穿越時(shí)空的對(duì)話

楊秀芬

（江蘇省高淳高級(jí)中學(xué) 江蘇 南京 211300）

原子論的產(chǎn)生和原子內(nèi)部奧秘的發(fā)現(xiàn)，在化學(xué)發(fā)展史中占有重要的地位，在這一系列的發(fā)現(xiàn)中，許許多多的科學(xué)家為此貢獻(xiàn)了畢生的心血。他們頑強(qiáng)的探索精神和科學(xué)的探索方法給我們留下了寶貴的精神財(cái)富。當(dāng)前實(shí)行新課程改革，將純知識(shí)的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向能力的培養(yǎng)，突出知識(shí)與技能、過程與方法、情感態(tài)度價(jià)值觀三大基本要素，新課改的要求與科學(xué)家的探索過程中的精髓不謀而合。但教材中對(duì)道爾頓原子論的內(nèi)容涉及較少，其教法也值得我們探討。筆者在校本課程和興趣小組的教學(xué)平臺(tái)上，對(duì)化學(xué)史的教學(xué)用“角色表演法”進(jìn)行了嘗試，主要用對(duì)話的方式展現(xiàn)英國化學(xué)家道爾頓（1766—1844）第一次科學(xué)、系統(tǒng)地提出原子論的主要?dú)v程。

一、對(duì)話實(shí)錄

今人：你創(chuàng)立的原子學(xué)說對(duì)化學(xué)學(xué)科的建立和發(fā)展起了關(guān)鍵性的作用，原子論是近代化學(xué)的基礎(chǔ)，你被恩格斯譽(yù)為“近代化學(xué)之父”。請(qǐng)問你是在什么歷史背景下提出 “物質(zhì)是由原子構(gòu)成的”？

道爾頓：從公元前到17世紀(jì)中葉，人們一直在尋思物質(zhì)是由什么構(gòu)成的，他們的想法雖沒有定論，但給了我一些啟發(fā)。如：英國化學(xué)家波義耳以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)建立了元素論，認(rèn)為“只有那些不能用化學(xué)方法再分解的簡單物質(zhì)才是元素”。1789年，法國化學(xué)家拉瓦錫提出元素是“化學(xué)分析所能達(dá)到的終點(diǎn)”，這一認(rèn)識(shí)豐富了波義耳的元素觀，他還發(fā)表了包含33種元素的元素表。他們所指的“元素”是“原子”的雛形。

另外，1785年，拉瓦錫用實(shí)驗(yàn)證明了：化學(xué)反應(yīng)發(fā)生了物質(zhì)組成的變化，但反應(yīng)前后物質(zhì)的總質(zhì)量不變。1791年，里希特發(fā)現(xiàn)了當(dāng)量定律：酸、堿、鹽之間的反應(yīng)存在確定的定量比例關(guān)系；1799年，法國藥劑師普羅斯提出了定組成定律：兩種或兩種以上的元素化合形成一種物質(zhì)時(shí)，其質(zhì)量之比是天然一定的；但人們還無法從理論上解釋這些實(shí)驗(yàn)定律。前人在物質(zhì)構(gòu)成方面的研究成果和對(duì)這些實(shí)驗(yàn)性定律的困惑是我創(chuàng)立原子論的重要基石。

英國化學(xué)及物理學(xué)家道爾頓（J．Dalton）

今人：你在研究什么現(xiàn)象時(shí)提出“物質(zhì)是由原子構(gòu)成的”假想的？

道爾頓：我對(duì)氣象做了幾十年的觀測，氣體間的混合為什么總是很均勻引起了我的思考。我提出過很多解釋，但總感到不滿意或缺乏依據(jù)。1803年，根據(jù)氣體的體積或壓強(qiáng)隨著溫度的升高而增大這一事實(shí)，我把氣體間的排斥力解釋為熱的作用，并且形象而明確地描述了氣體微粒原子。在同年9月6日的筆記中，寫到：“物體的最后——原子乃是在氣體狀態(tài)時(shí)被熱質(zhì)圍繞的質(zhì)點(diǎn)或核心”。也就是說，氣體原子有一個(gè)處于中心的核，周圍被一層熱質(zhì)所籠罩（形成熱氛），即中心的核與周圍的熱氛組成一個(gè)氣體原子，由于熱氛的存在，氣體原子之間產(chǎn)生排斥力；當(dāng)溫度升高時(shí)，這種熱氛就增加，排斥力增大，氣體的體積或壓強(qiáng)就隨之增大。

