讓·佩蘭
——原子論之爭(zhēng)的調(diào)停者

張瑞云 李 維

(天津師范大學(xué)教師教育學(xué)院,天津 300387)

·物理學(xué)家與物理學(xué)史·

讓·佩蘭
——原子論之爭(zhēng)的調(diào)停者

張瑞云 李 維

(天津師范大學(xué)教師教育學(xué)院,天津 300387)

阿伏伽德羅常數(shù)是中學(xué)物理中的一個(gè)重要常量,是聯(lián)系宏觀世界與微觀世界的一條紐帶．不僅如此,在早期的科學(xué)研究中,阿伏伽德羅常數(shù)更是證實(shí)“原子論”的最有力證據(jù)．在現(xiàn)今,分子和原子的存在已是一個(gè)不容置疑的事實(shí),但原子論從誕生到被人們接受認(rèn)可卻經(jīng)歷了漫長(zhǎng)而曲折的道路．尤其是在19世紀(jì)末,受到了來(lái)自科學(xué)界各派的詰難與質(zhì)疑,其中以?shī)W斯特瓦爾德為代表的“唯能論”對(duì)“原子論”的挑戰(zhàn)尤為激烈．“原子論”與“唯能論”之爭(zhēng)持續(xù)了20多年．直到1908年,法國(guó)物理學(xué)家佩蘭通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)得了一系列數(shù)值高度一致的NA值,證實(shí)了原子分子的存在,為微觀世界的研究開辟了一條嶄新的道路．佩蘭的名字可能沒(méi)有像愛因斯坦一樣被人熟知,但這個(gè)偉大的科學(xué)家所做的貢獻(xiàn)卻是可以永載史冊(cè)的．鑒于佩蘭是中學(xué)物理教學(xué)中可以涉及到的重要物理學(xué)家,通過(guò)對(duì)佩蘭科學(xué)研究工作的展示,可以使學(xué)生體會(huì)實(shí)驗(yàn)研究的智慧與艱辛．本文簡(jiǎn)單介紹佩蘭的生平和他的主要學(xué)術(shù)成就．

1 生平簡(jiǎn)介

圖1 佩蘭(1870—1942)

讓·佩蘭(Jean Baptiste Perrin,1870—1942)(圖1),1870年9月30日生于法國(guó)里爾的一個(gè)普通家庭,父親也是一名物理學(xué)家,可惜英年早逝,母親含辛將其撫養(yǎng)成人．高中時(shí),佩蘭就讀于法國(guó)里昂的公立男中,1890年畢業(yè)考入巴黎高等師范學(xué)院,1891年在導(dǎo)師布里淵的引導(dǎo)下開始了新的學(xué)習(xí)生涯．1895年佩蘭擔(dān)任物理助教,開始對(duì)陰極射線和X射線進(jìn)行研究．通過(guò)研究,他洞察出了原子結(jié)構(gòu)存在不連續(xù)性的可能,并于1901年提出了他稱之為“太陽(yáng)系”的核行星原子結(jié)構(gòu)模型,這個(gè)提法早于盧瑟福發(fā)現(xiàn)原子結(jié)構(gòu)模型(1911年)之前．1896年佩蘭因?qū)﹃帢O射線和X射線的研究獲得倫敦皇家學(xué)會(huì)焦耳獎(jiǎng),并于1897年完成了X射線和倫琴射線的研究論文,獲得了“科學(xué)博士”學(xué)位．同年,佩蘭應(yīng)聘到巴黎大學(xué)神學(xué)院任教,教授物理化學(xué),于1903年編寫了對(duì)物理化學(xué)教學(xué)有著重要意義的《物理化學(xué)規(guī)律——原理》一書．在教學(xué)備課過(guò)程中,佩蘭開始對(duì)膠體粒子產(chǎn)生了興趣,而對(duì)膠體粒子的研究又引發(fā)了佩蘭對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)的研究．佩蘭對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)的研究開始于1906年,通過(guò)研究他發(fā)現(xiàn)了沉降平衡定律,證明了物質(zhì)結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性,并因此于1926年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．佩蘭還曾在1912年獲得博洛尼亞的瓦勞利獎(jiǎng),在1913年獲得巴黎科學(xué)院的萊開譯獎(jiǎng)．

1913年,佩蘭在總結(jié)了其他科學(xué)工作者以及自己對(duì)原子分子研究成果的基礎(chǔ)上,編著了《原子》一書．這本書一經(jīng)出版便受到了廣大讀者的青睞,在科學(xué)界有著很高的影響力．1914年第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā),佩蘭放下手邊的工作毅然投身于保衛(wèi)祖國(guó)的戰(zhàn)斗之中．戰(zhàn)后,他又開始從事熒光在化學(xué)反應(yīng)中的作用的研究,發(fā)現(xiàn)了熒光是由粒子躍遷產(chǎn)生的．此外,他還進(jìn)行了核物理方面的研究,并于1918年正式提出了輕核聚變的觀點(diǎn)．1921年以后,佩蘭主要致力于法國(guó)科學(xué)的復(fù)興以及科學(xué)的社會(huì)普及工作,并于1927年建立了生物物理化學(xué)研究所,1939年建立了法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心．佩蘭對(duì)法國(guó)科學(xué)普及最大的貢獻(xiàn)莫過(guò)于1937年創(chuàng)建了“發(fā)明宮”．1940年德國(guó)入侵法國(guó),佩蘭被迫背井離鄉(xiāng),逃往美國(guó)．1942年4月17日于異國(guó)他鄉(xiāng)的紐約辭世,1948年遺體運(yùn)回法國(guó)葬于巴黎偉人祠．

2 主要學(xué)術(shù)成就

2.1 發(fā)現(xiàn)沉降平衡定律

佩蘭受其導(dǎo)師布里淵的影響,是原子論的主要支持者之一．但佩蘭對(duì)原子論研究的突出貢獻(xiàn)在于,用實(shí)驗(yàn)方法檢驗(yàn)了原子論的正確性,平息了長(zhǎng)久以來(lái)的“原子論”之爭(zhēng)．其實(shí)早在研究X射線與陰極射線性質(zhì)的時(shí)候,佩蘭就已經(jīng)預(yù)見到原子結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性,他甚至還構(gòu)想了原子結(jié)構(gòu)的模型,認(rèn)為原子結(jié)構(gòu)可以分為不等大的兩部分,較大的部分帶正電,另一部分則是帶負(fù)電的微小顆粒物質(zhì)．但在1897年以后,他不得不將大量精力投入到教學(xué)工作中去,從而放慢了研究的步伐．但佩蘭善于發(fā)現(xiàn)以及潛心鉆研的精神是他走向成功的最寶貴財(cái)富．即便在教學(xué)中,他對(duì)每一個(gè)科學(xué)問(wèn)題也保持著極高的敏感性,力求真知．在一次備課過(guò)程中,他發(fā)現(xiàn)了膠體粒子的一些有趣特性．通過(guò)實(shí)驗(yàn),佩蘭發(fā)現(xiàn)電解液中的多價(jià)離子超過(guò)某一限度時(shí)就會(huì)發(fā)生膠體粒子的不可逆性凝結(jié),它影響著膠體溶液的平衡．

為了研究粒子大小不同的膠體溶液如何達(dá)到平衡,以及溶液濃度與膠體粒子大小之間有著怎樣的關(guān)系,佩蘭于1906年開始著手研究膠體粒子的布朗運(yùn)動(dòng)．與許多研究布朗運(yùn)動(dòng)的前輩一樣,佩蘭對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)的研究也始于觀察．通過(guò)用不同放大倍數(shù)的顯微鏡長(zhǎng)時(shí)間的觀察,他發(fā)現(xiàn)膠體微粒越小,它的布朗運(yùn)動(dòng)就越劇烈,而且各微粒的運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立,互不影響．這些現(xiàn)象說(shuō)明膠體粒子的布朗運(yùn)動(dòng)不是由于碰撞或溫差引起的,而很可能是由組成物質(zhì)的原子或分子的運(yùn)動(dòng)所造成的,這使他更加堅(jiān)信物質(zhì)結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性．

對(duì)于ρ的測(cè)量,佩蘭采用了兩種方法,第1種是將乳濁液放入干燥箱進(jìn)行干燥處理,待乳濁液干燥成黏性液體時(shí)取出,自然冷卻,使其凝固成透明膠狀物質(zhì),再將膠狀固體粉碎,投入到一定濃度的溴化鉀水溶液中,形成懸濁液,這樣,測(cè)出溴化鉀懸濁液的密度便可知道顆粒物質(zhì)的密度．佩蘭利用轉(zhuǎn)換法,很巧妙地將難以直接測(cè)量的顆粒物質(zhì)密度轉(zhuǎn)化為測(cè)量溴化鉀溶液的密度．第2種方法是使用比重瓶法,通過(guò)測(cè)量同體積水和乳濁液的質(zhì)量,再測(cè)得乳濁液干燥成透明膠狀固體物質(zhì)時(shí)的質(zhì)量,便可根據(jù)水的密度推導(dǎo)得出乳濁液中顆粒物質(zhì)的密度ρ.

圖2 測(cè)量n、n0、h的實(shí)驗(yàn)裝置圖

豐度n和高度差h的測(cè)量又是一個(gè)難題．佩蘭設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2，將一個(gè)厚度為0.1mm中心有圓孔的玻璃片放在載玻片上,制成了一個(gè)小的圓柱形容器．將乳濁液滴入圓孔,然后快速蓋上蓋玻片,再用石蠟或漆進(jìn)行密封,就制成了具有一定厚度的乳濁液玻片．使用放大倍數(shù)很高但景深很小的顯微鏡去觀察,便可看到某一深度的一薄層顆粒．但由于微粒在做無(wú)規(guī)則布朗運(yùn)動(dòng),視野中的微粒就如同上百只到處亂飛的小蜜蜂,是很難直接計(jì)數(shù)的．于是佩蘭想到了用拍照的方法來(lái)多次統(tǒng)計(jì)求平均值,這個(gè)方法對(duì)于確定微粒的位置確實(shí)有效,但卻無(wú)法看清直徑小于0.5μm的微粒,無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)數(shù)．對(duì)此,佩蘭又想到了將不透明的箔片扎一個(gè)小孔放在顯微鏡焦面上來(lái)限制視場(chǎng),記錄觀察瞬間從顯微鏡中看到的粒子數(shù)．每隔一定時(shí)間計(jì)數(shù)一次,多次計(jì)數(shù)求出平均值,便可得到n0,然后移動(dòng)顯微鏡觀察另一層,記錄下物鏡移動(dòng)的高度,便可以根據(jù)折射率算出兩層間的高度差h,再用同樣的計(jì)數(shù)法計(jì)算出這一層的平均粒子數(shù),便得到了n．

最后,佩蘭將通過(guò)上述方法求得的各量代入公式便求得了NA．佩蘭用藤黃和乳香,通過(guò)控制顆粒物質(zhì)的質(zhì)量、密度、溫度、溶液種類等,制備出不同的乳濁液,進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究,所求得NA的值都在1023量級(jí),且NA的平均值約為6.8×1023．這個(gè)結(jié)果不僅成為檢驗(yàn)“原子論”真實(shí)性的有力證據(jù),而且從實(shí)驗(yàn)角度解釋了布朗運(yùn)動(dòng)的真正原因是由分子熱運(yùn)動(dòng)所引起的．佩蘭也因此項(xiàng)偉大的實(shí)驗(yàn)成果于1926年冠冕諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．

2.2 對(duì)愛因斯坦公式的驗(yàn)證

佩蘭通過(guò)不同途徑的實(shí)驗(yàn)測(cè)量,得到了一系列的NA值,最終通過(guò)計(jì)算求得的平均值約為6.4×1023．佩蘭得到的NA值在誤差允許范圍內(nèi)竟非常驚人的一致,這使學(xué)術(shù)界一直以來(lái)不置可否的原子問(wèn)題得到了實(shí)質(zhì)性的解決,為后來(lái)物理和化學(xué)微觀方面的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)．

3 對(duì)法國(guó)科學(xué)及社會(huì)發(fā)展的貢獻(xiàn)

佩蘭不僅是一個(gè)偉大的科學(xué)家,更是一個(gè)赤誠(chéng)的愛國(guó)主義人士．他在追求真理專注科研的同時(shí),還為法國(guó)的科學(xué)事業(yè)做出了永載史冊(cè)的貢獻(xiàn),為法國(guó)科學(xué)發(fā)展鋪設(shè)了新的道路．佩蘭有著一顆火紅的愛國(guó)之心,在1914年第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后,他主動(dòng)請(qǐng)纓加入了保衛(wèi)祖國(guó)的戰(zhàn)斗,并擔(dān)任某一工程部隊(duì)的軍官．

關(guān)于佩蘭對(duì)法國(guó)科學(xué)的貢獻(xiàn)更是不勝枚舉．他在1927年說(shuō)服了艾德蒙德羅斯柴爾德男爵成立了生物物理化學(xué)研究所,在1939年創(chuàng)立了法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心．國(guó)家科學(xué)研究中心是面向沒(méi)有受過(guò)高等教育而卻最有希望成為科學(xué)家的普通公民創(chuàng)辦的,它為像弗里德里克·約里奧這樣有著科學(xué)才能的人提供了很好的機(jī)會(huì),使得他們能夠完成偉大的研究,為科學(xué)做出貢獻(xiàn)．此外,佩蘭還負(fù)責(zé)創(chuàng)辦了巴黎物理天文研究所和普羅旺斯天文臺(tái)．佩蘭最偉大的貢獻(xiàn)在于他創(chuàng)建了舉世聞名的發(fā)明宮,使得法國(guó)科學(xué)社會(huì)化、大眾化不再是遙不可及的夢(mèng)想,為更多熱愛科學(xué)的人們提供了發(fā)明創(chuàng)造的機(jī)會(huì)．

1 郭奕玲,沈慧君.諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)1901—2010[M].北京:清華大學(xué)出版社,2012:113-117.

2 王媛媛.讓·佩蘭在19—20世紀(jì)之交對(duì)物理學(xué)發(fā)展的貢獻(xiàn)[D].北京:首都師范大學(xué),2005:3,7,21-25.

3 呂一民.20世紀(jì)法國(guó)知識(shí)分子的歷程[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2001:78-81.

4 閻康年.原子論與近現(xiàn)代科學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1993:44-57.

2016-12-26)