道尔顿的“原子论”与现代“原子—分子理论”的比较研究

【摘要】本文从两个理论提出的时代背景、研究方法，缺陷性以及进步性、对化学发展历史的贡献、对未来化学原子论发展的作用及畅想等方面进行了的比较研究，揭示了道尔顿的“原子论”与现代“原子-分子理论”的差别与联系，阐述原子论发展的过程及对化学发展突出贡献。

【关键词】原子论；原子分子论；比较

一.时代背景比较

19世纪化学发展迅速，法国哲学家伽桑狄受古希腊原子学说的影响，强调原子的大小和形状的原子论及机械哲学。波义耳有机械论宇宙观，认为物质和运动是宇宙的基本质料。通过大量化学实验，他深信万物是复杂的，不能用亚里士多德的“四元素”或医药化学家的“三元素”全部概括，自然界一定存在许多元素，结合生成各种复杂的物质，通过适当的分解方法，最后都变成元素。波义耳明确阐述科学的元素概念，虽有局限性，但与之前元素说完全区别开来，一扫化学研究中的神秘主义，为近代化学的发展指明方向。波义耳指出，实验和观察方法是形成科学思维的基础，化学应当阐明化学过程和物质结构，必须依靠实验来确定基本规律，他把严密的实验引入化学研究，使化学成为一门实验科学打下基础。随后拉瓦锡确定了质量守恒定律，使化学从定性研究方法和观点向定量研究发展。化学家们以弄清物质的组成及化学变化中反应物生成物之间量的关系为目的，将化学与数学方法结合，由此建立了一系列基本的化学定律，如当量定律、定比定律等。进一步揭示这些定律之间的内在联系。约翰.道尔顿研究的最值一提的是关于气体方面研究所得到的理论以及引发的一系列关于原子的理论。做气体实验时遇到了难以用当时已有的理论或者规律解决的问题。首先采用物理方法解释，解释不了混合气体研究内容呈现的规律和结论。其次运用古代原子论也无法解释。在大量实验事实基础上，大胆地猜想并且提出了轰动全世界的“道尔顿原子论”，震撼整个化学界，给化学界开创了新纪元，至今被奉为经典。随着科学家们研究工作的开展，道尔顿原子论的缺陷日渐凸显，传播越发困难。盖吕萨克由实验事实及反复验证提出气体实验定律，它的准确性更加说明道尔顿原子论的不足。道尔顿不肯承认盖吕萨克的说法。两种理论出现矛盾。阿伏加德罗将两者理论结合起来稍加发展提出属于自己的新理论--分子论。它的传播由于理论的不够精确性同样受到阻碍，同时仍然有很多顽固派科学家受旧的理论的束缚，支持道尔顿理论。后来康尼查罗对原子论发展作出突出贡献，独辟蹊径地研究化学史来论证原子- 分子论，体现了逻辑和历史的统一，更加准确和有说服力。毕竟顽固派势力强大，传播受阻，当时的科学技术也无法证明其准确性。在新一代科学家努力下，原子-分子论才为人接受。继而才发展到现代原子-分子理论。

