科学史(下)-第2章
按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！
后来大地测量的精确度增高，知道米长并不恰好等于地球的经圈的一个象限
的若干整分，但不加以改正。容量的单位是立特或升，应当是每边一分米（呎
米）的立方体，但以其不易量度，1901 年规定为一公斤（千克）的纯水在一
大气压及摄氏四度（在这温度下水的密度最大）下的容积。
质量的单位是千克或公斤，原来规定为每边一分米的纯水在摄氏四度下
的质量，但现在则等于1799 年勒费贝—纪诺（Lefebre…Ginneau）与法布隆
尼（Fabbroni）所制定的铂铱合金标准衡器的质量。他们的工作的精确度可
从吉洛姆（Guillaume）在1927 年所定的最新立特值去判断，即一立特之值
等于1000。028 立方厘米。
时间的单位是秒，定为平均太阳日的1/86400，所谓平均太阳日是把太
阳中心第一次过子午线和接连第二次过子午线之间的时间作为一年计算出来
的平均时间①。
1822 年，傅立叶在他的《热的理论》里指出副量或导来量按基本量来表
示时，有某些量纲。假设以L 表长度，M 表质量，T 表时间，则速度v（即在
单位时间内所经过的长度）的量纲为L/T 或LT…1。加速度是单位时间内速度
的变化，其量纲为v/T，即L/T2 或LT…2。力是质量与加速度的乘积，或MLT…2；
功是ML2T…2。高斯由这些动力单位导出电与磁的单位，以后还要提到。
约在1870 年，达成一项国际协议，一致同意采用一项科学的量度系统，
以厘米（1/100 米）、克（1/1000 公斤）和秒三者作为基本单位，这就是常
说的厘米、克、秒（C。G。S）制。
原子论
前几章内，我们已将德谟克利特时代以来的原子哲学叙述过了。这个哲
学经亚里斯多德驳斥后，在中世纪陷于停止状态，直到文艺复兴以后，才重
新活跃起来。伽利略赞同这个哲学，伽桑狄用伊壁鸠鲁与卢克莱修的语言重
新加以叙述；波义耳与牛顿在他们关于化学与物理学的思辨见解中也用了
它。从那时以后它又被搁置，虽然它仍然渗透在科学思想中。
到了十九世纪初年，它被人重新提出，以解释固、液、气物质三态的物
理性质，以及化学变化上的定量事实。
①
关于单位的定义，参看Report of theNationalPhysical Laboratoryfor1928。
推翻燃素说以后，人们对物质的三态或三相有了更清楚的认识。物质虽
然有三态，我们通常认识最清楚的总是其中一态，如我们认识最清楚的水经
常是液体；但水可变为三态中的任何一态，如冷凝则为冰，蒸发则为汽。随
着这种认识的进步，人们开始研究化学化合定律。气体的化合定律，最容易
发现，因此，气体就不再是一种神秘的、半灵魂的实体，而与其他物体发生
关系了。
根据精密分析的结果，人们，尤其是拉瓦锡、普鲁斯特（Proust）与李
希特（Richter）等发现一个化合物始终丝毫不差地由同量的成分所组成（在
当时达到的精度下），这个定量化合的观念，在新化学的体系中起了重要作
用，虽然它和贝尔托莱（Berthollet）的有分量的见解是不相合的。水不论
是怎样得来的，总是氢与氧按1 与8 的比例而合成的。因此我们得到化合重
的观念，如以氢的化合重为1，则氧的化合重为8。两种元素以多种方式化合
成多种化合物时，一化合物中两种成分的比例与另一化合物中两种成分的比
例，常有简单的关系：在一化合物中14 分氮与8 分氧化合，在另一化合物中
则与16 分氧化合，恰为前者的两倍。可是在同位素发现后，这种定量化合的
概念稍有改变，以后还要谈到。
约翰·道尔顿（J。Dalton，1766—1844 年）是威斯特摩兰（West…morland）
一个手机织工的儿子，在他做小学教员的稀少闲暇里，学得一些数学与物理
学的知识。他在曼彻斯特得着一个教书的位置，开始他对气体的实验。他看
到气体的性质最好用原子论去解释①，后来他把这种观念应用到化学上去，指
出可以把化合的现象解释209 为具有确定重量的相异质点的结合，而每一元
素的质点都有其特定的重量。他说②：
物体有三种不同的区分或三态，特别引起哲学的化学家的注意，即弹性
流体、液体与固体三词所代表的状态；我们所熟悉的很有名的例子是水，它
在某些情况下，可以具有三种状态。在蒸汽，我们看见它是完全弹性的流体，
在水，是完全的液体，在冰，是完全的固体。这些观察结果默默地引到一个
似乎得到公认的结论：凡有相当大小的物体，不管它是液体或固体，都是由
无数极微小的质点或原子所组成，他们为一种引力所束缚，这种引力因情况
不同而有强弱的差异。。。
化学的分解与合成不过是把这些质点分开或联合。物质的新创或毁灭是
不在化学作用的能力范围之内的。我们要想创造或毁灭一个氢的质点，和在
太阳系里增加一颗新的、或毁灭一颗固有的行星，一样的不可能。我们所能