今人：原子論的主要觀點(diǎn)有哪些？

道爾頓：1803年10月21日，在曼徹斯特的“文學(xué)和哲學(xué)學(xué)會(huì)”上，第一次闡述了關(guān)于原子論以及原子量計(jì)算的見解，并公布了第一張包含有21個(gè)數(shù)據(jù)的原子量表。其主要論點(diǎn)是：

（1）元素的最終粒子稱為簡單原子，它們極其微小，是看不見的，是既不能創(chuàng)造，也不能毀滅和不可再分割的。它們?cè)谝磺谢瘜W(xué)反應(yīng)中保持其本性不變。

（2）同一種元素的原子，其形狀、質(zhì)量和各種性質(zhì)都是相同的；不同元素的原子在形狀、質(zhì)量和各種性質(zhì)上則各不相同。每一種元素以其原子的質(zhì)量為最基本的特征。

（3）不同元素的原子以簡單整數(shù)比相結(jié)合，形成化合現(xiàn)象。化合物原子稱為復(fù)雜原子。復(fù)雜原子的質(zhì)量為所含各種元素原子質(zhì)量的總和。同一化合物的復(fù)雜原子，其組成、形狀、質(zhì)量和性質(zhì)必然相同。

今人：哪些實(shí)驗(yàn)或理論證明了假想的科學(xué)性？

道爾頓：一是我做了混合氣體壓強(qiáng)測定。將氮?dú)夂脱鯕饣旌希旌蠚怏w的總壓強(qiáng)等于氮?dú)夂脱鯕獾姆謮褐汀Ｓ?801年提出氣體分壓定律，分壓定律說明了氣體具有擴(kuò)散性，擴(kuò)散性說明了物質(zhì)的微粒性。

二是測定原子的質(zhì)量（原子量）。原子是微粒，是質(zhì)點(diǎn)，是物質(zhì)的基本構(gòu)成，它就應(yīng)該有質(zhì)量。不同的原子應(yīng)有不同的質(zhì)量，這是原子最基本的特性之一。只有賦予原子以質(zhì)量的意義，我的原子論才不同于以往哲學(xué)臆測的原子論，而具有了科學(xué)定量實(shí)驗(yàn)的特征。在此之前，沒有人進(jìn)行這一方面的測量。為此，我決定測出原子量，這樣才能使原子的存在得到確證。

三是我用原子論為基礎(chǔ)導(dǎo)出：兩種元素化合得到不止一種物質(zhì)時(shí)，這些物質(zhì)中的元素質(zhì)量存在整數(shù)倍的比例關(guān)系——倍比定律，并得到證實(shí)。如，在分析一氧化碳和二氧化碳時(shí)，兩種氣體的碳、氧質(zhì)量比分別為5．4∶7和5．4∶14，而兩氣體中氧的質(zhì)量比為 1∶2。

四是用原子論能合理解釋當(dāng)時(shí)的質(zhì)量守恒定律、當(dāng)量定律、定組成定律等實(shí)驗(yàn)定律。

今人：反映原子論的著作是什么？

道爾頓：1808年，我最重要的著作 《化學(xué)哲學(xué)新體系》（第一冊(cè)）出版，在書中全面闡述了原子學(xué)說及其實(shí)驗(yàn)根據(jù)，對(duì)1803年的原子量做了多處修正，還設(shè)計(jì)出一套符號(hào)來表示各種原子。

今人：提出“不同原子有不同的質(zhì)量”、測量“原子質(zhì)量”是你的原子論能超越前人的一個(gè)重要方面。你是如何測原子量（原子相對(duì)質(zhì)量）的？

道爾頓：原子很小，無法測一個(gè)原子的質(zhì)量，我想只能測各種原子質(zhì)量的相對(duì)大小，即原子的原子量。假定在同溫同壓下，相同體積的氣體含有相同數(shù)目的原子，可以測定氣體的相對(duì)密度來算出原子的相對(duì)質(zhì)量。但在氫、氧燃燒合成水的實(shí)驗(yàn)中，測得的水蒸氣的密度反而小于氧氣密度。而用當(dāng)時(shí)原子的觀點(diǎn)認(rèn)為水蒸氣的密度應(yīng)大于氫氣或氧氣的密度，這一事實(shí)說明用氣體密度法測原子量是行不通的。

