原子理論的發展—紀念道爾頓原子理論發表２００周年

江玉安

摘要：回顧了原子理論的發展歷史，并評述了原子理論的發展過程。

關鍵詞：原子；原子論；原子模型；原子理論

文章編號：1005－6629(2009)01－0055－04中圖分類號：G633.8文獻標識碼：B

人作為智慧生命，與其他生命體的根本區別在于有思想，會思考。2007年5月14日，溫家寶總理在同濟大學建筑與城市規劃學院鐘廳向師生們作了一個即席演講，其中就講到：一個民族有一些關注天空的人，他們才有希望；一個民族只是關心腳下的事情，那是沒有未來的。溫家寶總理是想說明，理性思考是推動人類文明發展的主要動力，思考的廣遠與深邃則是文明發展程度的重要標志。原子理論的發展是一個生動的事例。

1古典原子論

古希臘是人類文明的光輝時代，產生了一大批著名的哲學家、思想家，古希臘文明是西方文明的源頭。古希臘的一批哲人面對紛繁多樣的世界，產生了很多思考：這紛繁多樣的世界有著簡單的共同組成嗎？物質可以被無休止地一直分割下去，還是存在構成世界的最小物質結構單元？古希臘學者亞里士多德（前384～前322）認為物質是連續的，也就是說，人們可以將物質無限制地分割成越來越小的小塊，人們永遠不可能得到一個不可再分割下去的最小顆粒。我國戰國時期也有“物質是連續的”這樣類似的思想，《莊子·天下篇》中就有“一尺之棰，日取其半，萬世不竭”的說法。但公元前5世紀的古希臘哲學家留基伯則認為：物質的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。他的學生德謨克利特（前460～前362）接受了這種物質碎片會小到不可再分的觀念，并稱這種物質的最小組成單位為“原子”（意思是“不可分割”）。現在化學中的原子一詞就來自于德謨克利特的命名。德謨克利特認為事物的本源是原子的排列。原子是組成一切物質的基本單位，是不可再分的終極微粒。各種物質中原子的數目不同，但各種物質性質的不同只是表觀的，而不是實在的。火的原子和水的原子在本質上是一樣的，只是形狀不同而已。所有的物質都是由同樣的固定不變的原子所組成。物質之所以有形態、顏色、味道等許多不同，只是因為組成它們的原子有大小、形狀及排列方式的不同。與德漠克利特同時代的人恩培多克勒（Empedocles）則持有不同的觀點，他認為有若干種不同的原子，它們按不同比例摻雜起來，就構成了各種物質。恩培多克勒基于當時處于萌芽階段的化學知識，提出了四種原子，以對應當時被認為是最基本的四種物質：土，水，空氣和火。

古希臘的原子論只是猜測和假設，屬于思辨的范疇，沒有事實可以說明，也無法得到實驗的驗證，因此古典原子論不能稱為科學，只是哲學觀點、哲學思想。實證是科學的基本特征。

在中世紀，西方的經院神學家們卻因為原子論與宗教學說教義相沖突而激烈反對這種觀點，因此古典原子論在中世紀的歐洲并沒有影響力。亞里士多德關于物質是連續的學說才是正統的。原子學說直到2000年后的17世紀才得以復活，“古代哲學家的那些理論，現在又在大聲喝彩中復興了，仿佛是現代哲學家發現的”（ 英國化學家玻義耳語）。古典原子論隨著文藝復興及近代科學的產生而重新引起人們的重視，更重要的是，哲學家的思想火炬開始傳遞到科學家手中，開始由思辨逐步轉化為科學。玻義耳在其著作《懷疑派的化學家》（1661年出版）中提出“猜測世界可能由哪些基質組成是毫無用處的，人們必須通過實驗來確定它們究竟是什么”，玻義耳顯然點出了古典原子論和科學原子論的本質區別。原子論到底是不是科學的，那是要有事實依據、經實驗檢驗的。他把任何不能通過化學方法將其分解成更簡單組分的物質稱為元素。在他看來，“元素……是指某種原始的、簡單的、一點也沒有攙雜的物體。元素不能用任何其他物體造成，也不能彼此相互造成”。后來使化學發生革命的化學家拉瓦錫把“元素”或“要素”定義為“分析所能達到的終點”。

玻義耳（1627－1691）是化學的奠基人，恩格斯高度評價玻義耳：“玻義耳把化學確立為科學”。化學成為科學是以玻義耳出版《懷疑派的化學家》（1661年）為標志的。如果說玻義耳對原子論的復活起到了重要作用，那么，真正讓原子論成為科學理論的卻是道爾頓。

2 道爾頓原子模型

道爾頓（1766－1844）原子論的提出有兩個重要的科學基礎，一是法國化學家普羅斯于1801年提出的定比定律（也稱定組成定律）：參與化學反應的物質質量都成一定的整數比；或者說，每種物質都有固定的組成。例如1克氫和8克氧化合成9克水，假如不按這個一定的比例，多余的就要剩下而不參加化合。二是道爾頓自己發現的倍比定律：當兩種元素所組成的化合物具有兩種以上時，在這些化合物中，如果一種元素的量是一定的，則另一種元素在各化合物中的相對質量有簡單倍數之比。倍比定律是在1803年由道爾頓用實驗驗證的。

