1、1佛光人文社會學院佛光人文社會學院自然科學史自然科學史(History of Natural Science)第第7章章物質的基礎物質的基礎原子及其結構原子及其結構(A)哲學家的原子學說哲學家的原子學說楊棋明 博士中央研究院生物多樣性研究中心Email: cmyanggate.sinica.edu.twTel: 02-27821258#612, 613FTP: http:/biodiv.sinica.edu.tw/cmyang.htm2 人之所以異於禽獸者幾稀人之所以異於禽獸者幾稀，庶民去之，君子存之。舜明於，庶民去之，君子存之。舜明於庶物，察於人倫。由仁義行，非行仁義也。庶物，察於人倫。由仁
2、義行，非行仁義也。 人之有道也，飽食、暖衣、逸居而人之有道也，飽食、暖衣、逸居而無教，則近於禽獸無教，則近於禽獸。聖。聖人有憂之，使契為司徒，教以人倫，父子有親，君臣有義，人有憂之，使契為司徒，教以人倫，父子有親，君臣有義，夫婦有別，長幼有敘，朋友有信。夫婦有別，長幼有敘，朋友有信。 楊氏為我，是無君也墨氏兼愛，是無父也。楊氏為我，是無君也墨氏兼愛，是無父也。無父無君，是無父無君，是禽獸也。禽獸也。 庖有肥肉，廄有肥馬，民有飢色，野有餓莩，庖有肥肉，廄有肥馬，民有飢色，野有餓莩，此率獸而食此率獸而食人人也。也。獸相食獸相食，且人惡之。為民父母，行政，且人惡之。為民父母，行政，不免於率獸而不免於
3、率獸而食人，食人，惡在其為民父母也？惡在其為民父母也？孟子的人獸區別論孟子的人獸區別論3萬物由什麼組成？萬物由什麼組成？萬物由什麼組成？物質萬物由什麼組成？物質可以被無休止地分割為可以被無休止地分割為愈來愈小的物質單元，愈來愈小的物質單元，還是存在構成世界的還是存在構成世界的“磚塊磚塊”？這是古代哲？這是古代哲人們就開始思索的問題。人們就開始思索的問題。 4孟子曰：孟子曰：“人之異於禽獸者幾稀矣！人之異於禽獸者幾稀矣！” ” H2O5 西元前西元前5世紀的古希臘哲學家劉基伯世紀的古希臘哲學家劉基伯(Leukippos)在致力於思考分割物質問題後在致力於思考分割物質問題後，得出一個結論：，得出一
4、個結論：分割過程不能永遠繼續下去，物質的碎片遲早分割過程不能永遠繼續下去，物質的碎片遲早會達到不可能分得更小的地步。會達到不可能分得更小的地步。 他的學生德謨克理特他的學生德謨克理特(Democritus)接受了這種接受了這種物物質碎片會小到不可再分的觀念，並稱這種物質質碎片會小到不可再分的觀念，並稱這種物質的最小組成單位為的最小組成單位為“原子原子”(意思是意思是“不可分不可分割割”)。 由劉基伯與德謨克里特提出的原子論哲學作為由劉基伯與德謨克里特提出的原子論哲學作為“最系統、最始終一貫，並且可以應用於一切最系統、最始終一貫，並且可以應用於一切物體的學說物體的學說”(亞里斯多德語亞里斯多德語
5、)是對早期希臘各派是對早期希臘各派自然哲學的大綜合，並將早期希臘的自然哲學自然哲學的大綜合，並將早期希臘的自然哲學推上一個光輝的頂峰。推上一個光輝的頂峰。古希臘哲學家的原子說古希臘哲學家的原子說-不可分割不可分割(1) 6古希臘哲學家的原子說古希臘哲學家的原子說-不可分割不可分割(2) 伊壁鳩魯伊壁鳩魯 (Epicurus，約在西元前，約在西元前341至至270年年) 亦為古希臘人，亦為古希臘人，進一步發展了原子論進一步發展了原子論：原子有內部組成但不可分。除形狀和大小外，原子的重量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是主要的特性
6、。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。觀，是古代唯物主義自然觀發展的高峰。7在古希臘哲學家的觀點中在古希臘哲學家的觀點中： 原子是最微小的、不可再分割的物質微粒，是堅實的、內原子是最微小的、不可再分割的物質微粒，是堅實的、內部絕對充滿而沒有空隙的東西。部絕對充滿而沒有空隙的東西。 原子數目有無限多，它們彼此間性質相同，其差別只表現原子數目有無限多，它們彼此間性質相同，其差別只表現在形狀、大小和排列上。在形狀、大小和排列上。 原子在虛空中不停地運動，運動中原子間會發生碰撞，有原子在虛空中不停地運動，運動中原子間會發生碰撞，有時會粘著並組合在一起。時會粘著並組合
7、在一起。 一組原子組合成一種東西，而另一組原子組合成另外的東一組原子組合成一種東西，而另一組原子組合成另外的東西等等，這樣萬物就由作為實在的建築石料的原子和虛空構西等等，這樣萬物就由作為實在的建築石料的原子和虛空構成了。成了。古希臘哲學家的原子說古希臘哲學家的原子說-不可分割不可分割(3) 8 哲學家伊壁鳩魯、盧克萊修先後接受了這種哲學家伊壁鳩魯、盧克萊修先後接受了這種原子學說，後者在其著名詩作原子學說，後者在其著名詩作物性論物性論中以中以動人的筆觸全面介紹了原子學說，使之成為古動人的筆觸全面介紹了原子學說，使之成為古代原子學說理論知識的最主要來源。代原子學說理論知識的最主要來源。 在中世紀，
8、一些阿拉伯的思想家接受了原子論，而西方的經院在中世紀，一些阿拉伯的思想家接受了原子論，而西方的經院神學家們卻因它與宗教學說教義相衝突而激烈反對這種觀點。神學家們卻因它與宗教學說教義相衝突而激烈反對這種觀點。 文藝復興時期，與原子論相關的思想出現在布魯諾、伽利略、文藝復興時期，與原子論相關的思想出現在布魯諾、伽利略、法蘭西斯法蘭西斯培根等人的著作中。培根等人的著作中。 在此之後，法國哲學家伽桑狄在此之後，法國哲學家伽桑狄(1592-1655年年)接受了原子學說，他接受了原子學說，他的有說服力的著作，使人們對原子學說的關注得以復蘇，並引發的有說服力的著作，使人們對原子學說的關注得以復蘇，並引發了科
9、學家的興趣，從而將原子論引入到現代科學中。了科學家的興趣，從而將原子論引入到現代科學中。“古代哲學古代哲學家的那些理論，現在又在大聲喝彩中復興了，仿佛是現代哲學家家的那些理論，現在又在大聲喝彩中復興了，仿佛是現代哲學家發現的發現的”(波爾語波爾語)。 原子學說在原子學說在17世紀得以復活。更重要的是，哲學家的思想火炬世紀得以復活。更重要的是，哲學家的思想火炬開始傳遞到科學家手中。開始傳遞到科學家手中。迦桑狄迦桑狄古希臘哲學家的原子說古希臘哲學家的原子說-不可分割不可分割(4) 9古羅馬哲學家的原子說古羅馬哲學家的原子說-不可分割不可分割(1) 古羅馬人盧克萊修古羅馬人盧克萊修 (Lucreti
10、us，西元前，西元前99-55年年) 的長篇詩作物性論的長篇詩作物性論 (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
11、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。靜止的，但原子仍在不可見的狀況下運動。盧克萊修認為盧克萊修認為：原子有各種各樣的形狀。例如，堅硬的物體是由許多帶原子有各種各樣的形狀。例如，堅硬的物體是由許多帶?的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。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
12、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。由這些物質所組成微粒的特性、運動和
13、相互作用而決定的。10古代原子說受到亞里士多德學派的壓制而隱沒古代原子說受到亞里士多德學派的壓制而隱沒2000年年古代原子論，一方面直接違悖了希臘大哲學亞里士多德古代原子論，一方面直接違悖了希臘大哲學亞里士多德 (Aristotle西元前西元前384-322年年) 關於自然界到處是充實的而不存在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。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。學家，使得原子論的命運同唯物論哲學的興衰聯繫在
14、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，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，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。原子論沒有產生什麼重要的影響。11古希臘哲學家的元素說古希臘哲學家的元素說 唯物主義的物質觀卻以比較抽象的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子論之前，就出現了關於物質組成的另一種學說即一種學說即元素說元素說。至於什麼是組成物。至於什麼是組成物質的基本元素
15、，古希臘人泰勒斯質的基本元素，古希臘人泰勒斯 (Thales 西元前西元前624-547年年) 認為是水，也認為是水，也是古希臘人阿那克西美尼是古希臘人阿那克西美尼 (Anaximenes 西元前西元前588-524年年) 認為是氣，而赫拉克認為是氣，而赫拉克利特利特 (Heraclitus 西元前西元前495-435年年) 則認則認為是火。後來，恩培多克勒為是火。後來，恩培多克勒 (Empedocles 西元前西元前495-435年年) 在這幾種在這幾種元素之外再加上土，發展為元素之外再加上土，發展為四元素說，四元素說，主張物質由火、氣、水、土這四大元素主張物質由火、氣、水、土這四大元素組成
16、。組成。12古中國哲學家的五行學說古中國哲學家的五行學說(1) 大概在同一時期，中國古代也有一種類似五行學說，即以水、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火、木、金、土這些稱為五行的物質元素為構成萬物的根本。本。 在西元前在西元前400年以前成書的尚書年以前成書的尚書 就記載有五行：一曰水，就記載有五行：一曰水，二曰火，三曰木，四曰金，五曰土。二曰火，三曰木，四曰金，五曰土。 在紀元前在紀元前400年左右所作的國語年左右所作的國語 裏更明確寫道：故先王以裏更明確寫道：故先王以土與金、木、水、火雜，以成百物。土與金、木、水、火雜
17、，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。比較直接的認識。13古中國哲學家墨翟的古中國哲學家墨翟的原子不可分割說原子不可分割說(2) 在東方墨翟在東方墨翟 (約在西元前約在西元前468-376年年)為戰國時期為戰國時期的墨家的墨家 。墨家著作的總集叫做墨子，其中。墨家著作的總集叫做墨子，其中有篇墨經說：有篇墨經說：端；體之無序最前者也。端；體之無序最前者也。端是組成物體的無可分割端是組成物體的無可分割 (即無序即無序) 的的最原始的東西最原始的東西 (即最前者即最前者) 。這端就是原子。這端就是原子的
18、概念了。墨經又說端是無同也，意思是的概念了。墨經又說端是無同也，意思是說一個端裏沒有共合的東西，所以無可分說一個端裏沒有共合的東西，所以無可分割。割。14古中國哲學家儒家的古中國哲學家儒家的原子不可分割說原子不可分割說(3) 在戰國時期的儒家著作中庸指出：在戰國時期的儒家著作中庸指出：語小，天下莫能破語小，天下莫能破焉。焉。宋代朱熹宋代朱熹 (西元西元1130-1200年年) 解釋：解釋：天下莫能破是無內，謂如天下莫能破是無內，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，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。更不容破了。這裏所說的莫能破、無內，也就是不
19、可分割的意思。這裏所說的莫能破、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。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世紀初，清末民初嚴復翻譯英文名詞atom為為莫破莫破或或莫破塵莫破塵，原子論原子論譯為譯為莫破質點莫破質點律律。15戰國時期的名家戰國時期的名家 惠施惠施 (約在西元前約在西元前365-310年年) 曾說：曾說：其小無內，謂之小一。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。
20、那些主張物質不可無限分割的人，則是認識到了分的微粒。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。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，揭現代物理學正不斷發現著越來越多的所謂基本粒子，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！原子說的雛形，也是原子科學史上光輝遺產！古中國哲學家惠施的古中國哲學家惠施的原子不可分割說原子不可分割說(4) 16古中國哲學家公孫龍的古中國哲學家公孫龍的原子可分割說原子可分割說(5) 戰國時期的公孫龍戰國時期的公孫龍 (約在西元前約在西元前
21、320-250年年) 有一句名言：有一句名言：一尺之棰，日取其半，萬世不竭一尺之棰，日取其半，萬世不竭。這等於說木杖這等於說木杖 (即棰即棰) 可以無限地分割，也就是說物質的組可以無限地分割，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。在令人驚奇。 11/21/41/81/161/321/64 1/ (無限小無限小)17佛光人文社會學院佛光人文社會學院自然科學史自然科學史(History of Natural Science)第第7章章物質的基礎物質的基礎原子及其結構原子及其結構(B)科學家的原子科學家的原子楊
22、棋明 博士中央研究院生物多樣性研究中心Email: cmyanggate.sinica.edu.twTel: 02-27821258#612, 613FTP: http:/biodiv.sinica.edu.tw/cmyang.htm18原子結構發展簡史原子結構發展簡史 原子結構原子結構(Atomic Structure)在原子物理學中是非常重要的。在原子物理學中是非常重要的。甚麼是原子甚麼是原子(atom) ？ 原子是化學元素原子是化學元素(elements)中具有該元素特質的最小粒子中具有該元素特質的最小粒子(particle)，可互相結合成為分子，可互相結合成為分子(molecule)。
23、 古希臘有位哲學家古希臘有位哲學家德謨克利特德謨克利特(Democritus)便提出了便提出了原子原子是組成萬物的粒子。是組成萬物的粒子。(古典原子論古典原子論) 在在1897年前，當電子尚未被發現之前，年前，當電子尚未被發現之前，原子是不可分割原子是不可分割的基本單位。的基本單位。(近代原子論近代原子論)19 1793年道爾頓受聘于曼徹斯特的一所新學院。出版第一本科年道爾頓受聘于曼徹斯特的一所新學院。出版第一本科學著作學著作 氣象觀察與研究氣象觀察與研究。第二年成為曼徹斯特。第二年成為曼徹斯特文學哲學文學哲學會的會員。會的會員。 1799年，越來越重視對氣體和氣體混合物的研究。道爾頓認為，要
24、說明年，越來越重視對氣體和氣體混合物的研究。道爾頓認為，要說明氣體的特性就必須知道它的氣體的特性就必須知道它的壓力壓力。他找到兩種很容易分離的氣體，分別測。他找到兩種很容易分離的氣體，分別測量了量了混合氣體和各部分氣體的壓力混合氣體和各部分氣體的壓力。結果很有意思，裝在容積一定的容器。結果很有意思，裝在容積一定的容器中的某種氣體壓力是不變的，引入第二種氣體後壓力增加，但它等于兩種中的某種氣體壓力是不變的，引入第二種氣體後壓力增加，但它等于兩種氣體的分壓之和，兩種氣體單獨的壓力沒有改變。氣體的分壓之和，兩種氣體單獨的壓力沒有改變。道爾頓得出結論：混合道爾頓得出結論：混合氣體的總壓等于組成它的各個
25、氣體的分壓之和。氣體的總壓等于組成它的各個氣體的分壓之和。(Pt=P1+P2) 道爾頓發現由此可以做出某些重要的結論，氣體在容器中存在的狀態與道爾頓發現由此可以做出某些重要的結論，氣體在容器中存在的狀態與其他氣體無關。用氣體具有微粒結構來解釋就是，一種氣體的其他氣體無關。用氣體具有微粒結構來解釋就是，一種氣體的微粒或原子微粒或原子均勻的分布在另一種氣體的原子之間，因而這種氣體的微粒所表示出來的均勻的分布在另一種氣體的原子之間，因而這種氣體的微粒所表示出來的性質與容器中沒有另一種氣體一樣。道爾頓開始更多的研究關于原子的問性質與容器中沒有另一種氣體一樣。道爾頓開始更多的研究關于原子的問題，他頑強進
26、行研究工作，尋找資料、動手實驗、不斷的思考題，他頑強進行研究工作，尋找資料、動手實驗、不斷的思考 道爾頓道爾頓-近代化學之父近代化學之父 20 1803年年9月月6日，約翰道爾頓日，約翰道爾頓(John Dalton)在他筆記中寫下在他筆記中寫下了原子論的要點：了原子論的要點： 1、原子是組成化學元素的、非常微小的、不可再分割的原子是組成化學元素的、非常微小的、不可再分割的物質微粒。在化學反應中原子保持其本來的性質。物質微粒。在化學反應中原子保持其本來的性質。 2、同一種元素的所有原子的質量以及其他性質完全相同。同一種元素的所有原子的質量以及其他性質完全相同。不同元素的原子具有不同的質量以及其
27、他性質。原子的質量不同元素的原子具有不同的質量以及其他性質。原子的質量是每一種元素的原子的最根本特徵。是每一種元素的原子的最根本特徵。 3、有簡單數值比的元素的原子結合時，原子之間就發生有簡單數值比的元素的原子結合時，原子之間就發生化學反應而生成化合物。化合物的原子稱為化學反應而生成化合物。化合物的原子稱為複雜原子複雜原子。 4、一種元素的原子與另一種元素的原子化合時，他們之一種元素的原子與另一種元素的原子化合時，他們之間成簡單的數值比。間成簡單的數值比。 道爾頓原子論道爾頓原子論(1) atom21道爾頓原子論道爾頓原子論(2) 1803年年10月月21日，道爾頓報告了他的日，道爾頓報告了他
28、的化學原子論化學原子論，並，並且宣讀了他的第二篇論文且宣讀了他的第二篇論文第一張關于物體的最小質點的相對第一張關于物體的最小質點的相對重量表重量表。 道爾頓又對甲烷道爾頓又對甲烷(CH4)和乙烯和乙烯(C2H2)的化學成分進行分析實驗，的化學成分進行分析實驗，他發現他發現：甲烷中碳氫比是甲烷中碳氫比是4.3:4；而乙烯中碳氫比是而乙烯中碳氫比是4.3:2。由此。由此推出碳氫化合的比例關系，並發現了推出碳氫化合的比例關系，並發現了倍比定律倍比定律：相同的兩種元：相同的兩種元素生成兩種或兩種以上的化合物時，若其中一種元素的質量不素生成兩種或兩種以上的化合物時，若其中一種元素的質量不變，另一種元素在
29、化合物中的相對重量成簡單的變，另一種元素在化合物中的相對重量成簡單的整數比整數比。 道爾頓認為倍比定律既可以看作是原子論的一個推論，又道爾頓認為倍比定律既可以看作是原子論的一個推論，又可以看作是對原子論的一個證明。可以看作是對原子論的一個證明。 22 1807年，湯姆遜在它的年，湯姆遜在它的化學體系化學體系一書中詳細的介紹了道爾一書中詳細的介紹了道爾頓的原子論。頓的原子論。 1808年道爾頓的主要化學著作年道爾頓的主要化學著作化學哲學的新體系化學哲學的新體系正式出版。正式出版。書中詳細記載了有關其原子論的主要實驗和主要理論。自此道書中詳細記載了有關其原子論的主要實驗和主要理論。自此道爾頓的原子
30、論才正式問世。爾頓的原子論才正式問世。 在科學理論上，道爾頓的在科學理論上，道爾頓的原子論原子論是繼拉瓦錫的是繼拉瓦錫的氧化學說氧化學說之後理之後理論化學的又一次重大進步，他揭示出了論化學的又一次重大進步，他揭示出了一切化學現象的本質都一切化學現象的本質都是原子運動是原子運動，明確了化學的研究對象，對化學真正成為一門學，明確了化學的研究對象，對化學真正成為一門學科具有重要意義，此後，化學及其相關學科得到了蓬勃發展科具有重要意義，此後，化學及其相關學科得到了蓬勃發展。 在哲學思想上，原子論揭示了化學反應現象與本質的關系在哲學思想上，原子論揭示了化學反應現象與本質的關系，繼，繼天體演化學說誕生以後
31、，又一次衝擊了當時僵化的自然觀，為天體演化學說誕生以後，又一次衝擊了當時僵化的自然觀，為科學方法論的發展、辯證自然觀的形成以及整個哲學認識論的科學方法論的發展、辯證自然觀的形成以及整個哲學認識論的發展具有重要意義。發展具有重要意義。 道爾頓原子論道爾頓原子論(3) 23 原子論原子論建立以後，道爾頓名震英國乃至整個歐洲建立以後，道爾頓名震英國乃至整個歐洲,各種榮譽紛至沓來各種榮譽紛至沓來,在榮在榮譽面前，譽面前，道爾頓開始還是冷靜的、謙虛的，但是後來榮譽越來越高，他逐道爾頓開始還是冷靜的、謙虛的，但是後來榮譽越來越高，他逐漸改變了，變得驕傲、保守，最終走向了思想僵化、固步自封漸改變了，變得驕傲
32、、保守，最終走向了思想僵化、固步自封。 1808年，法國化學家年，法國化學家呂薩克呂薩克在原子論的影響下發現了在原子論的影響下發現了氣體反應的體積定律氣體反應的體積定律，實際上這一定律也是對道爾頓的原子論的一次論證，後來也得到了其他科實際上這一定律也是對道爾頓的原子論的一次論證，後來也得到了其他科學家的證實並應用于測量氣體元素的原子量。學家的證實並應用于測量氣體元素的原子量。但是呂薩克定律卻遭到了道但是呂薩克定律卻遭到了道爾頓本人的拒絕和反對爾頓本人的拒絕和反對，他不僅懷疑呂薩克的實驗基礎和理論分析，還對，他不僅懷疑呂薩克的實驗基礎和理論分析，還對他進行了嚴厲的抨擊。他進行了嚴厲的抨擊。 18
33、11年，意大利物理學家阿佛加德羅建立了分子論，使道爾頓的原子論與年，意大利物理學家阿佛加德羅建立了分子論，使道爾頓的原子論與呂薩克定律在新的理論基礎上統一起來。他也遭到了道爾頓無情的反駁。呂薩克定律在新的理論基礎上統一起來。他也遭到了道爾頓無情的反駁。 1813年，瑞典化學家貝齊力烏斯創立了用字母表示元素的新方法，這種年，瑞典化學家貝齊力烏斯創立了用字母表示元素的新方法，這種易寫易記的新方法被大多數科學家接受，而道爾頓一直到死都是新元素符易寫易記的新方法被大多數科學家接受，而道爾頓一直到死都是新元素符號的反對派。號的反對派。 雖然道爾頓的後半生科學貢獻不大、甚至阻撓別人的探索，人們還是給雖然道
34、爾頓的後半生科學貢獻不大、甚至阻撓別人的探索，人們還是給予了他深切的懷念。予了他深切的懷念。 道爾頓原子論道爾頓原子論(4) 24道爾頓的原子模型道爾頓的原子模型-不可分割無核無電子不可分割無核無電子原子類似堅實不可分的實心球原子類似堅實不可分的實心球原子原子25 1808年年(道爾頓正式發表科學原子論的第二年道爾頓正式發表科學原子論的第二年) ，法國化學，法國化學家蓋家蓋呂薩克在研究各種氣體在化學反應中體積變化的關係時呂薩克在研究各種氣體在化學反應中體積變化的關係時發現：發現：參加同一反應的各種氣體，在同溫同壓下，其體積成參加同一反應的各種氣體，在同溫同壓下，其體積成簡單的整數比。這就是著名
35、的氣體化合體積實驗定律，常稱簡單的整數比。這就是著名的氣體化合體積實驗定律，常稱為蓋為蓋呂薩克定律呂薩克定律。 蓋呂薩克是很讚賞道爾頓的原子論的，於是將自己的化學蓋呂薩克是很讚賞道爾頓的原子論的，於是將自己的化學實驗結果與原子論相對照，他發現原子論認為化學反應中各實驗結果與原子論相對照，他發現原子論認為化學反應中各種原子以簡單數目相結合的觀點可以由自己的實驗而得到支種原子以簡單數目相結合的觀點可以由自己的實驗而得到支持，於是他提出了一個持，於是他提出了一個新的假說：在同溫同壓下，相同體積新的假說：在同溫同壓下，相同體積的不同氣體含有相同數目的原子。的不同氣體含有相同數目的原子。他自認為這一假說
36、是對道他自認為這一假說是對道爾頓原子論的支持和發展，並為此而高興。爾頓原子論的支持和發展，並為此而高興。蓋蓋呂薩克與約翰道爾頓的爭論呂薩克與約翰道爾頓的爭論(1)26蓋蓋呂薩克與約翰道爾頓的爭論呂薩克與約翰道爾頓的爭論(2) 當道爾頓得知蓋當道爾頓得知蓋呂薩克的這一假說後，立即公開表示反對。呂薩克的這一假說後，立即公開表示反對。因為道爾頓在研究原子論的過程中，也曾作過這一假設後被因為道爾頓在研究原子論的過程中，也曾作過這一假設後被他自己否定了。他認為不同元素的原子大小不會一樣，其質他自己否定了。他認為不同元素的原子大小不會一樣，其質量也不一樣，因而相同體積的不同氣體不可能含有相同數日量也不一樣
37、，因而相同體積的不同氣體不可能含有相同數日的原子。的原子。 蓋蓋呂薩克認為自己的實驗是精確的，不能接受道爾頓的指呂薩克認為自己的實驗是精確的，不能接受道爾頓的指責，於是雙方展開了學術爭論。他們倆人都是當時歐洲頗有責，於是雙方展開了學術爭論。他們倆人都是當時歐洲頗有名氣的化學家，對他們之間的爭論其他化學家沒敢輕易表態，名氣的化學家，對他們之間的爭論其他化學家沒敢輕易表態，就連當時已很有威望的瑞典化學家貝采裏烏斯也在私下表示，就連當時已很有威望的瑞典化學家貝采裏烏斯也在私下表示，看不出他們爭論的是與非。看不出他們爭論的是與非。 27佛光人文社會學院佛光人文社會學院自然科學史自然科學史(Histor
38、y of Natural Science)第第7章章物質的基礎物質的基礎原子及其結構原子及其結構(C)科學家的分子科學家的分子楊棋明 博士中央研究院生物多樣性研究中心Email: cmyanggate.sinica.edu.twTel: 02-27821258#612, 613FTP: http:/biodiv.sinica.edu.tw/cmyang.htm28水是原子水是原子(atom)？還是分子？還是分子(molecule)？水是分子，水是分子，由由1個氫個氫(H)和和2個氧個氧(O)組成水分子組成水分子H2O所有分子都是原子組成所有分子都是原子組成：氮氣氮氣(nitrogen)：N2氧
39、氣氧氣(oxygen)：O2氫氣氫氣(hydrogen)：H2甲烷甲烷(methane) ：CH4葡萄糖葡萄糖(glucose)：C6H12O6DNA、RNA、29今天都知道今天都知道：分子都是由原子組成的分子都是由原子組成的C60結構示意圖結構示意圖 30 義大利一位名叫義大利一位名叫亞佛加德羅亞佛加德羅(Amedeo Avogadro 17761856 )的的物理學教授對這場爭論發生了濃厚的興趣。他仔細地考察了物理學教授對這場爭論發生了濃厚的興趣。他仔細地考察了蓋蓋呂薩克和道爾頓的氣體實驗和他們的爭執，發現了矛盾的呂薩克和道爾頓的氣體實驗和他們的爭執，發現了矛盾的焦點。焦點。 1811年他
40、寫了一篇題為：年他寫了一篇題為：“原子相對質量的測定方法及原原子相對質量的測定方法及原子進入化合物的數目比例的確定子進入化合物的數目比例的確定”的論文，在文中他首先聲的論文，在文中他首先聲明自己的觀點來源於蓋明自己的觀點來源於蓋呂薩克的氣體實驗事實，接著他明確呂薩克的氣體實驗事實，接著他明確地提出了地提出了分子分子(molecule)的概念，認為單質或化合物在游離狀的概念，認為單質或化合物在游離狀態下能獨立存在的最小質點稱作分子，單質分子由多個原子態下能獨立存在的最小質點稱作分子，單質分子由多個原子組成，他修正了蓋組成，他修正了蓋呂薩克的假說，提出：呂薩克的假說，提出：“在同溫同壓下，在同溫同
41、壓下，相同體積的不同氣體具有相同數目的分子。相同體積的不同氣體具有相同數目的分子。”“”“原子原子”改為改為“分子分子”的一字之改，正是亞佛加德羅假說的奇妙之處。的一字之改，正是亞佛加德羅假說的奇妙之處。 亞佛加德羅的分子學說亞佛加德羅的分子學說31 現在，大家都認識到現在，大家都認識到分子論分子論和和原子論原子論是個有機聯繫的整體，是個有機聯繫的整體，它們都是關於物質結構理論的基本內容。它們都是關於物質結構理論的基本內容。 然而在亞佛加德羅提出分子論後的然而在亞佛加德羅提出分子論後的50年裏，人們的認識卻不年裏，人們的認識卻不是這樣。原子這一概念及其理論被多數化學家所接受，並被廣是這樣。原子
42、這一概念及其理論被多數化學家所接受，並被廣泛地運用來推動化學的發展，然而關於分子的假說卻遭到冷遇。泛地運用來推動化學的發展，然而關於分子的假說卻遭到冷遇。阿佛加德羅發表的關於分子論的第一篇論文沒有引起任何反響。阿佛加德羅發表的關於分子論的第一篇論文沒有引起任何反響。 1814年，他又發表了第二篇論文，繼續闡述他的分子假說。年，他又發表了第二篇論文，繼續闡述他的分子假說。也在這一年，法國物理學家安培，就是那個在電磁學發展中有也在這一年，法國物理學家安培，就是那個在電磁學發展中有重要貢獻的安培也獨立地提出了類似的分子假說，仍然沒有引重要貢獻的安培也獨立地提出了類似的分子假說，仍然沒有引起化學界的重
43、視。已清楚地認識到自己提出的分子假說在化學起化學界的重視。已清楚地認識到自己提出的分子假說在化學發展中的重要意義的阿佛加德羅很著急發展中的重要意義的阿佛加德羅很著急。原子論與分子論的分與合原子論與分子論的分與合(1)-分子假說的曲折經歷分子假說的曲折經歷 32 1821年他又發表了闡述分子假說的第三篇論文，他寫道：年他又發表了闡述分子假說的第三篇論文，他寫道：“我是第一個注意到蓋我是第一個注意到蓋呂薩克氣體實驗定律可以用來測定分呂薩克氣體實驗定律可以用來測定分子量的人，而且也是第一個注意到它對道爾頓的原子論具有子量的人，而且也是第一個注意到它對道爾頓的原子論具有意義的人。沿著這種途徑我得出了氣
44、體結構的假說，它在相意義的人。沿著這種途徑我得出了氣體結構的假說，它在相當大程度上簡化了蓋，呂薩克定律的應用。當大程度上簡化了蓋，呂薩克定律的應用。”在他講述了分在他講述了分子假說後，他感慨地寫道：子假說後，他感慨地寫道：“在物理學家和化學家深入地研在物理學家和化學家深入地研究原子論和分子假說之後，正如我所預言，它將要成為整個究原子論和分子假說之後，正如我所預言，它將要成為整個化學的基礎和使化學這門科學日益完善的源泉。化學的基礎和使化學這門科學日益完善的源泉。”儘管亞佛儘管亞佛加德羅作了再三的努力，但是還是沒有如願加德羅作了再三的努力，但是還是沒有如願。 1856年年亞佛加德羅亞佛加德羅逝世，
45、分子假說仍然未被大多數化學家所逝世，分子假說仍然未被大多數化學家所承認。承認。 原子論與分子論的分與合原子論與分子論的分與合(2)-分子假說的曲折經歷分子假說的曲折經歷 33道爾頓的原子論發表後，測定各元素的原子量成為化學家最熱道爾頓的原子論發表後，測定各元素的原子量成為化學家最熱門的課題。門的課題。儘管採用了多種方法，但因為不承認分子的存在，儘管採用了多種方法，但因為不承認分子的存在，化合物的原子組成難以確定，原子量的測定和資料呈現一片混化合物的原子組成難以確定，原子量的測定和資料呈現一片混亂，難以統一。亂，難以統一。於是部分化學家懷疑到原子量到底能否測定，甚至原子論能否於是部分化學家懷疑到
46、原子量到底能否測定，甚至原子論能否成立。不承認分子假說，在有機化學領域中同樣產生極大的混成立。不承認分子假說，在有機化學領域中同樣產生極大的混亂。分子不存在，分類工作就難於進行下去，例如醋酸竟可以亂。分子不存在，分類工作就難於進行下去，例如醋酸竟可以寫出寫出19個不同的化學式。當量有時等同於原子量，有時等同於個不同的化學式。當量有時等同於原子量，有時等同於複合原子量複合原子量(即分子量即分子量)，有些化學家乾脆認為它們是同義詞，有些化學家乾脆認為它們是同義詞，從而進一步擴大了化學式、化學分析中的混亂。從而進一步擴大了化學式、化學分析中的混亂。 原子論及分子論的分與合原子論及分子論的分與合(3)
47、-原子論的困境由分子論解決原子論的困境由分子論解決34 無論是無機化學還是有機化學，化學家對這種混亂的局面都感到無法容忍無論是無機化學還是有機化學，化學家對這種混亂的局面都感到無法容忍了，強烈要求召開一次國際會議，力求通過討論，在化學式、原子量等問題了，強烈要求召開一次國際會議，力求通過討論，在化學式、原子量等問題上取得統一的意見。上取得統一的意見。 1860年年9月在德國卡爾斯魯厄召開了國際化學會議。來自世界各國的月在德國卡爾斯魯厄召開了國際化學會議。來自世界各國的140名化名化學家在會上爭論很激烈，但未達成協定。學家在會上爭論很激烈，但未達成協定。 這時義大利化學家這時義大利化學家康尼查羅
48、康尼查羅散發了他所寫的小冊子，希望大家重視研究阿散發了他所寫的小冊子，希望大家重視研究阿佛加德羅的學說。他回顧了佛加德羅的學說。他回顧了50年來化學發展的歷程，成功的經驗，失敗的教年來化學發展的歷程，成功的經驗，失敗的教訓都充分證實亞佛加德羅的分子假說是正確的，他論據充分，方法嚴謹，很訓都充分證實亞佛加德羅的分子假說是正確的，他論據充分，方法嚴謹，很有說服力。經過有說服力。經過50年曲折經歷的化學家此時已能冷靜地研究和思考，終於承年曲折經歷的化學家此時已能冷靜地研究和思考，終於承認阿佛加德羅的分子假說的確是扭轉這一混亂局面的唯一鑰匙。認阿佛加德羅的分子假說的確是扭轉這一混亂局面的唯一鑰匙。 亞
49、佛加德羅的分子論終於被確認，亞佛加德羅的偉大貢獻終於被發現，可亞佛加德羅的分子論終於被確認，亞佛加德羅的偉大貢獻終於被發現，可惜此時他已溘然長逝了。甚至沒有為後人留下一一張照片或畫像。現在唯一惜此時他已溘然長逝了。甚至沒有為後人留下一一張照片或畫像。現在唯一的畫像還是在他死後，按照石膏面模臨摹下來的。的畫像還是在他死後，按照石膏面模臨摹下來的。原子論及分子論的分與合原子論及分子論的分與合(4)35經過不同國家的許多人的努力，才逐步地建立了原子分子學說。經過不同國家的許多人的努力，才逐步地建立了原子分子學說。 (1)物質是由分子組成的，分子是保留原物質性質的微粒。例如，糖溶解物質是由分子組成的，
50、分子是保留原物質性質的微粒。例如，糖溶解在一杯水裏，糖分子遍及全杯水，水就有了甜味。在一杯水裏，糖分子遍及全杯水，水就有了甜味。(2)分子是由原子組成，原子則是用化學方法不能再分割的最小粒子，它分子是由原子組成，原子則是用化學方法不能再分割的最小粒子，它已失去了原物質的性質。已失去了原物質的性質。例如，我們平時食用的食鹽例如，我們平時食用的食鹽(氯化鈉氯化鈉)的分子是由鈉原子和氯原子組成的，的分子是由鈉原子和氯原子組成的，氯是有毒的，顯然食鹽的性質與氯和鈉的性質截然不同；另一方面，完氯是有毒的，顯然食鹽的性質與氯和鈉的性質截然不同；另一方面，完全無害的元素碳和氮，組成的化合物卻可以是劇毒的氣體