今人：這是由于當(dāng)時(shí)還沒有弄清原子與分子的區(qū)別，還沒有真正揭示物質(zhì)的構(gòu)成方式。

道爾頓：我轉(zhuǎn)向用化學(xué)法測原子量。在拉瓦錫已測得水是由85份氧和15份氫組成的基礎(chǔ)上，將氫的原子量定為基準(zhǔn)值1，假定水是由一個(gè)氧原子和一個(gè)氫原子組成，氧原子質(zhì)量約為氫原子質(zhì)量的5．66倍，因此，得到氧的原子量為5．66。還假定氨氣是由氮、氫組成的二元物，由分析結(jié)果（含氫20%，含氮80%）得出氮原子量約為氫原子的4倍，氮的原子量為4，以此類推，得到了最早的一張?jiān)恿勘怼?/p>

今人：你測出的數(shù)值和現(xiàn)在所測的數(shù)值相距甚遠(yuǎn)，誤差主要出在水是由分子（2個(gè)氫原子與一個(gè)氧原子）構(gòu)成，而不是一個(gè)氫原子與一個(gè)氧原子，其它物質(zhì)的組成假定也有類似問題。但已使人們樹立了原子量是原子的基本屬性的觀念，開辟了定量理論研究的先河，從而為你的原子論奠定了基石。

道爾頓：由于當(dāng)時(shí)認(rèn)識(shí)水平的限制，我只從“思維經(jīng)濟(jì)原則”出發(fā)，斷定“水原子”由一個(gè)氧原子與一個(gè)氫原子構(gòu)成，再加上當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)水平不足，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)精確度低，所測的原子量很不精確。同時(shí)也說明我犯了主觀臆斷的錯(cuò)誤。

今人：你所創(chuàng)立的原子論在當(dāng)時(shí)遇到什么困難嗎？

道爾頓：正是由于原子量測得不準(zhǔn)，在定量實(shí)驗(yàn)中使用不完全正確的原子量就得到不符合實(shí)際的結(jié)論，因而遇到了巨大的阻力。正因?yàn)榇耍骶S和法拉第認(rèn)為沒有必要相信原子論。1834年，法拉第電化學(xué)當(dāng)量定律的發(fā)現(xiàn)，使人們更趨向于使用當(dāng)量值進(jìn)行定量研究，原子論更是“雪上加霜”。而原子量測定工作一再出現(xiàn)矛盾和反復(fù)，原子論幾乎要“流產(chǎn)”。我雖然一時(shí)無法改變這一局面，但許多事實(shí)又證明了原子論的合理性，因此我還是堅(jiān)持我的觀點(diǎn)。同時(shí)我要感謝瑞典化學(xué)大師貝采里烏斯，他和他的同事、學(xué)生分析了約兩千種物質(zhì)的組成，采用了多種理論和方法，分別于1818年和1826年取得了比較精確的原子量。他們這些浩繁的工作為原子論的復(fù)興打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。從中可以看出，新理論的產(chǎn)生不一定在短期內(nèi)就被人們接受，有一個(gè)過程，也有反復(fù)，這就要有決心和毅力。要遵循實(shí)驗(yàn)事實(shí)，在實(shí)事求是的基礎(chǔ)上敢于創(chuàng)新和向傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)挑戰(zhàn)，因循守舊將一事無成。

今人：在你的研究中，哪些學(xué)者給予了你幫助和啟發(fā)？

道爾頓：在原子論的產(chǎn)生過程中，許多學(xué)者給予了極大的幫助，主要有我的摯友亨利（1774-1836）和湯姆遜（1773-1852）等人。亨利曾說過：“每一種氣體對(duì)于另一種氣體來說，等于是一種真空”。這句話引起許多科學(xué)家的反對(duì)，我用實(shí)驗(yàn)證明了它的正確性，同時(shí)也為氣體分壓定律建立了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。亨利經(jīng)常有新奇而深刻的想法，但他缺乏勇氣將它們總結(jié)并公之于眾。1802年，在我的鼓勵(lì)下，亨利在英國皇家學(xué)會(huì)詳細(xì)說明了氣體溶解度與其分壓的關(guān)系：一種氣體在水中的溶解度正比于這種氣體的分壓強(qiáng)，這條定律后來被尊稱為“亨利定律”。受他的啟發(fā)，在其后的研究中注意到，在相同的壓強(qiáng)下不同氣體的溶解度差別很大。我設(shè)想：“一系列氣體的溶解度與這些粒子的重量有關(guān)”，這大概就是我對(duì)原子質(zhì)量的最初想法。