為什么會有定比定律和倍比定律呢？道爾頓因此提出了他的原子學說。道爾頓用的就是德謨克利特的那個“原子”名詞。正是這一借用，才使德謨克利特的古典原子論卓爾不群，也使道爾頓的原子論找到了歷史源頭。道爾頓的原子學說主要包含三個重要觀點：①原子是不能再分的粒子；原子在所有化學變化中均保持自己的獨特性質，原子既不能創造，也不能消滅。②同種元素的原子的各種性質和質量都相同，不同元素的原子，其形狀、質量不同，各種性質也不相同；原子的質量是元素的基本特征。 ③化合物是由組成元素的原子聚集而成的“復雜原子”；在構成一種化合物時，其成分元素的原子數目保持一定，而且保持著最簡單的整數。道爾頓的原子論在1803年提出，在1808年公開出版的名著《化學哲學的新體系》中作了系統地闡述。道爾頓的原子論與已發現的元素相對應，有多少種元素就有多少種原子；道爾頓還提出了原子量的概念，并用實驗的方法測出了不少原子的相對原子質量。這樣道爾頓就第一次把純屬猜測的、定性描述的原子概念變成一種具有一定質量、可以由實驗來測定的物質實體，成為化學家們定量解釋化學變化的重要理論。德謨克利特不但沒有說明“原子”的質量有多大，而且認為原子只有一種，這與道爾頓的原子論不可同日而語。恩格斯對道爾頓的原子論給予了高度的評價：“化學中的新時代是隨著原子論開始的，近代化學之父是道爾頓。”后來的阿伏加德羅分子假說是對道爾頓原子理論的發展與完善，門捷列夫的元素周期律則是以原子的相對質量從小到大排列的順序為基礎而發現的。

3 現代原子理論

直到19世紀末，人們還都認同道爾頓的“原子不可分”這一觀點。但隨著一個接一個科學新發現，這種信念終于被打破了。1895年11月8日，德國物理學家倫琴（1845～1923，獲1901年首屆諾貝爾物理學獎）發現了X射線；1896年5月18日，法國物理學家貝克勒爾（1852～1908，與居里夫婦因發現放射性同獲1903年的諾貝爾物理學獎）發現了天然物質鈾的放射性現象，后來居里夫婦又發現已知元素釷的放射性，并發現了新的放射性元素釙和鐳（瑪麗· 居里因此獲1911年諾貝爾化學獎）；1897年4月30日英國物理學家湯姆遜（1856～1940，獲1906年的諾貝爾物理學獎）發現了電子。X射線、放射性。電子的發現被稱為19世紀末物理學的三大發現。這三大發現，特別是電子的發現突破了道爾頓原子模型的框架，打開了原子大門。既然電子是從原子中跑出來的，那么就說明了原子并不是最小的終極微粒，原子是可分的。

3.1湯姆遜原子模型

打開大門的原子其結構是怎樣的呢？電子是帶負電的微粒，而已知原子是電中性的，所以原子中必然有帶正電的部分。帶負電的電子和原子中帶正電的部分是怎樣結合的呢？1904年湯姆遜提出了一種原子模型，認為原子的主體部分是一個平均分布著正電荷的原子球，帶正電荷的原子球中鑲嵌著許多電子，電子中和了正電荷，從而形成了中性原子。原子中的正負電荷通過靜電作用達到穩定，電子就像葡萄干鑲嵌在原子球的面包上一樣，這個模型被叫做葡萄干面包模型。

3.2盧瑟福原子模型

湯姆遜的學生盧瑟福（1871～1937，因發現原子的衰變獲1908年的諾貝爾化學獎）在研究原子結構時，他做了著名的α粒子（氦核）的散射實驗。實驗用高速飛行的α粒子作為“炮彈”，去轟擊極薄的金箔，發現絕大多數α粒子仍在向前行進，并不改變它們的前進方向，但是也有一小部分α粒子改變了原來的途徑，有一定角度的偏轉，即發生了散射現象；只有極少數的α粒子（八千至一萬中有一個）偏轉得特別厲害，甚至完全彈了回來。由此，盧瑟福得到了令人驚訝的結論：只有假設入射α粒子與原子的正電部分相距小于原子直徑的千分之一，才能對觀察到的散射現象做出解釋；而這又只有在入射α粒子和原子的正電部分統統比原子本身小上千倍時才能說得通。因此，盧瑟福的發現推翻了湯姆遜的原子模型，把湯姆遜那一大塊正電體變成一小團位于原子正當中的原子核，而那群電子則留在外邊。因此，湯姆遜葡萄干面包模型原子結構被盧瑟福的“太陽系－行星系式”原子模型（其中原子核是太陽，電子是行星）所取代，這是1911年發生的事。

