道尔顿与近代原子论

1 道尔顿与近代科学原子论 摘要 通过对近代科学原子论产生的考察 分析了道尔顿原子学说与以往通过对近代科学原子论产生的考察 分析了道尔顿原子学说与以往 哲学原子论的重大区别 探讨了道尔顿创立原子学说的思想和研究方法 阐明哲学原子论的重大区别 探讨了道尔顿创立原子学说的思想和研究方法 阐明 了科学的认识论和方法论对科学研究的重要指导作了科学的认识论和方法论对科学研究的重要指导作 关键词关键词 道尔顿 近代科学原子论 区别 科学思想 研究方法 正文正文 原子是化学科学中最基本的概念 原子学说则是建构整个化学大厦的理论 基石 现代著名化学家鲍林说过t 在所有化学理论中 最为主要的就是原子学 说 恩格斯也对近代科学原子论的创立给以高度评价 认为原子论是能给整个科 学创造一个中心并给研究工作打下牢固基础的发现 因此可以说 原子论在人 类探索自然界奥秘的历史长河中构成了化学发展的主旋律 规定和指导着化学 理论的基本走向和发展 本文试图通过对近代原子学说创立过程的历史考察 阐明近代科学原子论产生的历史条件 探讨它与以往原子学说的本质区别 分 析道尔顿的科学思想和研究方法上的特点 展示人类自然观和思维方式的变革 探讨科学认识发生和发展的基本规律 以期从中得到某些启示和教益 1 近代科学原子论创立的历史背景 任何科学理论的产生都不是偶然的 总有一定的时代背景和认识论的根源 是 人类科学认识发展到一定阶段的必然产物 追溯化学发展的历史 近代科学原 子论的创立有以下几个方面为它作铺垫 1 1 定量分析方法的广泛采用和一些化学经验定律的建立 l8世纪末至l9世纪初 化学开始由以搜集材料为特征的经验描述阶段 逐步过 渡到以整理材料 寻找事物的内在联系为特征的理论概括阶段 由拉瓦锡掀起 的化学革命不仅建立了化学理论的新秩序 而且在研究方法上给化学的发展注 入了新的活力 特别是定量方法的广臣采用 使化学家们搞清了许多物质的组 成及化学变化中各物质量的关系1789年 拉瓦锡首先用精确定量的实验证明了 质量守恒定律 它作为自然界的一条最基本的规律 成为人们从事化学研究的 基本依据 1791年 里希特根据大量定量实验发现了酸碱反应的当量关系 1802年 费歇尔在里希特工作的基础上进一步明确阐述了当量定律 1799年 昔罗斯特根据一系列化学定量分析提出了定量组成定律 大大促进了人们对物 质组成的认识 1803年 道尔道在思考原子学说的过程中 根据自己的实验归 纳 推导出了倍比定律 这些化学基本定律都是从实验中归纳总结出来的经验规律 它促使化学家 进一步思考 为什么化合物在生成时 各物质之间存在着如此严格的定量关系 为什么反应前后的质量总是保持不变呢 为什么同种化合物的组成总是固定不变 是 否有一些不变的看不见的质点在化学反应中操纵着这些规律 由实验中提出的一 系列的问题要求化学家给予理论上的解释 正是这些化学经验定律的建立 成 为化学理论产生和发展的必要前提 为科学原子论的产生奠定了牢固的实验基 2 础 1 2 古代原子论的广泛传播 关于物质的组成和结构问题是一个古老的话题 很早就引起了哲学家们的 广泛关注 古希腊的留基伯和德谟克利特最早提出了原子学说 认为世界万物 都是由微小的不可分割的原子组成的 原子永恒存在永不毁灭 宇宙中真实存 在的只有原子和虚空 德谟克利特还试图用自己的原子学说来解释宇宙万物的 形成和自然界发生的各种变化 古希腊的原子论开辟了人类解释自然界发展变 化的可能性 充分体现了古人探索客观世界奥秘的唯物主义勇气和从理性的角 度认识自然的能力 但这种朴素的原子论只是一种笼统模糊的哲学思辨 缺乏 实验依据 经不起科学的推敲 以后虽然经过古希腊后期的伊壁鸠鲁和古罗马 的卢克莱修的补充和发展 但直到欧洲文艺复前的1000多年问 原子学说无论 是在哲学上还是在科学上都不占主导地位 而且长期遭受宗教神学说及其他学 