二.研究方法的比较

道尔顿扬弃以古希腊科学家德谟克利特为代表的古代原子论研究气体物理性质和气象研究时大胆假设出原子论内容。曾假定各种物质包括气体在内都是由同样大小的微粒构成。进而研究空气的组成、性质和混合气体的扩散与压力。为了解开混合气体的组成和性质之谜，道尔顿日益重视气体和混合气体的研究，得出结论：各地大气都是由氧、氮、二氧化碳、水蒸气四种主要成分的无数微粒或终极质点混合而成。而气体的混合是因为相同微粒之间产生排斥扩散。“混合气体的总的压力等于各组分气体在同样条件下各自占有某容器时的压力的总的加和”的气体分压定律。某种气体在容器里存在的状态与其他气体的存在无关。若用气体具有微粒的结构去解释很简单，由此推论出物质的微粒结构即终极质点的存在是不容置疑的，由于太小把显微镜改进后也未必能看见。他选择古希腊哲学中的“原子”来称呼这种微粒。空气就是由不同种类、不同重量的原子混合构成的，确认原子的客观存在。而如果原子确实存在，那么根据原子理论来解释物质的基本性质和各种规律，就需要把对原子的认识从定性上升到定量的阶段。道尔顿的首篇化学论文《关于构成大气的几种气体或弹性流体的比例的实验研究》从氧和亚硝气（即氧化氮）的结合去探讨原子之间是怎样相互去化合的，并从中发现这几种原子间的化学结合存在着某种量的关系。道尔顿在分析甲烷和乙烯两种不同气体的组成时，发现它们都含有碳、氢这两种元素，在这两种气体中，当含炭量相同时，甲烷中的含氢量恰好是乙烯中含氢量的2倍。类似的情况普遍存在：甲乙两种元素能够相互化合且生成不同的化合物，这些化合物中，实验表明跟一定重量的甲元素相化合的乙元素的质量互成简单的整数比。于是，发现倍比定律。从原子的观点来看，某元素不仅可以和另一元素的一个原子进行化合，也可以和两个或三个原子化合。得到的结果与一定质量的某元素相互化合的另一元素的质量就必然成简单的整数比：1：2、1：3或2：3等。在原子观点的启迪下，道尔顿发现并解释了倍比定律，同时倍比定律的发现又成为他确立原子论的重要奠基石。道尔顿为了建立更加完善的原子论观点和验证气象研究方面特别是大气性质方面的成果得出的结论：“不同元素的原子重量和大小是不一样的”。他联想到了倍比定律及德国化学家里希特的当量定律，既然原子按一定的简单比例关系相互化合，若对一些复杂的化合物进行分析，把其中最轻的元素的重量百分数同其他的元素的重量百分数进行比较，就可得出一种元素的原子相对于最轻元素的原子的重量倍数，从物质的相对重量，推出物质的原子的相对重量即我们现在所说的相对原子质量。尽管由于他对一些复杂原子（分子）的错误认识及当时条件的限制，他测定的原子量误差很大，但人们对物质结构的一个基本层次——原子的的认识真正建立在科学的基础上了。受当时科技水平的限制，他的理论偏于理论性，无法用科学仪器检测来验证其准确性。但道尔顿原子论关于原子的描述和原子量的计算工作是项意义深远的具有开创性的工作，第一次把纯属猜测的原子概念变成一种具有一定质量的、可以由实验来测定的物质实体。1808年，法国化学家盖- 吕萨克通过多次实验结果及几番论证发现并提出气体实验定律，即“ 各种气体在相互起化学作用时常以简单的体积比相结合”。在此同时还发现：不但气体间的化合反应是以简单体积比的关系相作用，而且在化合后，气体体积的改变与发生反应的气体体积间也有明了的关系。由此他大胆地提出推论：“在同温同压下相同体积的不同气体都含有相同数目的原子”。这个推论表面上似乎是支持道尔顿的原子论，实际上却把道尔顿原子论推向了新的困境。阿伏加德罗在道尔顿基础上结合盖-吕萨克的理论假说提出了新的学说分子论，也由于理论的局限性遇到极大的困境。1811年，他发现阿伏伽德罗定律，即在标准状态下（0℃，1个标准大气压，通常是1.01325×10^5Pa），相同体积的任何气体都含有相同数目的气体分子，与气体内部化学组成和物理性质无关。它对化学的发展特别是原子质量的测定工作起了重大的推动作用。此后，又发现阿伏伽德罗常数，即1mol任何物质的分子数都约为6.023×10^23个分子。当时没有引起化学家们注意，以致在原子与分子、原子质量与分子质量的概念上继续混乱了近50年。直到他死后2年，科学家康尼查罗指出他应用了阿伏伽德罗理论可怡解决当时化学中的很多问题。在1860年在卡尔斯鲁厄重新宣读了阿伏伽德罗的论文，之后阿伏伽德罗的理论才被许多化学家所接受。在1871年，V.迈尔应用阿伏伽德罗的理论从理论上成功地解释了蒸气密度的特性问题。后来康尼查罗是通过研究化学史来论证原子- 分子理论的。解决了道尔顿原子论无法说明的领域。也将原子论发展到原子-分子理论。冲破了阿伏伽德罗理论的困境。但他也始终是把原子分子理论的微观起点停留在了原子层面，没能更推进一步。随着科技的发展，原子结构模型猜想也不断地演变：1904年汤姆生提出原子模型“葡萄干面包式”，1906年-1908年卢瑟福通过α粒子散射得出类似太阳系的原子模型，1913年玻尔提出了模型原子外电子做圆周运动，1924年法国科学家德布罗意提出光粒二相性再由薛定谔等人一起提出和发展量子力学模型，其中伦琴射线的发现，α粒子衍射法的运用，原子研究进入了更加微观的结构，质子，中子，电子相继发现。海森堡，海特勒，伦敦等科学家也都作出了巨大贡献，又一原子论新纪元在化学史上拉开帷幕。

