原子的世界
目錄 第一章

第一章

1.1 前言
  早在西元前400年左右,古希臘人劉基伯 (Leukippos 約在西元前500至440年) 認為原子係在虛空中作漩渦運動而產生萬物,他成為原子說的奠基人之一。劉基伯的弟子也是希臘人德謨克利特 (Democritus 約在西元前406至357年) ,與劉基伯並稱為原子說的創始人,他認為宇宙萬物皆由極小的、不可再分的「原子」構成。原子沒有性質上的不同,只有形狀、次序和位置的不同,從而形成成千上萬形形色色的萬物。「空虛」是原子運動的場所和必要條件,原子在空虛中急劇而零亂地運動,互相碰撞和互相結合而形成世界。
  伊壁鳩魯 (Epicurus,約在西元前341至270年) 亦為古希臘人,進一步發展了原子論,認為原子有內部組成但不可分。除形狀和大小外,原子的重量是主要的特性。這原子論比以前的任何學說都接近於現代觀,是古代唯物主義自然觀發展的高峰。
  此外,在古希臘還有阿那克薩戈拉 (Anaxagoras) 提出「種子」說,認為萬物的本源是種子,它們帶有各種形狀、顏色和氣味。
  德謨克利特主張:黑色相對應於粗糙的原子,白色相對應於光滑的原子。這主張隱含著:原子並不是巨觀 (或宏觀) 物體的一種具體而微的「種子」,因此並不具有巨觀 (macroscopic) 物體的一般性質,它們是屬於物質構造的另一個層次,在這個層次堨i以存在著不同的規律。

1.2 古羅馬人的看法
  古羅馬人盧克萊修 (Lucretius,西元前99-55年) 的長篇詩作物性論 (De Rerum Natura) 對於前述的原子學說作了較完整與系統化的整理。他以西方的字母為例,為數不多的一組字母,僅僅由於它們排列次序的變化,就組成了意義既不相同,發音也各有別的許多詩句。因而,作為事物基礎的原子,它們能有更多不同方式的結合,因此不同的東西就能一一產生,他還從射進室內的陽光束中看到的塵埃微粒的運動和撞擊,說明物體雖然整體看來是靜止的,但原子仍在不可見的狀況下運動。
  盧克萊修認為,原子有各種各樣的形狀。例如,堅硬的物體是由許多帶?的原子緊密糾結而成的;而流體的原子則是光滑的圓形微粒,因此易於流動。他還進一步強調:原子是無色的,原子也沒有熱、聲音、氣味,原子也沒有感覺、色覺、熱感、聽覺和嗅覺等,一切視乎原子的大小、姿態、排列和運動而定。甚至愉快和痛苦乃是由原子的形狀決定的。例如,平滑的原子引起甜蜜的感覺,帶倒?的原子產生辛辣和苦味等等。這種早期的猜測的確是太簡單了,但其中正包含了原子學說的核心,即巨觀物質的性質,是由這些物質所組成微粒的特性、運動和相互作用而決定的。
  古代原子論,一方面直接違悖了希臘大哲學亞里士多德 (Aristotle西元前384-322年) 關於自然界到處是充實的而不存在真空的權威論斷,因而備受批評和壓制。另一方面,古代的原子論者們又都是富有影響的唯物主義哲學家,使得原子論的命運同唯物論哲學的興衰聯繫在一起。而且,長期以來,原子論一直停留在簡單的設想的階段上,使人覺得它只是一種空泛的議論,因而在近代科學出現之前,原子論沒有產生什麼重要的影響。
