科普-中华学生百科全书-第196章

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来的，空气助燃是带走可燃物中燃素的结果，甚至金属与酸的作用和金属的
置换反应也可以看成物质间的交换燃素的结果。在几十年时间里，它甚至比
波义耳、胡克等解释燃烧的学说更为流行。但燃素说有一个致命的弱点：有
机物燃烧后灰渣变轻了，无机物金属在燃烧后灰渣却变重了。当氧气及其性
质被发现之后，一切就真相大白了。
　　　　1777　年，拉瓦锡给科学院提交了《燃烧概论》的文章，他称这部分空气
为氧气（成酸元素），从而把燃素从燃烧中驱逐了出去，用真实的原因解释
了燃烧的本质。16　年后，这位化学家却因替政府承包收税而在法国大革命中
被处死。但这都是莫须有的罪名。
　　　　原子—分子说
　　　　道尔顿（1766～1844）是个英国乡村的小学教师。1803　年，提出了原子
论，认为物质由原子组成，并且根据一些化学实验计算出了一张最早的原子
量表（以氢原子量为　1，求得其他原子的重量）。原子论的中心思想是：元
素（波义耳的概念）由不可再分的原子组成，原子在化合和分解中保持原性
质不变。
　　　　道尔顿的理论是在拉瓦锡用实验方法发现和正确阐明了燃烧现象后提出
来的。近代化学进步的阶梯是：医药化学和冶金化学、元素说、燃烧理论、
原子理论，直到元素周期表的发现。

　　　　　　道尔顿提出原子论后，法国人盖吕萨克提出了一个假说：在同温同压条
件下，相同体积的不同气体含有同样多的原子数。当时盖吕萨克还没有分子
的概念，他把化合物称为复杂原子。
　　　　　　1811　年，阿伏伽德罗正确地指出；原子是参与化学反应的最小质点，分
子则是在游离状态下单质或化合物能独立存在的基本单位，单质分子是由相
同的原子组成，化合物分子是由不同原子组成，当压力一定时，一切气体在
相伺体积中含有相同数目的分子。
　　　　　　元素周期律
　　　　　　18　世纪后半叶，由于欧洲工业和技术的发展，人们陆续发现了一系列新
元素。19　世纪以来，这种发现的节奏越来越快，到　1869　年，化学家们已认
识了　63　种元素。
　　　　　　对元素的系统分类是俄国人门捷列夫（1834～1907）首先作出来的。
　　　　　　门捷列夫诞生在西伯利亚博尔斯克，父亲是中学校长，在彼得堡师范学
院毕业后，通过考取硕士研究生进入了彼得堡大学，并在那里很快地成了副
教授。1869　年，他通过长期的教学和研究，排出了第一张元素周期表，两年
后又完善和修改了这张周期表，并以《化学元素的周期性依赖关系》为题发
表了第二张元素周期表。他明确地指出：元素及其化合物的性质与元素的原
子量有周期性的依赖关系，门捷列夫大胆地纠正了一些元素的原子量，把它
们放在表中更合适的位置上（但他也弄错了几个），并且在表中留下了空格，
预言了　6　个未知元素和它们的性质。不久这些元素就被一一发现了。于是，
门捷列夫的周期表便成了化学的“圣经”。