做到的改变，只是把粘着状态下或化合状态下的质点分开，以及把原来分离
的质点联合起来而已。
在一切化学研究里，人们都正确地认为。弄清化合物中简单成分的相对
重量，是一个重要的目标。不过，不幸的是，过去化学的研究就停止在这里；
人们本来很可以从物质的相对重量，推出物体的终极质点或原子的相对重
量，由此看出，它们在各种其他化合物中的数目与重量，用来帮助和指导我
们未来的研究和改正研究的结果。因此，本书的一个重大目标，就是说明测
定下列几个量的重要性和好处：单体与化合物中终极质点的相对重量，组成
．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
① TheAbsorption of Gcses by Water，ManchesterMemoirs，2nd Series，Vol。1；1803；p。271
②
JohnDalton，New systems of Chemical Philosophy；Manchester，1808 and1810。Reprintedinthe Cambridge
Readings in Science，p，93。
一个复杂质点的简单基本质点的数目，参与构成一个较复杂质点的比较不复
．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
杂的质点的数目。
．．．．．．．．
如果有A 与B 两个可以化合的物体，以下为从最简的化合开始的各种化
合的可能次序，有：
A 的1 原子＋B 的1 原子＝C 的1 原子，二元的。
A 的1 原子十B 的2 原子＝D 的1 原子，三元的。
A 的2 原子十B 的1 原子＝E 的1 原子，三元的。
A 的1 原子十B 的3 原子＝F 的1 原子，四元的。
A 的3 原子十B 的1 原子＝G 的1 原子，四元的。
我们可以采取以下的通则，作为一切关于化学化合的研究的指针：
1。如果两物体化合时只得出一种化合物，我们必须假定这种化合是二元
的，除非有某种造成相反情况的原因出现。
2。如果发现有两种化合物，则必须假定它们一个是二元的，一个是三元
的。
3。如果有三种化合物，则可预料一个是二元的，其他两个是三元的。。
等等。
把这些规则应用到已经查明的化学事实上去，我们得到以下的结论：1。
水是氢与氧的二元化仑物，这两种元素的原子的相对重量约为1：7；2。氨是
氢与氮的二元化合物，这两种元素的原子的相对重量约为1：5；3。氧化氮的
气体是氮与氧的二元化合物，它们的原子重量为5 与7；4。氧化碳是由一个
碳原子与一个氧原子构成的二元化合物，共重约为12；碳酸气是三元化合物
（有时也是二元的），它有一个碳原子和两个氧原子，共重为19；等等。以
上各种情形，都是以氢元素的原子为单位来表达其他元素的重量。
道尔顿的叙述，自然包含着当时难免的错误：例如他将热看做是一种微
妙的流体；他的化合重量也不精确，如以氢为单位时，氧的重量应该是8，
而他定为7。他假定，如两种元素的化合物只有一种，便应看做是一个原子
与另一个原子的结合。这种假定也不是普遍适用的，因此，他对于水和氨的
结构才有错误的观念。虽然这样，道尔顿把模糊的假说变成了确定的科学理
论，的确取得科学史上的重大进步之一①。
道尔顿在小圆圈中加上点、星和十字等记号来代表元素的原子。这个方
法后来为瑞典化学家柏采留斯（Berzelius，1779—1848 年）加以改进，形
成我们现今所用的体系，即用字母为符号去代表同一个元素的原子量相当的
该元素的相对质量。例如H 不是模糊地代表氢元素，而是代表等于1（1 克、
1 磅或其他单位）的氢的质量；O 代表等于同一单位的16 倍的氧元素的质量。
柏采留斯的主要实验工作，是在当时可能范围内，用最大的精确度来测
定原子量，或者说等价的化合量。他也发现了几个新元素，研究过许多化合
物，更在矿物学的研究上，揭开了一个新的篇章。他与戴维（Davy）联合确
立了电化学的基本定律，并且看到电极性与化学亲合力之间的密切关系。他
把这观念推广得太远，而为当时所难了解：他认为一切原子都含有阳电或阴
电由于其相对力量，它们才化合。他认为每一化合物都是带异性电的两部分
所组成。如果几个化合物互相化合，我们可以设想那是由于多余的异性电荷
①
A。J。Berry，ModernChemistry，Cambridge，1946。
的作用。这个二元论的理论不够应付日益增进的知识，到211 有机化学兴盛
时，就为基型说所代替了。现在我们明白化学和电两种现象有密切的关系，
不过不如柏采留斯所想象的那样简单。
当人们对气体化合现象加以更广泛的研究时，道尔顿原来的原子观念，
便表现出有缺陷。盖伊…吕萨克（Gay 一Lussac，1778—1850 年）表明气体