  唯物主義的物質觀卻以比較「抽象」的原子論表現出來,事實上,古希臘在原子論之前,就出現了關於物質組成的另一種學說即元素說。至於什麼是組成物質的基本元素,古希臘人泰勒斯 (Thales 西元前624-547年) 認為是水,也是古希臘人阿那克西美尼 (Anaximenes 西元前588-524年) 認為是氣,而赫拉克利特 (Heraclitus 西元前495-435年) 則認為是火。後來,恩培多克勒 (Empedocles 西元前495-435年) 在這幾種元素之外再加上土,發展為四元素說,主張物質由火、氣、水、土這四大元素組成,如圖1.1所示。

1.3 中國古代的想法
  大概在同一時期,中國古代也有一種類似五行學說,即以水、火、木、金、土這些稱為「五行」的物質元素為構成萬物的根本。在西元前400年以前成書的「尚書」 就記載有五行:一曰水,二曰火,三曰木,四曰金,五曰土,而在紀元前400年左右所作的「國語」 塈顝確寫道:故先王以土與金、木、水、火雜,以成百物。以上這些說法無疑都反映了古人對自然界的物質構成的另一種比較直接的認識。
  在東方墨翟 (約在西元前468-376年,見圖1.2) 為戰國時期的墨家 。墨家著作的總集叫做「墨子」,其中有篇「墨經」說:「端;體之無序最前者也」。「端」是組成物「體」的無可分割 (即無序) 的最原始的東西 (即最前者) 。這「端」就是原子的概念了。墨經又說「端是無同也」,意思是說一個「端」堥S有共合的東西,所以無可分割。另戰國時期的公孫龍 (約在西元前320-250年) 有一句名言:「一尺之棰,日取其半,萬世不竭」。這等於說木杖 (即棰) 可以無限地分割,也就是說物質的組成是連續的,和不可分割的理論成尖銳的對立,其臆想實在令人驚奇。
  在戰國時期的儒家著作「中庸」指出:「語小,天下莫能破焉」。宋代朱熹 (西元1130-1200年) 解釋:「天下莫能破是無內,謂如物有至小而可破作兩者,是中著得一物在;若無內則是至小,更不容破了。」這堜珨〞滿u莫能破」、「無內」,也就是不可分割的意思。這就論證了物質有不可再分割的最原始單位,就相當於古典原子學說中的原子概念。20世紀初,清末民初嚴復翻譯英文名詞atom為「莫破」或「莫破塵」,「原子論」譯為「莫破質點律」。
  原子這個詞,源於希臘文ατομο?,意思是「不可分」,用現代的話說,即是不可分割的微粒。梁啟超 (1873-1929) 在「墨子校釋」解釋說:物理學上之「極微」即端也,凡質礙之物,皆得析之為分子,分子更析為原子,更析為電子;電子則在今以為不可析,幾乎端矣,端不可析,故無間;無質礙,故無厚;為一切物質之原,故云在前,即認為這媮羲漪O物質的分割問題。梁啟超也指出,上述的「序」應為「厚」,「同」應為「間」。
  戰國時期的名家 惠施 (約在西元前365-310年) 曾說:「其小無內,謂之小一」。「小一」這東西不再有內,也就無法再分割了,即是最原始的微粒。那些主張物質不可無限分割的人,則是認識到了分割的「關節」。現代物理學正不斷發現著越來越多的所謂「基本粒子」 (見第十一章) ,揭示出物質的無限可分性。上述中外哲士提出的理論,是古典原子說的雛形,也是原子科學史上光輝遺產!
  李約瑟 (Joseph Needham, 1900-1995,見本章附錄) 在研究了「墨經」堛漱@些有關論述之後,也認為講的都是數學問題,其中的「端」則是一種「幾何原子」的概念,和物質結構沒有什麼關係。李約瑟還提到,有人主張西方的原子論得益於他們的拼音文字的啟發,而中國人的象形文字則缺乏這種提示。李約瑟認為,這種說法不能成立,因為,漢字雖然不是由拼音字母組成的,但也可以分解為數目不太多的一兩百個部首,甚至可以進一步分解為幾種到十幾種基本的筆劃。看來,中國古代原子論思想不發達,還要到其他方面去找原因。
  中國古代雖然不以物質微粒結構的觀念見長,但很早就提出了物質本原的「元氣說」。例如,約在西元前400年成書的老子道德經就提出:道生一,一生二,二生三,三生萬物,萬物負陰而抱陽,衝氣以為和。後來,很多人都把氣當做充滿著宇宙的一種物質原素。例如,宋代張載 (1020-1077) 提出:太虛即氣,太虛無形,氣之本體;其聚其散,變化之客形爾。太虛不能無氣,氣不能不聚而為萬物,萬物不能不散為太虛。明代王夫之 (1619-1692) 也指出陰陽二氣充滿太虛,此外更無它物,亦無間隙。凡虛空皆氣也,聚則顯,顯則人謂之有,散則隱,隱則人謂之無。他們認為,空間中充滿著元氣,由於陰陽二氣相互作用及其聚散變化,產生了宇宙萬物。清末譚嗣同 (1865-1898) 繼承了這一學說,並且結合了從西方傳來的近代科學知識,指出夫天地非幻,即聲光亦至實,聲光雖無體,而以所憑元氣為體。他還進一步把氣認做是物理學中的以太 (ether) 作為一切事物的「原質之原」。以太是德語,意為「天上非常澄清的空氣」。據說實驗用的液體以太 (醚) ,蒸發後的氣體會令人感到舒服的氣味,所以起了這個名字。
  雖然,像古希臘的原子說一樣,中國古代的元氣說亦只停留在一種簡單的猜測,未能形成一種真正的科學理論。但從中可以肯定的是,這種氣或者元氣是一種連續狀態的物質,看來可以作為對以原子論為代表的物質的離散結構的一種必要的補充。除了一般把氣的概念同現代物理學的電磁場之類的物質形態相聯繫之外,還可以有另外一種體會。注意到張載還講過:「氣聚,則離明得施而有形;不聚,則離明不得施而無形。」顯然,在他看來,氣和物是物質的兩種存在形式。氣和物必定會互相轉化,但氣是無形的,不能為我們感覺到,物是有形的,可以被我們感覺到。所以,也可以把元氣論裡的氣,理解成一種非實體的而是潛在的場描寫的,原則上是不能被我們直接感知的一種物質存在形式。在人們對物質及其運動的研究不斷深入的過程中,必定會認識到物質存在的一種又一種的新形式。在這方面,古代哲學思想常常會給我們以有益的啟示。

1.4 近代原子論的復興
  近代科學的原子學說的建立,首先要歸功於英國的道爾頓 (John Dalton, 1766-1844) 。道爾頓 (見圖1.3) 出身貧寒,年輕時做過多年鄉村教師。他是從氣象學的觀測和研究開始自己的科學事業的。早在1793年就出版了一本「氣象學觀測與探討」。從他的實驗所表明的水的蒸氣壓只決定於溫度的規律,道爾頓認識到蒸發是一種物理過程,而不是像當時大多數人認為是一種化學過程。對於混合氣體的分壓和溶解等方面的研究,更使他加強了這種觀念,而把主要精力投入到對氣體的物理性質的研究上去。
  另一方面,從1661年英國波以耳 (Robert Boyle, 1627-1691) 在「懷疑派化學家」一書堙A提出應當努力識別各種不同的純粹化學物質開始,直到拉瓦錫 (A. L. Lavoisier, 1743-1794) 在1789年出版的「化學綱要」一書堙A關於物質元素及其同原子論假說的關係所作的深入分析,通過一個多世紀的發展,已經明確建立起化學元素的概念。在同一時期,在對大量的化學反應進行了定量研究的基礎上,法國化學家普魯斯 (J. L. Proust, 1754-1826) 於1799年總結出定比定律,即「兩種或兩種以上元素相化合成某一化合物時,其重量的比例是自然一定的。」化學理論在這方面的進展,亦為道爾頓的原子學說提供了必要的啟示。
  1789年法國爆發大革命,拉瓦錫因曾在包稅局投資50萬法郎,1794年5月8日被送上斷頭台,年僅51歲。法國著名數學家拉格朗日 (J. L. Lagrange, 1736-1813) 於翌日 (5月9日) 感慨地說:「要砍掉這個頭,只需要一剎那,但是想再造一個這樣的頭,恐怕100年也不見得會成功。」
  具體說來,道爾頓先是在對混合氣體的研究中,總結出分壓定律,即混合氣體的壓強是等於各種組分氣體的分壓之和。1801年,在關於分壓定律的工作堙A他還認為混合氣體中的不同氣體的組成粒子之間並不發生相互作用,而相同的氣體粒子則互相排斥,因此每種氣體表現出的分壓強,就像其他氣體組分不存在一樣。1802年,道爾頓又指出,氣體溶解於水,不是靠化學親和力,而只是靠壓強。1803年,他的朋友、化學家亨利 (W. Henry, 1774-1836) 發現了氣體在水中的溶解與其壓強成正比的實驗定律。同年秋天,道爾頓出論文「論水對氣體的吸收」。在這一工作堙A將亨利發現的定律同他自己的分壓定律相結合,並運用到混合氣體的溶解上去。在這篇文章中關於原子學說的討論堙A道爾頓還補充了他從別的實驗得出的一個「氣體和其他物體的基本粒子的相對重量表」,即有史以來的第一個原子量表,這篇文章是在1805年正式發表的。
  根據道爾頓的筆記本所載,在1803年秋天,他已經寫下了原子學說的基本假設,即每種化學元素都由一種具有特定質量的原子所組成,他稱為「簡單原子」,而化合物的「複雜原子」則由按簡單整數比的不同元素的原子結合而成。後來,在1808年開始出版的「化學哲學的新體系」這部著作堙A道爾頓系統地闡述了他的原子學說。
  法國物理學家查理 (J. Charles, 1746-1823) 早在1787年就發現了,在壓強不變的條件下,氣體容積的增加同溫度的昇高成正比。道爾頓經由自己的實驗對查理定律進行驗證之後,又提出一個氣體的原子模型來解釋這種受熱膨脹的現象。受到牛頓氣體模型的影響,道爾頓採用的也是一種靜態模型。不過,在牽涉到熱現象的時候,牛頓的純力學模型不能滿足道爾頓的要求,所以他必須引入一種新的機制。為了解決這個問題,道爾頓首次在原子結構中引進當時已經得到廣泛承認的熱物質即「熱質」。他假設,氣體原子由一個很小的中心質點和包圍著這個質點的熱質組成。熱質圍繞中心呈球形分布,離中心愈遠則愈稀薄,好像地球周圍的大氣一樣,所以我們也可以把這種熱質的大氣稱為「熱氛」。這些原子基本上是靜止的,相鄰的原子由於其熱氛互相接觸而彼此推斥,所以每個原子會占據一定的體積,而整個空間則被這些帶著熱氛的原子所充滿。當溫度昇高時,每個原子會含有更多的熱質,它的熱氛會占據更大的體積才能達到平衡,因而氣體就會膨脹。與此同時,道爾頓只要重複關於同種原子之間有互相逃離的傾向,而不同種類的原子之間並不作這樣的假定,就容易解釋氣體的分壓定律,以及他很早就關心的大氣的不同成份為什麼均勻分佈而不按重量分層推積的難題。
  道爾頓從對氣體物理性質的研究提出來的這種原子模型,除了可以很方便地說明化合元素重量的定比定律之外,也可運用到兩種元素可以有多種不同化合物的情形。1804年,道爾頓在對幾種碳氫化合物進行定量研究之後,明確地提出了倍比定律:「當相同的兩元素可生成兩種或兩種以上的化合物時,若其中一元素的重量琠w,則另一元素在各化合物中的相對重量有簡單倍數比。」
  當時的定量化學分析的精確度並不高,而且,在開始確定一些化合物中不同原子的數目比例 (即後來的分子式) 時,除了猜測之外亦別無良法。在這方面,道爾頓不得不作出一個大膽的假設,即認為兩種元素形成化合物時,兩種原子結合的最優先比例是1:1。例如,按照這一假定,水是氫1氧1,而氨則是氮1氫1等。可以想像得出,道爾頓由此得出的許多元素的原子量的數值,必定是相當混亂的。
  當1808年法國化學家給呂薩克 (J. L. Gay-Lussac, 1778-1859) 發表了關於反應氣體化合體積的定律之後,矛盾就出來了。給呂薩克經由一系列的精密實驗,得出結論說:「各種氣體在彼此起化學作用時,常以簡單的體積比相結合。」並且化合產物氣體的體積也同反應氣體的體積成簡單的比例。這一結果本來是對道爾頓原子學說在原則上的極好支持。但是,給呂薩克卻大膽地提出一個進一步的假設,認為在同溫同壓下,相同體積的不同氣體 (不論是元素還是化合物) 中,含有相同數目的原子。例如,實驗測定2體積的氫和1體積的氧化合成水,按照給呂薩克的假設,水的「複雜原子」 (分子) 堙A氫原子和氧原子數目的比應當是2:1,直接同道爾頓的1:1假定相矛盾。
  道爾頓斷然拒絕給呂薩克的假設,第一個原因就是兩人的假設會導出一系列不同的結果。其次,從實驗測定2體積的氫和1體積的氧化合成2體積的水蒸氣,道爾頓的解釋是每個氫原子和水原子所占的體積相同,並且等於一個氧原子所占體積的兩倍;按照給呂薩克,則只能得出一個水原子裡含有一個氫原子和半個氧原子這樣不合理的結論。道爾頓不僅不接受給呂薩克的理論,而且說他的實驗也做錯了。其實,這堛熔臚G問題的關鍵在於,爭論雙方都沒有料到,像氫和氧等一些常見氣體的分子,竟是由兩個相同原子組成的。
  1811年,義大利物理學家和化學家阿佛加厥 (Amedeo Avogadro, 1776-1856) 很快提出分子假說,解決這個問題的方案。他首先區分了原子和作為化學物質 (無論是元素還是化合物) 最小單元的分子。其次,他破天荒地提出,氣體元素的分子可以由不止一個相同的原子組成,從而為消除道爾頓的失誤鋪平了道路。最後,他認為在相同條件下,同體積的任何純的氣體含有相同數目的分子 (而不是給呂薩克所認為的原子) 。
  與此同時,阿佛加厥摒棄了道爾頓的靜態原子模型,而認為氣體分子連同周圍的熱質的尺寸,比分子之間的距離要小得多。這種模型自然有利於後來占優勢的熱的運動說,但卻難以同當時流行的熱質說取得一致。加以阿佛加厥的理論在細節上的毛病,以及當時原子量數據還不夠精確,都使得他的分子假說在長時期內沒有受到應有的注意和重視。
  經過半個世紀內許多化學家測定各種元素原子量的努力,特別是在能量守琠w律確立前後熱的運動說成功地取代了「熱質」說,1860年由義大利化學家康尼查羅 (S. Cannizzaro, 1826-1910) 總結並論證了阿佛加厥的原子-分子學說的成就,才使它終於得到科學界的承認。
  從這段歷史發展我們看到,其中一個關鍵的概念突破是認為相同的原子可以組成一個分子。如果說,像氯化鈉 (NaCl) 那樣的分子是由兩個帶不同電荷的氯離子和鈉離子,依靠異性相吸的電力維繫而成,這樣的機制易於被人接受的話,那麼,兩個相同的原子憑什麼可以結合成一個分子呢?當初阿佛加厥只是根據實驗數據的分析,為了使原子-分子學說能夠自圓其說而提出這一要求,並且籠統地說它們是靠引力相結合的。而對這種「共價鍵」 分子力的真正理解,則要等到100多年之後。1927年海特勒 (W. Heitler, 1904-1981) 和倫敦 (F. W. London, 1900-1954) 關於氫分子的解釋,把量子力學應用於化學鍵問題,才使人們瞭解到這種結合的本質,並且開創了量子化學的先聲。
  還有,原子為什麼不會「老朽」的問題,也要等到量子力學才得到解決。微觀 (microscopic) 粒子和巨觀物體遵從著完全不同的規律。「全同性原理」使原子和一切微觀粒子都永遠不會陳舊和衰老。它們一旦「破裂」,就變成別的粒子,亦即是說,只要保持為某一種粒子,它就總是「嶄新」而不可辨別的。由此可見,一種本質上正確的理論,在它建立起來的長時期內,仍然會隱藏著一些按傳統觀念無法理解的難題或疑點。一方面,這些問題的存在並不應當成為理論發展的障礙;另一方面,到了合適的時機,遲早是要對它們作出說明的。


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