　　　　　　　　　　　　认识热现象

　　　　　　热是一种运动
　　　　　　近代人们对热的研究是从测热开始的，当时人们不能把热和温度区别开
来，认为二者是一回事。
　　　　　　培根、笛卡尔、波义耳、阿蒙顿、胡克、牛顿等人都曾认为热是一种运
动，但他们没能用有力的实验来说明这个认识。拉瓦锡、拉普拉斯以及对比
热研究做出最大贡献的布莱克都坚持把热看成一种特殊的物质。1798　年，由
于倾向于保守党人而在革命战争中被迫逃往欧洲的美国人本杰明·汤普森
（1753～1814）在德国监制大炮时发现：钻炮膛时，炮身上和铁屑中产生的
大量热，不可能是由于空气和金属中的热质所供给的，而可能是来自钻头的
运动。为证实自己的想法，他用钝钻头连续工作了两个半小时，所产生的热
使大量的冷水沸腾了。1799　年，英国化学家戴维在真空中摩擦冰块，使其溶
化，同样对热质说提出了质疑；真空中没有介质，两块冰的比热一样，溶冰
的热量只能产生于摩擦运动。但在当时，热是一种运动的概念还未立即取代
热质说。
　　　　　　能量守恒与转化定律
　　　　　　焦耳在年轻时就已经是曼彻斯特一个大啤酒厂的主人，同时也从事电磁
研究。1840　年，焦耳已发现了著名的表示电流热效应的焦耳定律：
Q＝0．24I2RT。焦耳的发现在遭到一段冷遇后得到了科学界应有的评价，从而
确立了热是一种能量的概念，而支持焦耳的开尔文则把一个热力学系统的热
力转化过程同气体分子内能的变化联系起来，在　1853　年给出了热力学第一定

律的数学公式：△u＝A＋Q。这一定律表明，如果系统在不吸收外部热量的情况
下对外做功，就必须消耗自身的内能。这一定律指出，历史上企图创造的既
不需要外界传递能量，又不消耗系统内能的第一类永动机是不可能制造出来
的。热力学第一定律所表示的关系也可以推广到如电磁、化学等形式的能量
转化过程中去，从而被理解为广义的能量守恒与转化定律。它是自然界基本
的定律之一。
　　　　由于能量守恒与转化定律是处处都在起作用的普遍规律，并且包罗了各
种自然界的能量转化过程，它恰好被许多人在这一时期同时独立地以不同形
式、不同程度地发现了。
　　　　分子运动说
　　　　当阿伏伽德罗的分子概念在　19　世纪后半叶被人们普遍接受后，克劳修斯
对宏观的热力学现象作了微观的动力学研究和解释：气体是由大量运动着的
弹性质点——分子组成的，气体分子运动时，通过各个方向上的不规则的相
互碰撞，交换动量和动能。气体的压力便是气体分子对器壁碰撞的总效应。
运动的速率（不考虑方向的速度，作为标量的速度值）随气体的温度升高而
增加，气体的热能就是分子运动的平均动能。这样，他就对气体的压力和温
度作出了微观解释。克劳修斯还从若干参数出发，导出了气体温度、压力与
分子平均动能之间的关系的数学表达式。
　　　　1860　年，英国人麦克斯韦（1831～1879）用概率统计的方法发现气体处
于热平衡时，尽管个别分子运动的速率大小是偶然的，但从整体来说，大量
气体分子的速率分布却是遵从一定规律的，在一定速率区间运动的分子数目
是相对确定的。这一规律便是气体分子速率分布规律，它是气体分子论的基
本规律之一。

　　　　　　　　　　认识电磁现象

　　　　对静电的研究
　　　　古代人们已经知道，琥珀和皮毛、玻璃和丝绸摩擦后会吸起轻小物体，
这实际上是静电引力。吉尔伯特也研究过物体之间的摩擦起电现象。
　　　　在此之后，德国人盖里克（1602～1686）创造了第一台静电起电机——
用手与转动的硫磺球摩擦，使球体和人体都带电。利用这种方法，他发现是
可以通过金属杆传导给另一个物体，并发现了感应起电现象。
　　　　荷兰莱顿大学的穆欣布罗克（1692～1761）正在用起电机使瓶内的水带
电，他的一个朋友的手接触到插在瓶中的铁丝后，被突然一击，这便是电震
现象。后来，穆欣布罗克根据这个实验，发明了莱顿瓶。这种静电存贮设备
的发明，使电学实验更为普遍和方便，在当时被视为一大发明。
　　　　本杰明·富兰克林（1706～1790）。这位年轻时的印刷徒工、热心于新
闻事业的企业家、用勤勉和艰苦奋斗精神教导别人的说教者、以自己的名望
和杰出才能在法国宫廷为危难中的新国家取得支持的外交家，也是电学研究
的一个先驱。
　　　　富兰克林最著名的实验是　1752　年所做的风筝实验。根据这一实验，富兰
克林发明了避雷针，这一伟大发明为工业社会的高层建筑增加了安全系数。
当然，经验证明，这不是绝对的安全，因为如果放电是振荡性质的，避雷针
可能失效。