原子和太陽系的這種相似性還由下述事實得到更進一步的加強：原子核占整個原子質量的99.97%，太陽占整個太陽系質量的99.87%；電子間的距離與電子直徑之比也與行星間距離與行星直徑之比相近（達上千倍）。

然而，最重要的相似之點在于，原子核與電子間的電吸引力也好，太陽與行星間的萬有引力也好，都遵從平方反比規律（即力與兩者距離的平方成反比）。在這種類型的力的作用下，電子繞原子核描繪出圓形或橢圓形的軌道，如同太陽系中各行星和彗星的情況一樣。

3.3玻爾原子模型

盧瑟福的學生，丹麥的物理學家玻爾（1885～1962，因對量子理論的貢獻獲1922年的諾貝爾物理學獎）發現原子的“太陽系－行星系式”模型存在嚴重的缺陷：首先這是一個不穩定的電子運動系統，因為當電子繞核運動時應該不斷地輻射電磁波，電子的運動能量也應不斷減少，最后會使電子墜落到原子核上，原來的原子很快就會毀滅，這顯然與事實不符；其次，電子在繞核運動中能量逐漸減少，輻射的電磁波的頻率應是逐漸變化的，發出的光譜應是連續的，但實際測得的原子光譜，卻不是連續的光譜，而是由分立的譜線組成，這又是“太陽系－行星系式”模型無法解釋的。

1913年玻爾依據普朗克的量子理論，提出了原子的量子化軌道模型的假說。他假定原子中電子只能在具有一定能量的特定軌道上運動而不能在任意軌道上運動，電子在這些特定軌道上運動時，既不吸收能量也不輻射能量；當電子從能量高的軌道向能量低的軌道躍遷時，它們就發射電磁波，反之就吸收電磁波。顯然，由于電子在原子中各穩定態（軌道）的能量是分立的（不連續的，即量子化的），所以所獲得的光譜線的頻率自然也是分立的。玻爾的量子化軌道模型成功地解釋了氫原子的原子線狀光譜，也解答了電子為什么不會落到原子核上的問題。

3.4 現代原子模型

但是玻爾的量子化軌道模型卻不能解釋多電子原子的原子光譜，對氫原子光譜的細節部分也解釋不了，這是因為原子、離子、電子等微觀粒子的運動規律與宏觀物體的運動規律是迥然不同的。只有從微觀粒子的本性——波粒二象性出發，才能使探究核外電子運動的研究邁向一個嶄新的階段。1923年法國物理學家德波羅意（1892～1987，獲1929年的諾貝爾物理學獎）提出電子等微觀粒子也具有波動性和粒子性的假說，1926年奧地利物理學家薛定諤（1887～1961，與P.A.M.狄拉克共獲1933 年諾貝爾物理學獎）建立了電子波動方程。運用薛定諤波動力學建立的原子模型又是一個全新的模型：除原子核近似看成不動外，核外的電子并不是繞著原子核旋轉的情況，電子的運動遵守測不準原理和統計規律。“測不準原理”是由德國物理學家海森堡（1901～1976獲1932年諾貝爾物理學獎）提出的。電子在核外有些地方出現的幾率大，在有些地方出現的幾率小，通常用所謂的“電子云”名稱形象地加以描述。電子運動的軌道也不是傳統意義上的軌道，而是通過求解薛定諤波動方程的一個統計值，指的是電子出現幾率最大的區域。這個建立在量子力學基礎上的原子結構模型才是今天我們認識的、完整的、科學的原子結構理論。

現代原子結構理論才是化學的根本理論。原子的化學性質實際上就是電子特別是價電子的性質；元素性質的周期性變化規律是電子分層排布引起的自然結果。現代原子理論使我們可以預測原子的化學性質，也從根本上解釋了元素周期律的原因。

還需補充說明的是，雖然道爾頓的原子理論被大多數化學家欣然接受，物理學家的原子論也很有市場，但是不同的聲音從來就沒有消失過。相當一部分的物理學家因原子論缺乏物理實驗證明而拒絕承認。到了1905年，愛因斯坦在其"奇跡年"中完成了一篇關于布朗運動的論文，在這篇論文中愛因斯坦對支配布朗運動的定律做了推導，首先將布朗運動的研究量化。接著，在1908年，法國物理學家佩蘭做了驗證性實驗。這一出色實驗使分子實在性的證據變得明確無誤，說服了絕大多數的物理學家。1982年賓寧和羅雷爾在IBM公司蘇黎士實驗室發明了一項非凡表面成像技術：掃描隧道顯微鏡（STM）。通過這一技術，人們可以獲得漂亮清晰的原子排列圖像，使科學家可償試操縱原子完成化學反應的途徑。

參考文獻：

[1]G·伽莫夫著.暴永寧譯. 從一到無窮大[M]. 科學出版社，2005.

[2]李松華主編.化學發展簡史[M]. 人民教育出版社，遼寧教育出版社，2000.

[3]韓雪濤.原子的歷程[J]. 《三思科學》電子雜志，2005.