说的迫害和排斥 但古代原子论的唯物主义性和真理性赋予了它顽强的生命力 虽长期处于逆境中 却始终未泯灭 原子学说本身既是一个哲学问题 又是实证科学的核心问题 科学要发展 物质的组成和结构问题就不可回避 所以17世纪以来随着科学的进步 更多的 科学家成了原子论的信徒 例如 伽利略 达芬奇 伽桑遗 笛卡儿 波义耳 牛顿等 特别是波义耳不满足仅仅关于原子的一般认识 力图用微粒哲学开辟 化学发展的新局面 这种机械原子论继承和发展了古代原子学说的光辉思想 不仅起到承上启下的桥梁作用 而且开始把哲学思考让位于科学的思考 科学家根据当时物理学的成就 探讨原子的存在和相互作用 用纯机械论 的观点来解释物质的组成和性质 但直到18世纪末 人们仍然难以具体应用原 子论解释化学反应 科学家亦然凭着各自的猜想 对原子的描述众说纷纭 未 有形成统一严谨的理论体系 但在这一历史时期 原子论在科学界几乎家喻户 晓 物质是由原子组成的思想已经深入人心 道尔顿正是在牛顿的机械论微粒 哲学启发下 通过对气体物理性质的详细研究 才创立了近代科学原子论 1 3 科学元素学说的建立 元素说和原子说酷似一对孪生姐妹 有着极为密切的亲缘关系 可毫不夸张 地说 没有科学的元素说 就不可能有科学的原子论的建立 元素就不可能找 到自己真正要描述的对象 近代化学的理论体系也就不可能形成 二者几乎同 时产生 但长期以来却一直互相排斥 不相为谋 元素和原子的矛盾困扰了人 们2000多年 最后才由法国天才的化学家拉瓦锡首先找到了解决这一难题的突 破口 近代科学元素学说的建立 对道尔顿创立近代科学原子论具有十分重要 的意义 拉瓦锡并不赞成原子学说 在他的科学研究中一般不涉及原子的问题 1789年 他在 化学纲要 一书中写道 如果用元素名称来表示构成物体的简 单的 不可分割的分子 实际指原子 那么我们也许会不认识它们 相反 地 如果我们把分析所能达到的极限观念与元素的名称联系起来 那么对我们 来说 所有还不能用任何方法分解的物质都是元素 这也许正是拉瓦锡的高明 之处 他认为把原子作为分析的授限 在当时是无法通过实验证明的 他巧妙 地回避了原子的概念 首先把宏观具体的 可用实验直接感知的单质作为分析 的起点 即首先定义元素 现在看来 拉瓦锡的思想路线是正确的 因为当时 他还不能认清元素和原子的关系 加上那时化学的一些经验定律还没有揭示出 来 如果把元素和原子一起加以研究 只能使同题复杂化 甚至会误人歧途 拉瓦锡的目的就是要首先搞清元素的内涵和外延 按照化学本身的逻辑顺序和 3 人类的思维规律来研究化学 道尔顿则完全接受了拉瓦锡的元素学说 并在此 基础上提出了一种元素一类原子的观点 才使道尔顿的原子论具有了前所未有 的明确性 系统性和科学性 实际上 近代元素定义在整个19世纪一直保持成 立 新元素的发现和鉴别仍然离不开经验分析的方法 随着元素发现数目的增 多 原子的种类也相应增加 两者之间呈现一一对应的关系 如果没有拉瓦锡 的元素概念 人们就无法搞清物质的组成 道尔顿就无法对原子进行准确地分 类和判别 原子相对质量也无法求算 原子学说也就不可能剥去哲学的外表 当然也就无法在化学中加以具体应用 因此可以说 道尔顿的原子论是近代机 械原子论与拉瓦锅的元素学说相结合的产物 2 道尔顿的原子论何以称为科学的原子论 近代科学原子论的创立完成了化学理论上第一次伟大的辩证综合 是继拉 瓦锡化学革命之后 化学发展史上又一个光辉灿烂的里程碑 为什么道尔顿的 原子论被称为科学的原子论 或者说它与以往的原子论有什么本质的区别呢 第 一 道尔顿的原子论彻底剥去了长期披在它身上的哲学外衣 把模糊的猜测变 成了明确的 经得起科学实验检验的科学理论 它圆满解释了各种化学实验事 实 揭示了质量守恒定律 当量定律 定比组成定律和倍比定律的本质与内在 联系 有着广泛的实验基础 并对以后整个实验科学的发展起着重大的指导作 用 因此它是立足于物理和化学实验之上的运用科学的推理和严谨的论证方法 完全合乎科学理论建立的逻辑程序 第二 道尔顿的原子论不仅明确指出了原 子具有重量的特征 而且进一步提出了测定原子量的历史任务 并第一次用化 学的方法测定了多种元素的原子量 从此 原子不再是一十抽象模糊的概念 具有了可以用实验直接测量的数量特征 原子量成为区别原子种类的基本标志 使化学研究走向精确化 定量化和系统化 这是道尔顿原子论与以往各种原子学 说的根据区别 也是道尔顿首创精神的具体表现 第三 由于以往的原子论具 有浓厚的思辨性质 因此它只能对物质的各种变化给子笼统解释和说明 但却 无法在化学反应中加以具体操作 既不能确定物质的组成t也不能准确地说明各 种化学变化 而道尔顿的原子论第一次明确地阐明了化学反应的实质 就是原 子重新组合的过程 而且通过原子量的求算 可以准确测定物质的组成和反应 中各物质量的关系 使原子学说真正具有了可操作性 成为化学定量化的理论 基础 第四 道尔顿在接受拉瓦锡元素概念的基础上 第一次把元素和原子联系 起来 统一在一个严谨的理论体系之中 元素是同一类原子的总称 有多少种 元素 就有多少种原子 元素是对原子的抽象和概括 原子则是元素的具体存 在形式 元素第一次真正找到了自己描述的对象 不仅使人们对元素的认识提 高到一个崭新的高度 而且使道尔顿的原子概念更加明确和具体 从而奠定了 整个化学发展的理论基础 19世纪后半叶以来 分子学说 化学键理论 化学 结构理论 元素周期律等学说的形成和发展 以及2O世纪以来化学理论上所取 得的许多重大突破 几乎都是建立在道尔顿原子论的基础之上这不仅大大丰富 了近代科学原子论的内涵 而且进一步在更高的层次上确立了它的中心地位 毋庸置疑地证明了原子学说的科学真理性 3 道尔顿的科学思想和研究方法 道尔顿 1766 1844 出身贫苦 只受过不完全的初等教育 但他以顽强不息 的奋斗精神 通过艰苦自学 终于成为一位知识渊博的学者 在自然科学研究 中建立了不朽的功勋 他在晚年总结自己的成功的经验时曾说 如果我比其 他人获得了较大成功的话 那主要是 不 完全是靠不断勤奋地学习钻研而 4 来 有的人能够远远地超越其他人 与其说他是天才 不如说是由于他专心致 志地坚持学习 不达目的誓不罢休的那种不屈不挠的精神所致 这是道尔顿不 信东风唤不回的坚强毅力和追求真理的崇高精神的真实写照 但只有刻苦努力 是不够的 勤奋是获得成功的必要条件 但并不是与获得的成就成正比 还必 须掌握科学的研究方法 1 9世纪初 科学原子论产生历史条件已经接近成熟 不少科学家处于这一前沿领域的探索之中 但并非人人都能发现阿拉丁宝窟 不同的性格修养 知识结构 成长过程和研究方法形成了科学家不同的研究风 格 就实验技术甚至化学知识而论 道尔顿并不比盖吕萨克以及当时一些计量 化学家高明 而唯独他能够首先廓清千年迷雾 克服各种逻辑上和方法上的困 难 首创科学原子论 完成了科学史上一项伟太的勋业 其重要原因在于道尔 顿掌握了科学的思想方法和研究方法 3 1 较高的哲学素养 原子论本身既是一个科学问题 叉是一个哲学问题 道尔顿洞察了以往原 子学说的根本缺点 抓住了原子具有重量的基本特征 善于通过哲学的思考 不自觉地运用了量转化为质的规律 把原于量作为判别元素的标准 正是原子 量的不同造成了元素质的差别 他认为 具有重量的各种物体中昔遍具有这 种或那种吸引力外 在我们认识的各种物质中还有一种力作用着 这种力也是 同样普遍的 这是一种排斥力 正是这两种巨大的相互对立的吸引和排斥的力 量通过相互制约 相互调节使得三种不同的状态 弹性流体 液体和固体能 够出现 显然 道尔顿把吸引与排斥的对立统一作为自然界的一种普遍矛盾来 看待 并结合原子论阐明物质三态转化和气体的性质 他以哲学家的头脑 力 图赋予古代原子论以崭新的内容 用来解释物质的化学运动 在构思新的原子 论的过程中 道尔顿经常借助于哲学思维 他说 化学分解和化学结合只不 过是把这些终极质点或原子彼此分开 叉把他们联合起来而已 在化学作用范 围内 物质既不能创造也不能消灭 要创造一个氢原子 犹如向太阳系引进一 颗新的或消灭一颗原有的行星一样的不可能 我们所能进行的一切变化无非是 把处于化合状态的原子分开和把分离的原子联合起来 道尔顿善于把物质化学 运动的内在矛盾提高到哲学的高度来认识 使他的科学认识论具有深刻的哲理 性 在当时的自然科学领域中 一方面盛行的蔑视理论思维的狭隘经验论的思 潮 另一方面化学家又受到机械论形而上学自然观的束缚 把各种现象和规律 看成是一些彼此毫不相干的孤立的东西 妨碍了人们对事物内部规律及其相互 联系的认识 道尔顿敢于冲破传统哲学思想的羁绊 把正确的哲学思考与观测 事实巧妙地结合起来 终于使思辨的猜想I变成了科学的理论 一些在化学计量 学研究中造诣颇深的化学家 由于只满足于实验研究的具体结果 缺乏科学 方法论的指导 虽然做出了不少实验发现 但并不能使之上升为理论 戴维曾测 定了氮的三种氧化物 N O NO NO 的组成 离倍比定律只一步之遥 但却被 挡在倍比定律的门外 因为根据这些实验结果仍不能直接化物 CO和CO 以及甲 烷和乙烯归纳出倍比定律 而道尔顿在原子论正确哲学思想的指导下 分析了 碳的两种氧的组成 意识到与相同质量的某元素相化合的另一种元素的质量比 应等于它们原子个数比 从而演绎出倍比定律 这个历史事实充分说明了树立 科学的自然观和正确方法论对科学研究的重大作用 3 2 善于继承和勇于批判创新 道尔顿在科学研究中善于继承前人的科学思想和研究成果 并能用批判的 眼光加以严格地审查t吸收其合理的思想 来建立自己的假说 他十分熟悉自古 5 以来各派的原子学说 特别是牛顿物理原子论的观点t在道尔顿构思科学原子论 的过程中起了十分重要的作用 他接受了牛顿的原子概念和物理学的思想 但 并不是简单机械地重复 而是加以批判地继承 把原子量作为自己原子论的核 心 并进一步提出了通过化学分析求算原子量的方法 拉瓦锡虽然提出了近代 科学的元素概念 但当时对哪些物质是真正的元素 哪些物质属于尚未分解的 化合物 化学家们依然没有把握 道尔顿开始虽然处于化学发展的主流之外 却大胆地接受了拉瓦锯的元素说和元素表 并把元素作为划分原子种类的依据 赋予了元素新的含义 他把其他化学家发现的化学基本定律加以验证 作为论证 自己原子学说的实验根据 借鉴而不盲从是道尔顿科学研究的一个显著特点 他说 由于在我前进过程中常因相信别人的结果而被引入歧途 我决心尽量少 写一些 除非我能够用自己的实验加以证实 对于别人的设想和推论 我则在 自己的经验使我确信之前 保留着某种怀疑 继承是科学得以延续的必要条件 而批判和创新则是科学不断向前发展的灵魂 因此也是一位科学家必须具备的 基本素质 道尔顿正确对待继承与创新的辩证关系 是他能够做出重大发现的重 要原因 3 3 善于把观察和思考 科学实验与丰富的想象力相结音 科学实验与理论思维的巧妙结合 并利用合乎逻辑的分析 归纳和演绎形 成假说 进而再通过实验验证假说 这是道尔顿研究方法中的显著特点 道尔 顿的原子论首先产生于对大气物理现象的观察和研究 正如1810年道尔顿在皇 家研究院讲学时所说 起初对于物理上的考虑 把我引导到化学原子论 气 象学的研究引导他进一步考察了大气的性质 由于长期傲气象记录 思考大 气组分的性质 我常常感到奇怪 为什么复合的大气t两种或更多种弹性流体的 混合物竞能在外观上构成一种均匀体 在所有的力学关系上都同简单大气一样 正是在长期坚持不懈地从事气象观测的过程中 他逐渐领悟到原子的客观存在 对于复合大气的均匀性和气体扩散现象进行了多方面的理论思考以后 经过一 番缜密地演绎推理 指出了牛顿原子论中原子相互排斥观点的局限性 以及贝 托雷用化学亲合力来解释大气均匀性的不合理性 提出了同种原子相互排斥和 不同原子不排斥的假说 并结合不同物质的原子大小和重量都不相同 因此相 互接触时形成不平衡作用力的思想 比较满意地解释了气体分压定律和扩散现 象 他还通过溶解度大小与气体比重的关系 清晰地勾画出原子的具体图 象 认识到各种原子不仅大小不同 而且具有不同的相对质量 进而提出了测 定原子量的问题 道尔顿1803年10月写的 论水和其他液体对气体的吸收 的 手稿中明确写道 为什么水不允许各种气体溶解的体积相似 我几乎相信这种 情况决定于几种气体的终极粒子的重量和数 探索各种物体终极粒子的相对重 量是一十完全新的课题 近来我明显成功地彻底研究了这个问题 这说明在 那时道尔顿已经清醒地认识到测定原子量对原子论的重要意义 并意识到自己 正涉猎于前人从未曾涉及的新领域 要求计算原子量必须要借助化学分析 于 是道尔顿把物理原子论的思想引进化学 尽管许多化学家已对多种气体化合物 的组成进行了定量分析 但利用这些数据仍不足以计算元素原子的相对质量 为此 道尔顿根据气体物理学的原理大胆地进行建设性的想象 从而提出了测 定原子量的化学方法 建立了化学原子论 尽管他求算原子量的假设过于主观 武断 缺乏事实根据 但毕竟是向化学家们提出了测定原子量的历史任务 总 之 道尔顿在剖立原子学说的过程中 总是首先根据大量的观察和实验事实 然后进行归纳和概括 用合乎逻辑的严格推理 来建立自己的理论体系 充分 6 体现了他丰富的想象力和创造精神 英国科学家丁铎尔 J Tyndal1 1820 1893 说 有了准确的实验与观察作为依据 想象就成为自然科学理论的缔造者 从化学 的事实出发 道尔顿建设性的想象形成了原子学说 尽管道尔顿的实验技术并 不高明 所得的实验数据也不狠精确 加上色盲生理缺陷 但他却能以非凡的 科学洞察力 运用卓越的理论思维 善于根据有限的甚至是有缺陷的实验事 实 得出正确的结论 提出科学的假说 英国研究道尔顿的著名学者罗斯科 H E Roscoe 1833 1915 对道尔顿这种科学方法就十分赞赏 评价道尔顿 似乎 是用他的手开始做实验 然而却是用他的头骑来结束这些实验的 道尔顿的 思想方法和研究方法与当时坚持狭隘经验论的化学家形成了鲜明的对照 他们 只擅长于实验研究 忽视理论思维 缺乏根据实验现象概括出科学理论的能力 而道尔顿既有注重实验研究又重视理论思维的可贵素质 善于把观察与思考 实践与理论进行巧妙地结合 这也是他能够克服重重困难 完成化学上一项划时 代创举的重要原因 近代科学原子论并非是完美无缺的理论 从哲学角度来讲 它仍然属于机 械论的范畴 没有说明原子间结合力的本质 道尔顿仍把原子看成是绝对不可再 分 没有内部结构的终极质点也是不符合事实的 如果我们承认科学的实验 性 那幺很显然 不变的原子就无法用实验的方法加以研究 理论也就不能对 实验做出相应的回答 这种用静态的理论模型来解释物质的变化是不符舍事物 辩证发展规律的 道尔顿对复杂原子组成的假设主观武断 致使原子量的测定 工作走了几十年的弯路现代科学原子论以近代科学原子论的发展为前提 基本 上克服了近代原子论的缺点 不仅证明了原子的可分性和原子结构的复杂性 而且对微观粒子的运动提出了动态的模型 化学家利用量子力学原理 揭示了 分子中原子间结合力的本质 化学键理论的发展使人们的认识愈来愈逼近分子 和原子中质点的动态图象 现代原子学说比近代科学原子论更具有辩证色彩t更 少机械性 人们依靠先进的科学技术手段 不仅证明了原子的可分性和可转化 性 而且日益倾向于物质结构具有无限层次的关节点的思想 分子 原子及各 种基本粒子只不过是物质在无限分割过程中的不同阶梯 追溯原子学说发生和发展的历史 我们可以清楚地看出 它在哲学上经历 了一个由