　　　　电流的发现
　　　　意大利人伏特用舌头含着一块金币和银币，当用一根导线把它们连接起
来时，就感到了苦味。最后认识到：金属的接触是产生电流的真正原因（当
两块相同的金属接触时，只有在它们的温度不同时才会产生电流，称为温差
电效应；但当不同的金属接触时，在相同温度下亦会产生电流，这是由于接
触电势差造成的）。伏特根据他的发现制成了用锌板和铜板作为两极的伏特
电堆，这是最早的能提供稳定直流电的电池。这一发明为　19　世纪电学的实验
和发展提供了最重要的工具。由于这一发现和发明，伏特的名字成为电势（电
压）的基本单位。伏特因而被法国皇帝拿破仑邀请到法国讲学。
　　　　电动力学的诞生
　　　　对静电的研究和电流的发现，导致了电学方面的一场科学革命。
　　　　法国人安培发现：通电导体不但会对磁针发生作用，而且两根通电导体
也会相互作用。当它们有同向电流时相互吸引（与静电荷不同，相同静电荷
相互排斥）。当它们有反向电流时则相互排斥。在　3　年后，安培完整地发现
了电流使磁体偏斜的方向法则——安培法则（右手螺旋法则），并且给出了
这一法则的完美数学形式（安培定律和安培环路定律）。由于他在电动力学
上的开创性贡献，使安培的名字成为电流的单位（然而，安培生前的生活并
不如意，他的父亲在革命中被斩首，这使年轻的安培精神上受到了刺激。他
的晚年是在荣誉后面的忧虑和苦恼中度过的）。
　　　　更重大的发现接踵而来。英国大化学家戴维的助手法拉第（1791～1867）
自　1822　年以来一直思考和尝试着把磁转化成电的设想。他试图用磁产生电。
1831　年，他终于成功了。他在实验中发现：当原线圈中的电流接通或断开时
的瞬间，连接的次级线圈中会产生电流。他在反复实验中认识到：当闭合电
路的磁通量发生变化（磁场强度发生变化）时，线路里就会产生感生电流，
感生电动势的大小与闭合线路中磁通量的变化率成正比。同一时期，美国人
亨利（1799～1878）甚至比法拉第更早独立地发现了电磁感应现象，但法拉
第在　1825　年便担任了英国皇家研究院院长，由于他的地位和他对电磁世界的
理论解释，使他的影响大大超过了亨利。电磁感应定律的发现，为发电机和
电动机的制造奠定了理论基础，而法拉第也是这方面的先驱。
　　　　电磁学理论的大厦是由英国人麦克斯韦（1831～1879）最后完成的。在
领略到法拉第成就的意义之后，麦克斯韦企图用完善的数学形式来表达它。
1862　年，他论证了位移电流的存在，并预言：变化着的电场和变化着的磁场
会相互连续地产生，以波的形式向空间传播。这便是电磁波。10　年后，麦克
斯韦便把包括库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥和萨伐尔、法拉第等人发现的
定律以及他本人的位移电流理论概括为一组积分形式的方程式（共　4　条），
并因此导出了电磁场的波动方程。由于式中电磁波的传播速度就等于当时测
出的光速，麦克斯韦便预言：光也是一种电磁波。他的理论成了反映电磁运
动基本规律的普遍理论。麦克斯韦　1873　年出版的《电磁学通论》与牛顿的《自
然哲学的数学原理》和达尔文的《物种起源》同样被视为科学巨著。

　　　　　　　　　　　认识光现象

　　　　光的本质和特点
　　　　光是光子的运动。它是光源中原子或分子中的电子运动状态发生变化时

辐射出来的光子的运动。
　　　　他还最早开始全面地研究光。他发现，点光源发出光的强度随着被照物
体与光源距离的平方成反比减弱。他还发现，光从玻璃中折射到它与空气的
界面上时，如果入射角大于　42　度，就会发生全反射。
　　　　1621　年，荷兰人斯涅尔（1591～1626）发现了光的折射定律。
　　　　荷兰人惠更斯在波动光学上贡献最大。他发现了惠更斯原理——介质中
波动传播到的各点都可以看作是发射子波的波源，任意时刻这些子波的包络
就是新的波前。
　　　　牛顿在光学研究方面也是成果累累。他几乎总结了当时人们在光学方面
的所有成果——反射、折射、干涉和颜色。他用棱镜分解了太阳光，说明了
白光中包含了　7　种颜色光，发现了牛顿环，并定量解释了牛顿环和薄膜干涉，
还提出了对以后光学和物理学发生了重大影响的问题。牛顿这方面的成就集
中体现在他的《光学》一书中。根据他的大多数观点来看，他似乎把光看作
光源向各个方面阵阵簇射出来的粒子流。
　　　　红外线和紫外线
　　　　1800　年，天文学家赫歇耳发现在太阳光谱线的红外端以下所放的温度计
明显地受到了热辐射，从而发现了红外线。紫外线不会产生显著的热效应，
但却会产生一些化学效应。通过这个途径，英国人沃拉斯顿和德国人缪勒
（1809～1875）先后发现了紫外线。
　　　　1814　年，德国人夫琅合费（1787～1826）用他制成的分光镜发现了太阳
光谱中的暗线——夫琅合费暗线。他改进仪器后仔细观察，暗线竟达几百条！
当他把分光镜对准月球、金星和火星时，在这些星的光谱里也发现了那些暗
线，这一研究开创了天体分光学。后来，基尔霍夫（1824～1887）和本生（1811～
1899）对这些暗线的研究和解释表明，它们同太阳上的元素成分有关。这一
点，开始从化学上证明，天体和地球都是由同类化学元素构成的。

　　　　　　　　　近代技术的发展

　　　　纺织机器的革命
　　　　牛顿时代科学的发达又给英国人增加了精神上的优越感。一次悄悄的但
却是影响深远的技术革命随之发生了。这场革命是从英国最发达的、为海外
贸易而生产产品的纺织部门开始的。
　　　　1733　年，凯伊发明了飞梭，从此人可以不再用手抛梭织布了，织布效率
大大提高，使手工纺纱供不应求。5　年后，惠特制出了滚轮式纺纱机，这样
又不用手指纺纱了。
　　　　1764　年，哈格里沃斯（1720～1778）把单绽纺车改造成了多绽纺车，引
纱和捻纱都实现了机械操作，纺纱效率提高了十几倍。他以自己女儿珍妮的
名字称呼这个能纺出细纱的杰作。1768　年，理发师阿克莱特可能是剽窃了木
匠海斯的设计，制成水力带动的滚筒纺纱机，它能纺出不够均匀但却坚实的
纱。1774～1779　年间，当过童工的工厂主克伦普敦（1753～1827）综合了哈
格里沃斯和阿克莱特机器的优点，制出了骡机——它效率很高，纺出了既结
实又均匀的纱。这样又改变了纺织业的局面：在纺纱机面前，飞梭已嫌太慢。
1785　年，牧师卡特赖特（1743～1823）发明了自动织布机。这些机器的应用
使工厂的生产能力和利润直线上升，机器成了摇钱树。尽管它因造成工人的

失业而遭到了反对，但仍然逐渐在整个纺织业中迅速推广开了。到　1800　年
时，英国的纺织业已基本上实现了机械化。
　　　　蒸汽机的完善
　　　　1784　年，曾在格拉斯哥大学当过仪器制造工人的瓦特（1736～1819）把
纽可门的汽压机变成了能在各个工业部门应用的动力机，完成了在工业中将
热能转化成机械能的伟大勋业，使他的名字成为工业革命的象征。
　　　　瓦特出生在苏格兰偌克镇，他祖父教授数学。瓦特小时候，家里墙上挂
着耐普尔和