化合时，其容积常有一定的简单比例，阿伏伽德罗伯爵（1776—1856 年）在
1813 年指出：根据道尔顿的理论，和盖伊—吕萨克的观测，我们可以推断一
切同容积的气体所含的原子数，必定彼此有简单的比例。安培于1814 年独立
得到相同的结论，但被人忘记或忽视了，到1858 年，坎尼查罗（Cannizzaro）
才再度澄清了这个问题。到那时，人们才从气体化合的事实以及从物理学的
考虑看出，有必要把化学上的原子和物理学上的分子区别开来。化学上的原
子是物质参加化合的最小部分；物理学上的分子，是能自由存在的最小质点。
表达阿伏伽德罗假设的最简单方法，是假定同容积的气体含有同数的分子。
以后我们还要说明这结果可用数学方法从物理学上的一个理论推导出来，这
个理论假定气体的压力是由于它的分子常在不断地运动和碰撞而产生的。
但回到水的问题来，二容积（即二分子）的氢与一容积的氧化合，而得
二容积（或二分子）的水汽。解释这些关系最简单的理论，是假定物理学上
的氢分子与氧分子，每一分子都含两个化学原子，而水汽分子具有可以用H2O
代表的化学结构，因而这变化可以下列方程式去表示：
2H2十O2＝2H2O
（2 容积）（1 容积）（2 容积）
这样，既然氧的化合量是8，而一个氧原子可以和两个氢原子化合，如
果取氢的原子量为单位，则氧的原子量应是16 而非8。所以在决定各元素的
原子量以前，我们必须将道尔顿的化合量加以调212 整，使之合于后来实验
所发现的事实。首先按照所有证据系统地进行了这番工作的就是坎尼查罗。
由于一个氧原子和两个氢原子化合，我们就说氧的原子价是
2。原子价的观念，是以后许多年间大部分化学思想的基础。
已知的元素已经由道尔顿所认识的二十个增加到现在的九十多个①。元素
发现的工作，是在间歇不定中进行的。当一个新的研究方法应用到化学问题
的时候，就常常会发现一串新元素。电流的分解力使戴维爵士（1778—1829
年）在1807 年分离出碱金属的钾与钠。稍后光谱分析使我们发现铷、铯、铊、
镓等物质。放射性的方法使我们发现了镭和它同族一类元素，阿斯顿的摄谱
仪又使我们发现了许多同位的元素。
1815 年，普劳特（Prout）就已经在研究元素的原子量与其物理性质之
间的关系，随后纽兰兹（Newlands）与德·肖库土瓦（deChaucourtois）也
研究了这个问题。1869 年，迈耶尔（Lothar Meyer）与俄国化学家门得列
耶夫（Mendeleeff，1834—1907 年）成功地证实了这种关系。门得列耶夫把
元素按其原子量的顺序，由轻到重排成一个表时，发现它们有一种周期性—
—象纽兰兹所指出过的那样，每第八个元素都有一些相同的性质，一切元素
可以照这样排成一表，使同性质的元素归到一栏里去。利用这样制成的周期
表，可以把正确的原子量给与原子价未定的元素，表中的空白由门得列耶夫
根据假设加以填补，这样他就预言了一些未知元素的存在及其性质，其中一
① 迄至1964 年底这数字是103 个。——译注
些后来竟被人发现了。
门得列耶夫认为他的周期表只是纯粹经验事实的叙述。但这样的关系却
不可避免地使人回到物质有共同基础的老观念上去。许多人以为这个共同基
础可能就是氢，他们想证明如以氢的原子量为单位，其他元素的原子量全都
是整数。虽然许多元素的原子量接近整数，但有几个元素，例如氯（Cl=35。45）
顽固地不遵从这213 个方案，斯塔斯（Stas）等人增加测定原子量的精确度
以后，也不能消除这个偏差。要证明物质具有共同基础并把原子量归结为整
数，还得等候半个世纪；这种工作是当时的实验和理论能力办不到的。
电流
我们在上面叙述的各种类型的起电仪器，都主要是用来把静电荷赋予某
种绝缘体的。的确，如果使起电机接地，形成一个导电通路，则在这电路中
就有一点电流通过。不过，就是在最优良的摩擦起电机中，每一秒钟通过的
电量也都非常之少，以致要想在这电路上发现电流，那是很困难的，虽然，
如果在导线中留一个空气间隙，则这起电机所生的高电位差，可以产生可见
的火花。十九世纪初，伽伐尼或伏特电池的发明，开辟了一个新的研究领域。
这种电池引起了一系列现象，最初，称为伽伐尼流，经过许多人的努力，慢
慢地和另外一系列以电得名的现象联系起来。我们终于明白所谓伽伐尼流，
正是电的流动，只是和起电机所生的电量比起来，大很多，但其电位差却比
电机所生的电位差小得不计其数。由于在电路的任何一点上都不能发现积存
的电，我们也不妨把电流比做一种不可压缩的流体在不可伸长的刚性管内的
流动。伏特电池是由于偶然的观察而发现的。这个发现，最初似乎要引到另
外一个方向去。1786 年左右，意大利人伽伐尼发现蛙腿在起电机的放电的影
响下发生收缩。在这次观察之后，他又发现：如果使神经和肌肉同两种不相
类似的金属连接起来，而使金属互相接触，也可以得到同样的收缩。伽伐尼
把这些效果归因于�
