穿越时空的对话

杨秀芬

（江苏省高淳高级中学 江苏 南京 211300）

原子论的产生和原子内部奥秘的发现，在化学发展史中占有重要的地位，在这一系列的发现中，许许多多的科学家为此贡献了毕生的心血。他们顽强的探索精神和科学的探索方法给我们留下了宝贵的精神财富。当前实行新课程改革，将纯知识的学习转向能力的培养，突出知识与技能、过程与方法、情感态度价值观三大基本要素，新课改的要求与科学家的探索过程中的精髓不谋而合。但教材中对道尔顿原子论的内容涉及较少，其教法也值得我们探讨。笔者在校本课程和兴趣小组的教学平台上，对化学史的教学用“角色表演法”进行了尝试，主要用对话的方式展现英国化学家道尔顿（1766—1844）第一次科学、系统地提出原子论的主要历程。

一、对话实录

今人：你创立的原子学说对化学学科的建立和发展起了关键性的作用，原子论是近代化学的基础，你被恩格斯誉为“近代化学之父”。请问你是在什么历史背景下提出 “物质是由原子构成的”？

道尔顿：从公元前到17世纪中叶，人们一直在寻思物质是由什么构成的，他们的想法虽没有定论，但给了我一些启发。如：英国化学家波义耳以化学实验为基础建立了元素论，认为“只有那些不能用化学方法再分解的简单物质才是元素”。1789年，法国化学家拉瓦锡提出元素是“化学分析所能达到的终点”，这一认识丰富了波义耳的元素观，他还发表了包含33种元素的元素表。他们所指的“元素”是“原子”的雏形。

另外，1785年，拉瓦锡用实验证明了：化学反应发生了物质组成的变化，但反应前后物质的总质量不变。1791年，里希特发现了当量定律：酸、碱、盐之间的反应存在确定的定量比例关系；1799年，法国药剂师普罗斯提出了定组成定律：两种或两种以上的元素化合形成一种物质时，其质量之比是天然一定的；但人们还无法从理论上解释这些实验定律。前人在物质构成方面的研究成果和对这些实验性定律的困惑是我创立原子论的重要基石。

英国化学及物理学家道尔顿（J．Dalton）

今人：你在研究什么现象时提出“物质是由原子构成的”假想的？

道尔顿：我对气象做了几十年的观测，气体间的混合为什么总是很均匀引起了我的思考。我提出过很多解释，但总感到不满意或缺乏依据。1803年，根据气体的体积或压强随着温度的升高而增大这一事实，我把气体间的排斥力解释为热的作用，并且形象而明确地描述了气体微粒原子。在同年9月6日的笔记中，写到：“物体的最后——原子乃是在气体状态时被热质围绕的质点或核心”。也就是说，气体原子有一个处于中心的核，周围被一层热质所笼罩（形成热氛），即中心的核与周围的热氛组成一个气体原子，由于热氛的存在，气体原子之间产生排斥力；当温度升高时，这种热氛就增加，排斥力增大，气体的体积或压强就随之增大。

今人：原子论的主要观点有哪些？

道尔顿：1803年10月21日，在曼彻斯特的“文学和哲学学会”上，第一次阐述了关于原子论以及原子量计算的见解，并公布了第一张包含有21个数据的原子量表。其主要论点是：

（1）元素的最终粒子称为简单原子，它们极其微小，是看不见的，是既不能创造，也不能毁灭和不可再分割的。它们在一切化学反应中保持其本性不变。

（2）同一种元素的原子，其形状、质量和各种性质都是相同的；不同元素的原子在形状、质量和各种性质上则各不相同。每一种元素以其原子的质量为最基本的特征。

（3）不同元素的原子以简单整数比相结合，形成化合现象。化合物原子称为复杂原子。复杂原子的质量为所含各种元素原子质量的总和。同一化合物的复杂原子，其组成、形状、质量和性质必然相同。

今人：哪些实验或理论证明了假想的科学性？

道尔顿：一是我做了混合气体压强测定。将氮气和氧气混合，混合气体的总压强等于氮气和氧气的分压之和。于1801年提出气体分压定律，分压定律说明了气体具有扩散性，扩散性说明了物质的微粒性。

二是测定原子的质量（原子量）。原子是微粒，是质点，是物质的基本构成，它就应该有质量。不同的原子应有不同的质量，这是原子最基本的特性之一。只有赋予原子以质量的意义，我的原子论才不同于以往哲学臆测的原子论，而具有了科学定量实验的特征。在此之前，没有人进行这一方面的测量。为此，我决定测出原子量，这样才能使原子的存在得到确证。

三是我用原子论为基础导出：两种元素化合得到不止一种物质时，这些物质中的元素质量存在整数倍的比例关系——倍比定律，并得到证实。如，在分析一氧化碳和二氧化碳时，两种气体的碳、氧质量比分别为5．4∶7和5．4∶14，而两气体中氧的质量比为 1∶2。

四是用原子论能合理解释当时的质量守恒定律、当量定律、定组成定律等实验定律。

今人：反映原子论的著作是什么？

道尔顿：1808年，我最重要的著作 《化学哲学新体系》（第一册）出版，在书中全面阐述了原子学说及其实验根据，对1803年的原子量做了多处修正，还设计出一套符号来表示各种原子。

今人：提出“不同原子有不同的质量”、测量“原子质量”是你的原子论能超越前人的一个重要方面。你是如何测原子量（原子相对质量）的？

道尔顿：原子很小，无法测一个原子的质量，我想只能测各种原子质量的相对大小，即原子的原子量。假定在同温同压下，相同体积的气体含有相同数目的原子，可以测定气体的相对密度来算出原子的相对质量。但在氢、氧燃烧合成水的实验中，测得的水蒸气的密度反而小于氧气密度。而用当时原子的观点认为水蒸气的密度应大于氢气或氧气的密度，这一事实说明用气体密度法测原子量是行不通的。

今人：这是由于当时还没有弄清原子与分子的区别，还没有真正揭示物质的构成方式。

道尔顿：我转向用化学法测原子量。在拉瓦锡已测得水是由85份氧和15份氢组成的基础上，将氢的原子量定为基准值1，假定水是由一个氧原子和一个氢原子组成，氧原子质量约为氢原子质量的5．66倍，因此，得到氧的原子量为5．66。还假定氨气是由氮、氢组成的二元物，由分析结果（含氢20%，含氮80%）得出氮原子量约为氢原子的4倍，氮的原子量为4，以此类推，得到了最早的一张原子量表。

今人：你测出的数值和现在所测的数值相距甚远，误差主要出在水是由分子（2个氢原子与一个氧原子）构成，而不是一个氢原子与一个氧原子，其它物质的组成假定也有类似问题。但已使人们树立了原子量是原子的基本属性的观念，开辟了定量理论研究的先河，从而为你的原子论奠定了基石。

道尔顿：由于当时认识水平的限制，我只从“思维经济原则”出发，断定“水原子”由一个氧原子与一个氢原子构成，再加上当时的实验技术水平不足，导致实验精确度低，所测的原子量很不精确。同时也说明我犯了主观臆断的错误。

今人：你所创立的原子论在当时遇到什么困难吗？

道尔顿：正是由于原子量测得不准，在定量实验中使用不完全正确的原子量就得到不符合实际的结论，因而遇到了巨大的阻力。正因为此，戴维和法拉第认为没有必要相信原子论。1834年，法拉第电化学当量定律的发现，使人们更趋向于使用当量值进行定量研究，原子论更是“雪上加霜”。而原子量测定工作一再出现矛盾和反复，原子论几乎要“流产”。我虽然一时无法改变这一局面，但许多事实又证明了原子论的合理性，因此我还是坚持我的观点。同时我要感谢瑞典化学大师贝采里乌斯，他和他的同事、学生分析了约两千种物质的组成，采用了多种理论和方法，分别于1818年和1826年取得了比较精确的原子量。他们这些浩繁的工作为原子论的复兴打下了坚实的基础。从中可以看出，新理论的产生不一定在短期内就被人们接受，有一个过程，也有反复，这就要有决心和毅力。要遵循实验事实，在实事求是的基础上敢于创新和向传统经验挑战，因循守旧将一事无成。

今人：在你的研究中，哪些学者给予了你帮助和启发？

道尔顿：在原子论的产生过程中，许多学者给予了极大的帮助，主要有我的挚友亨利（1774-1836）和汤姆逊（1773-1852）等人。亨利曾说过：“每一种气体对于另一种气体来说，等于是一种真空”。这句话引起许多科学家的反对，我用实验证明了它的正确性，同时也为气体分压定律建立了坚实的基础。亨利经常有新奇而深刻的想法，但他缺乏勇气将它们总结并公之于众。1802年，在我的鼓励下，亨利在英国皇家学会详细说明了气体溶解度与其分压的关系：一种气体在水中的溶解度正比于这种气体的分压强，这条定律后来被尊称为“亨利定律”。受他的启发，在其后的研究中注意到，在相同的压强下不同气体的溶解度差别很大。我设想：“一系列气体的溶解度与这些粒子的重量有关”，这大概就是我对原子质量的最初想法。

在1804年，苏格兰化学家汤姆逊与我热烈、详细地讨论了原子学说。在以后的几年里汤姆逊热情地称赞和宣扬原子学说，使这一学说很快被广大化学界学者所熟悉。我也受到汤姆逊的启发，将原子论的研究重点由原来的物理方面转向了化学方面，使我认识到：倍比定律对原子论的证明具有重要意义，便重点研究了这一课题。从中体会到在科学研究中要善于与别人合作交流，善于吸取别人的长处，闭门造车只会使发展速度大大减慢或走入死胡同。

今人：你的原子论的观点在现在看有许多不足，你如何看待这一问题？

道尔顿：由于当时的实验技术、理论水平的限制，所提出的理论只能有这么的深度，但我和我同时代的人认为它纠正了我的前人的不足，至于这一理论是否完全正确或有没有瑕疵要靠后来的事实去证明和纠正。反过来说，如果前人把什么理论都研究透了，那后人不就“坐吃山空”了吗？这也说明科学理论是随时代的发展在不断地发展和完善，科学理论有时代性和局限性，同时也为科学创新、科学探究留下了空间。

今人：确实如此。在你之后，意大利物理学家阿伏加德罗提出了分子的概念。他指出：“所有相等体积的气体，无论是元素、化合物还是混合物，都有相等的分子数。气体元素的最小粒子不一定是单原子，很可能是由多个原子结合成的单一分子，同等体积的气体原子数目虽然不同，但分子数目是一样的”。但很长时间内，人们没有重视阿伏加德罗的理论，化学家们根据不同的标准，测得的原子量也不同。到了1858年，意大利化学家坎尼查罗提出，只有接受阿伏加德罗的理论，才能真正解决物质组成的表示方式（化学式）问题和原子量问题，他的观点得到了人们的赞同，近代的原子-分子论才得以确立，原子论也才得以彻底的证实。

今人：你有什么未了的想法吗？

道尔顿：我在研究原子的过程中，因为还没有真实感受到原子的存在，有一种纸上谈兵的感觉。

今人：现在人们已能看到原子了。1981年，瑞士苏黎世IBM公司研究实验室的两位科学家宾宁和罗赫尔研制成了一种扫描隧道显微镜（STM），可以很精确地观察材料的表面结构。1988年，中国科学家设计制成了新型的STM，其分辨率达到原子级，能操控原子。如在硅晶体表面写出最小的汉字——“中国”。从而使原子的存在得到了确认，也为进一步探索微观世界的奥秘，提供了必要的物质基础。这也说明实验技术的发展是理论发展的保障。

二、对话感悟

这种对话教学方式从历史事件本身、理论发展过程、研究方法、个人情感态度等方面客观地再现了历史，教法新颖，易被学生接受。同时这一方法要求学生去查阅大量资料，做好提问的准备，这本身就是化学史教学的有效途径。再让学生了解科学家生平，在此基础上让学生形成一个有血、有肉、有情感且具体而丰满的人物形象，让学生感到伟人就在我们身边，我们正沿着伟人的路走下去。

现在这种方法仅仅在小范围内进行了尝试，还有待和同行们进一步探讨、完善，也希望得到专家们的指教，以便引入全体学生的课堂教学中。

［1］ 北京师范大学、华中师范大学、南京师范大学合编．无机化学（第四版）［M］．北京：高等教育出版社，2002．8：14-16

［2］ 王玉枝，蔡炳新，汪秋安编著．实用大学化学手册［M］．长沙：湖南科学技术出版社，2005．10：1-14