出了定組成定律：兩種或兩種以上的元素化合形成一種物質(zhì)時，其質(zhì)量之比是天然一定的；但人們還無法從理論上解釋這些實驗定律。前人在物質(zhì)構成方面的研究成果和對這些實驗性定律的困惑是我創(chuàng)立原子論的重要基石。

英國化學及物理學家道爾頓（J．Dalton）

今人：你在研究什么現(xiàn)象時提出“物質(zhì)是由原子構成的”假想的？

道爾頓：我對氣象做了幾十年的觀測，氣體間的混合為什么總是很均勻引起了我的思考。我提出過很多解釋，但總感到不滿意或缺乏依據(jù)。1803年，根據(jù)氣體的體積或壓強隨著溫度的升高而增大這一事實，我把氣體間的排斥力解釋為熱的作用，并且形象而明確地描述了氣體微粒原子。在同年9月6日的筆記中，寫到：“物體的最后——原子乃是在氣體狀態(tài)時被熱質(zhì)圍繞的質(zhì)點或核心”。也就是說，氣體原子有一個處于中心的核，周圍被一層熱質(zhì)所籠罩（形成熱氛），即中心的核與周圍的熱氛組成一個氣體原子，由于熱氛的存在，氣體原子之間產(chǎn)生排斥力；當溫度升高時，這種熱氛就增加，排斥力增大，氣體的體積或壓強就隨之增大。

今人：原子論的主要觀點有哪些？

道爾頓：1803年10月21日，在曼徹斯特的“文學和哲學學會”上，第一次闡述了關于原子論以及原子量計算的見解，并公布了第一張包含有21個數(shù)據(jù)的原子量表。其主要論點是：

（1）元素的最終粒子稱為簡單原子，它們極其微小，是看不見的，是既不能創(chuàng)造，也不能毀滅和不可再分割的。它們在一切化學反應中保持其本性不變。

（2）同一種元素的原子，其形狀、質(zhì)量和各種性質(zhì)都是相同的；不同元素的原子在形狀、質(zhì)量和各種性質(zhì)上則各不相同。每一種元素以其原子的質(zhì)量為最基本的特征。

（3）不同元素的原子以簡單整數(shù)比相結合，形成化合現(xiàn)象。化合物原子稱為復雜原子。復雜原子的質(zhì)量為所含各種元素原子質(zhì)量的總和。同一化合物的復雜原子，其組成、形狀、質(zhì)量和性質(zhì)必然相同。

今人：哪些實驗或理論證明了假想的科學性？

道爾頓：一是我做了混合氣體壓強測定。將氮氣和氧氣混合，混合氣體的總壓強等于氮氣和氧氣的分壓之和。于1801年提出氣體分壓定律，分壓定律說明了氣體具有擴散性，擴散性說明了物質(zhì)的微粒性。

二是測定原子的質(zhì)量（原子量）。原子是微粒，是質(zhì)點，是物質(zhì)的基本構成，它就應該有質(zhì)量。不同的原子應有不同的質(zhì)量，這是原子最基本的特性之一。只有賦予原子以質(zhì)量的意義，我的原子論才不同于以往哲學臆測的原子論，而具有了科學定量實驗的特征。在此之前，沒有人進行這一方面的測量。為此，我決定測出原子量，這樣才能使原子的存在得到確證。

三是我用原子論為基礎導出：兩種元素化合得到不止一種物質(zhì)時，這些物質(zhì)中的元素質(zhì)量存在整數(shù)倍的比例關系——倍比定律，并得到證實。如，在分析一氧化碳和二氧化碳時，兩種氣體的碳、氧質(zhì)量比分別為5．4∶7和5．4∶14，而兩氣體中氧的質(zhì)量比為 1∶2。

四是用原子論能合理解釋當時的質(zhì)量守恒定律、當量定律、定組成定律等實驗定律。

今人：反映原子論的著作是什么？

道爾頓：1808年，我最重要的著作 《化學哲學新體系》（第一冊）出版，在書中全面闡述了原子學說及其實驗根據(jù)，對1803年的原子量做了多處修正，還設計出一套符號來表示各種原子。

今人：提出“不同原子有不同的質(zhì)量”、測量“原子質(zhì)量”是你的原子論能超越前人的一個重要方面。你是如何測原子量（原子相對質(zhì)量）的？

道爾頓：原子很小，無法測一個原子的質(zhì)量，我想只能測各種原子質(zhì)量的相對大小，即原子的原子量。假定在同溫同壓下，相同體積的氣體含有相同數(shù)目的原子，可以測定氣體的相對密度來算出原子的相對質(zhì)量。但在氫、氧燃燒合成水的實驗中，測得的水蒸氣的密度反而小于氧氣密度。而用當時原子的觀點認為水蒸氣的密度應大于氫氣或氧氣的密度，這一事實說明用氣體密度法測原子量是行不通的。

今人：這是由于當時還沒有弄清原子與分子的區(qū)別，還沒有真正揭示物質(zhì)的構成方式。

道爾頓：我轉(zhuǎn)向用化學法測原子量。在拉瓦錫已測得水是由85份氧和15份氫組成的基礎上，將氫的原子量定為基準值1，假定水是由一個氧原子和一個氫原子組成，氧原子質(zhì)量約為氫原子質(zhì)量的5．66倍，因此，得到氧的原子量為5．66。還假定氨氣是由氮、氫組成的二元物，由分析結果（含氫20%，含氮80%）得出氮原子量約為氫原子的4倍，氮的原子量為4，以此類推，得到了最早的一張原子量表。

今人：你測出的數(shù)值和現(xiàn)在所測的數(shù)值相距甚遠，誤差主要出在水是由分子（2個氫原子與一個氧原子）構成，而不是一個氫原子與一個氧原子，其它物質(zhì)的組成假定也有類似問題。但已使人們樹立了原子量是原子的基本屬性的觀念，開辟了定量理論研究的先河，從而為你的原子論奠定了基石。

道爾頓：由于當時認識水平的限制，我只從“思維經(jīng)濟原則”出發(fā)，斷定“水原子”由一個氧原子與一個氫原子構成，再加上當時的實驗技術水平不足，導致實驗精確度低，所測的原子量很不精確。同時也說明我犯了主觀臆斷的錯誤。

今人：你所創(chuàng)立的原子論在當時遇到什么困難嗎？

道爾頓：正是由于原子量測得不準，在定量實驗中使用不完全正確的原子量就得到不符合實際的結論，因而遇到了巨大的阻力。正因為此，戴維和法拉第認為沒有必要相信原子論。1834年，法拉第電化學當量定律的發(fā)現(xiàn)，使人們更趨向于使用當量值進行定量研究，原子論更是“雪上加霜”。而原子量測定工作一再出現(xiàn)矛盾和反復，原子論幾乎要“流產(chǎn)”。我雖然一時無法改變這一局面，但許多事實又證明了原子論的合理性，因此我還是堅持我的觀點。同時我要感謝瑞典化學大師貝采里烏斯，他和他的同事、學生分析了約兩千種物質(zhì)的組成，采用了多種理論和方法，分別于1818年和1826年取得了比較精確的原子量。他們這些浩繁的工作為原子論的復興打下了堅實的基礎。從中可以看出，新理論的產(chǎn)生不一定在短期內(nèi)就被人們接受，有一個過程，也有反復，這就要有決心和毅力。要遵循實驗事實，在實事求是的基礎上敢于創(chuàng)新和向傳統(tǒng)經(jīng)驗挑戰(zhàn)，因循守舊將一事無成。

今人：在你的研究中，哪些學者給予了你幫助和啟發(fā)？

道爾頓：在原子論的產(chǎn)生過程中，許多學者給予了極大的幫助，主要有我的摯友亨利（1774-1836）和湯姆遜（1773-1852）等人。亨利曾說過：“每一種氣體對于另一種氣體來說，等于是一種真空”。這句話引起許多科學家的反對，我用實驗證明了它的正確性，同時也為氣體分壓定律建立了堅實的基礎。亨利經(jīng)常有新奇而深刻的想法，但他缺乏勇氣將它們總結并公之于眾。1802年，在我的鼓勵下，亨利在英國皇家學會詳細說明了氣體溶解度與其分壓的關系：一種氣體在水中的溶解度正比于這種氣體的分壓強，這條定律后來被尊稱為“亨利定律”。受他的啟發(fā)，在其后的研究中注意到，在相同的壓強下不同氣體的溶解度差別很大。我設想：“一系列氣體的溶解度與這些粒子的重量有關”，這大概就是我對原子質(zhì)量的最初想法。

在1804年，蘇格蘭化學家湯姆遜與我熱烈、詳細地討論了原子學說。在以后的幾年里湯姆遜熱情地稱贊和宣揚原子學說，使這一學說很快被廣大化學界學者所熟悉。我也受到湯姆遜的啟發(fā)，將原子論的研究重點由原來的物理方面轉(zhuǎn)向了化學方面，使我認識到：倍比定律對原子論的證明具有重要意義，便重點研究了這一課題。從中體會到在科學研究中要善于與別人合作交流，善于吸取別人的長處，閉門造車只會使發(fā)展速度大大減慢或走入死胡同。

今人：你的原子論的觀點在現(xiàn)在看有許多不足，你如何看待這一問題？

道爾頓：由于當時的實驗技術、理論水平的限制，所提出的理論只能有這么的深度，但我和我同時代的人認為它糾正了我的前人的不足，至于這一理論是否完全正確或有沒有瑕疵要靠后來的事實去證明和糾正。反過來說，如果前人把什么理論都研究透了，那后人不就“坐吃山空”了嗎？這也說明科學理論是隨時代的發(fā)展在不斷地發(fā)展和完善，科學理論有時代性和局限性，同時也為科學創(chuàng)新、科學探究留下了空間。

今人：確實如此。在你之后，意大利物理學家阿伏加德羅提出了分子的概念。他指出：“所有相等體積的氣體，無論是元素、化合物還是混合物，都有相等的分子數(shù)。氣體元素的最小粒子不一定是單原子，很可能是由多個原子結合成的單一分子，同等體積的氣體原子數(shù)目雖然不同，但分子數(shù)目是一樣的”。但很長時間內(nèi)，人們沒有重視阿伏加德羅的理論，化學家們根據(jù)不同的標準，測得的原子量也不同。到了1858年，意大利化學家坎尼查羅提出，只有接受阿伏加德羅的理論，才能真正解決物質(zhì)組成的表示方式（化學式）問題和原子量問題，他的觀點得到了人們的贊同，近代的原子-分子論才得以確立，原子論也才得以徹底的證實。

今人：你有什么未了的想法嗎？

道爾頓：我在研究原子的過程中，因為還沒有真實感受到原子的存在，有一種紙上談兵的感覺。

今人：現(xiàn)在人們已能看到原子了。1981年，瑞士蘇黎世IBM公司研究實驗室的兩位科學家賓寧和羅赫爾研制成了一種掃描隧道顯微鏡（STM），可以很精確地觀察材料的表面結構。1988年，中國科學家設計制成了新型的STM，其分辨率達到原子級，能操控原子。如在硅晶體表面寫出最小的漢字——“中國”。從而使原子的存在得到了確認，也為進一步探索微觀世界的奧秘，提供了必要的物質(zhì)基礎。這也說明實驗技術的發(fā)展是理論發(fā)展的保障。

二、對話感悟

這種對話教學方式從歷史事件本身、理論發(fā)展過程、研究方法、個人情感態(tài)度等方面客觀地再現(xiàn)了歷史，教法新穎，易被學生接受。同時這一方法要求學生去查閱大量資料，做好提問的準備，這本身就是化學史教學的有效途徑。再讓學生了解科學家生平，在此基礎上讓學生形成一個有血、有肉、有情感且具體而豐滿的人物形象，讓學生感到偉人就在我們身邊，我們正沿著偉人的路走下去。

現(xiàn)在這種方法僅僅在小范圍內(nèi)進行了嘗試，還有待和同行們進一步探討、完善，也希望得到專家們的指教，以便引入全體學生的課堂教學中。

［1］ 北京師范大學、華中師范大學、南京師范大學合編．無機化學（第四版）［M］．北京：高等教育出版社，2002．8：14-16

［2］ 王玉枝，蔡炳新，汪秋安編著．實用大學化學手冊［M］．長沙：湖南科學技術出版社，2005．10：1-14