三.具体内容的比较

道尔顿原子论：1.元素是由非常微小、不可再分的微粒即原子组成，原子在所有化学变化中不可以再分，并且保持着自己的独特性质。2.同一种元素的所有原子的质量、性质都是完全相同的。不同元素的原子质量和性质也是各不相同的，原子的质量是每一种元素的基本特征之一。3.不同的元素在化合时，原子之间以简单整数比的方式结合。被后人发现存在缺陷性，譬如说原子可以再分，分为质子，中子，电子等，同一种元素的原子有的性质不一样，如C-12有同素异形体金刚石，石墨而C-13则应用在同位素示踪，跟踪化学反应等运用在不同的领域。阿伏加德罗在结合道尔顿和盖吕萨克的理论基础上他提出了自己的假说，而原子-分子论的代表康尼查罗在阿伏加德罗假说的基础上，重申求物质分子量的一个实用的方法--蒸气密度法。他在原子学说的基础上，突破性地提出了从分子量求原子量的方法，后被称为康尼查罗法。他指出某些金属和非金属的分子量是不可能求得的，道明阿伏加德罗假说与杜隆- 培蒂定律的联系，还指出原子量和当量的区别和联系。康尼查罗论证了无机化学和有机化学的同一性。确立了书写化学式的具体原则。可谓是将原子论细化到具体。更加准确也更加实用，被更多的人们所接受，继而传播到全世界。康尼查罗对化学发展做出的贡献远不止在原子论上，是多方面的涉及。如今科技日新月异，从原子核电子的发现到现今夸克等更小为力的发现都是现代原子-分子论的集体发展。而道尔顿原子论与现代原子分子理论的关系凸显，道尔顿原子论是大基础，后者是顺科学传播受阻而发展起来的。所以道尔顿原子论和现代原子分子论两者是密切关联，发展的关系，是辩证统一的哲学关系。

四.真理性及缺陷性比较

道尔顿原子论是建立在拉瓦锡单质论基础上，在已发现氧、氢、氮等实际存在的原子之后提出的。在此之前还没有确立科学的单质论，只认识到空气原子，水原子等非实际存在原子，而道尔顿的原子论是直接结合定比定律和倍比定律等实验法则而产生的，导入定量描述的原子量概念，是原子观念和实验事实的结合，是科学的原子论学说。道尔顿的原子论在理论上解释了一些化学基本定律和化学实验事实，揭示了质量守恒定律、当量定律、定比定律、倍比定律的内在联系，使化学由定性描述发展到了定量描述，使它成为可验证的学说。道尔顿的原子论揭示了质量是化学元素基本特征的思想，是不自觉地运用量转化为质的规律，而后导致化学元素周期律的发现。各种化学现象、化学元素以及化学定律之间存在着内在的联系，这种联系为原子论所揭示，对当时占统治地位的形而上学的自然观又是一次有力的冲击，因而原子论的建立不仅在科学上，而且在哲学上也具有重大意义。道尔顿原子论是在化学史上继往开来的崭新一页。所提出的新概念和新思想，成为当时化学家们解决实际问题的重要理论。首先用它清晰地解释了当时正被运用的定比定律、当量定律。同时这一理论使众多的化学现象得到了统一的解释。特别是原子量的引入，原子质量是化学元素基本特征的思想，引导着化学家把定量研究与定性研究结合起来，把化学研究提高到新的水平。从此化学脱去了思辨哲学的外衣，而成为自然科学的重要学科。事实证明，如果没有原子论，化学仍将仍旧是一堆杂论无章的观察材料和实验的配料记录。道尔顿的原子论使人们冲破长期束缚思想的经院哲学、机械论哲学，不仅把化学引上科学之路，而且由搜集、记录材料为特征的经验描述阶段逐步过渡到整理材料、找出材料间内在联系的理论概括阶段，它为化学开辟了新时代。革命导师恩格斯评价说，“在化学中，特别感谢道尔顿发现了原子论，已达到的各种结果都具有了秩序和相对的可靠性，已经能够有系统地，差不多是有计划地向还没有被征服的领域进攻，可以和计划周密地围攻一个堡垒相比。”至今科学家们受到道尔顿原子论的启发也很大。而原子-分子论是在它上面发展起来的也作出了巨大贡献，弥补了道尔顿原子论的缺陷，是继承和发扬道尔顿原子论，意义深刻。目前仍然在快速发展之中。“夸克”的发现意味着原子论面对更多新的挑战。未来原子论的发展亟待当今科学家去思考与探究。历史的车轮永远会往前滚去，发展是必然的趋势。

参考文献：

[1]张家治：《化学史教程》，太原，山西教育出版社，2006年版

[2]盛根玉：《现代化学进展》，上海师大人文学院，《上海师大学报》

[3]王峰，《道尔顿与近代化学原子论》，武大人文学院，《湖北师范学院学报》2003.3

[4]Carmen J. Giunta：《Four Centuries of Atomic Theory》Department of Chemistry and Physics，Le Moyne College，Syracuse，NY 13214《AtomsinChemistry：FromDalton'sPredecessors to ComplexAtomd Beyond》2010.2s an

指导老师：邱道骥