在1804年，蘇格蘭化學(xué)家湯姆遜與我熱烈、詳細(xì)地討論了原子學(xué)說。在以后的幾年里湯姆遜熱情地稱贊和宣揚(yáng)原子學(xué)說，使這一學(xué)說很快被廣大化學(xué)界學(xué)者所熟悉。我也受到湯姆遜的啟發(fā)，將原子論的研究重點(diǎn)由原來的物理方面轉(zhuǎn)向了化學(xué)方面，使我認(rèn)識(shí)到：倍比定律對(duì)原子論的證明具有重要意義，便重點(diǎn)研究了這一課題。從中體會(huì)到在科學(xué)研究中要善于與別人合作交流，善于吸取別人的長處，閉門造車只會(huì)使發(fā)展速度大大減慢或走入死胡同。

今人：你的原子論的觀點(diǎn)在現(xiàn)在看有許多不足，你如何看待這一問題？

道爾頓：由于當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)、理論水平的限制，所提出的理論只能有這么的深度，但我和我同時(shí)代的人認(rèn)為它糾正了我的前人的不足，至于這一理論是否完全正確或有沒有瑕疵要靠后來的事實(shí)去證明和糾正。反過來說，如果前人把什么理論都研究透了，那后人不就“坐吃山空”了嗎？這也說明科學(xué)理論是隨時(shí)代的發(fā)展在不斷地發(fā)展和完善，科學(xué)理論有時(shí)代性和局限性，同時(shí)也為科學(xué)創(chuàng)新、科學(xué)探究留下了空間。

今人：確實(shí)如此。在你之后，意大利物理學(xué)家阿伏加德羅提出了分子的概念。他指出：“所有相等體積的氣體，無論是元素、化合物還是混合物，都有相等的分子數(shù)。氣體元素的最小粒子不一定是單原子，很可能是由多個(gè)原子結(jié)合成的單一分子，同等體積的氣體原子數(shù)目雖然不同，但分子數(shù)目是一樣的”。但很長時(shí)間內(nèi)，人們沒有重視阿伏加德羅的理論，化學(xué)家們根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，測得的原子量也不同。到了1858年，意大利化學(xué)家坎尼查羅提出，只有接受阿伏加德羅的理論，才能真正解決物質(zhì)組成的表示方式（化學(xué)式）問題和原子量問題，他的觀點(diǎn)得到了人們的贊同，近代的原子-分子論才得以確立，原子論也才得以徹底的證實(shí)。

今人：你有什么未了的想法嗎？

道爾頓：我在研究原子的過程中，因?yàn)檫€沒有真實(shí)感受到原子的存在，有一種紙上談兵的感覺。

今人：現(xiàn)在人們已能看到原子了。1981年，瑞士蘇黎世IBM公司研究實(shí)驗(yàn)室的兩位科學(xué)家賓寧和羅赫爾研制成了一種掃描隧道顯微鏡（STM），可以很精確地觀察材料的表面結(jié)構(gòu)。1988年，中國科學(xué)家設(shè)計(jì)制成了新型的STM，其分辨率達(dá)到原子級(jí)，能操控原子。如在硅晶體表面寫出最小的漢字——“中國”。從而使原子的存在得到了確認(rèn)，也為進(jìn)一步探索微觀世界的奧秘，提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)。這也說明實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展是理論發(fā)展的保障。

二、對(duì)話感悟

這種對(duì)話教學(xué)方式從歷史事件本身、理論發(fā)展過程、研究方法、個(gè)人情感態(tài)度等方面客觀地再現(xiàn)了歷史，教法新穎，易被學(xué)生接受。同時(shí)這一方法要求學(xué)生去查閱大量資料，做好提問的準(zhǔn)備，這本身就是化學(xué)史教學(xué)的有效途徑。再讓學(xué)生了解科學(xué)家生平，在此基礎(chǔ)上讓學(xué)生形成一個(gè)有血、有肉、有情感且具體而豐滿的人物形象，讓學(xué)生感到偉人就在我們身邊，我們正沿著偉人的路走下去。

現(xiàn)在這種方法僅僅在小范圍內(nèi)進(jìn)行了嘗試，還有待和同行們進(jìn)一步探討、完善，也希望得到專家們的指教，以便引入全體學(xué)生的課堂教學(xué)中。

［1］ 北京師范大學(xué)、華中師范大學(xué)、南京師范大學(xué)合編．無機(jī)化學(xué)（第四版）［M］．北京：高等教育出版社，2002．8：14-16

［2］ 王玉枝，蔡炳新，汪秋安編著．實(shí)用大學(xué)化學(xué)手冊(cè)［M］．長沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2005．10：1-14