讓·佩蘭
——原子論之爭的調停者

張瑞云 李 維

(天津師范大學教師教育學院,天津 300387)

·物理學家與物理學史·

讓·佩蘭
——原子論之爭的調停者

張瑞云 李 維

(天津師范大學教師教育學院,天津 300387)

阿伏伽德羅常數是中學物理中的一個重要常量,是聯系宏觀世界與微觀世界的一條紐帶．不僅如此,在早期的科學研究中,阿伏伽德羅常數更是證實“原子論”的最有力證據．在現今,分子和原子的存在已是一個不容置疑的事實,但原子論從誕生到被人們接受認可卻經歷了漫長而曲折的道路．尤其是在19世紀末,受到了來自科學界各派的詰難與質疑,其中以奧斯特瓦爾德為代表的“唯能論”對“原子論”的挑戰尤為激烈．“原子論”與“唯能論”之爭持續了20多年．直到1908年,法國物理學家佩蘭通過大量的實驗測得了一系列數值高度一致的NA值,證實了原子分子的存在,為微觀世界的研究開辟了一條嶄新的道路．佩蘭的名字可能沒有像愛因斯坦一樣被人熟知,但這個偉大的科學家所做的貢獻卻是可以永載史冊的．鑒于佩蘭是中學物理教學中可以涉及到的重要物理學家,通過對佩蘭科學研究工作的展示,可以使學生體會實驗研究的智慧與艱辛．本文簡單介紹佩蘭的生平和他的主要學術成就．

1 生平簡介

圖1 佩蘭(1870—1942)

讓·佩蘭(Jean Baptiste Perrin,1870—1942)(圖1),1870年9月30日生于法國里爾的一個普通家庭,父親也是一名物理學家,可惜英年早逝,母親含辛將其撫養成人．高中時,佩蘭就讀于法國里昂的公立男中,1890年畢業考入巴黎高等師范學院,1891年在導師布里淵的引導下開始了新的學習生涯．1895年佩蘭擔任物理助教,開始對陰極射線和X射線進行研究．通過研究,他洞察出了原子結構存在不連續性的可能,并于1901年提出了他稱之為“太陽系”的核行星原子結構模型,這個提法早于盧瑟福發現原子結構模型(1911年)之前．1896年佩蘭因對陰極射線和X射線的研究獲得倫敦皇家學會焦耳獎,并于1897年完成了X射線和倫琴射線的研究論文,獲得了“科學博士”學位．同年,佩蘭應聘到巴黎大學神學院任教,教授物理化學,于1903年編寫了對物理化學教學有著重要意義的《物理化學規律——原理》一書．在教學備課過程中,佩蘭開始對膠體粒子產生了興趣,而對膠體粒子的研究又引發了佩蘭對布朗運動的研究．佩蘭對布朗運動的研究開始于1906年,通過研究他發現了沉降平衡定律,證明了物質結構的不連續性,并因此于1926年獲得了諾貝爾物理學獎．佩蘭還曾在1912年獲得博洛尼亞的瓦勞利獎,在1913年獲得巴黎科學院的萊開譯獎．

1913年,佩蘭在總結了其他科學工作者以及自己對原子分子研究成果的基礎上,編著了《原子》一書．這本書一經出版便受到了廣大讀者的青睞,在科學界有著很高的影響力．1914年第一次世界大戰爆發,佩蘭放下手邊的工作毅然投身于保衛祖國的戰斗之中．戰后,他又開始從事熒光在化學反應中的作用的研究,發現了熒光是由粒子躍遷產生的．此外,他還進行了核物理方面的研究,并于1918年正式提出了輕核聚變的觀點．1921年以后,佩蘭主要致力于法國科學的復興以及科學的社會普及工作,并于1927年建立了生物物理化學研究所,1939年建立了法國國家科學研究中心．佩蘭對法國科學普及最大的貢獻莫過于1937年創建了“發明宮”．1940年德國入侵法國,佩蘭被迫背井離鄉,逃往美國．1942年4月17日于異國他鄉的紐約辭世,1948年遺體運回法國葬于巴黎偉人祠．

2 主要學術成就

2.1 發現沉降平衡定律

佩蘭受其導師布里淵的影響,是原子論的主要支持者之一．但佩蘭對原子論研究的突出貢獻在于,用實驗方法檢驗了原子論的正確性,平息了長久以來的“原子論”之爭．其實早在研究X射線與陰極射線性質的時候,佩蘭就已經預見到原子結構的不連續性,他甚至還構想了原子結構的模型,認為原子結構可以分為不等大的兩部分,較大的部分帶正電,另一部分則是帶負電的微小顆粒物質．但在1897年以后,他不得不將大量精力投入到教學工作中去,從而放慢了研究的步伐．但佩蘭善于發現以及潛心鉆研的精神是他走向成功的最寶貴財富．即便在教學中,他對每一個科學問題也保持著極高的敏感性,力求真知．在一次備課過程中,他發現了膠體粒子的一些有趣特性．通過實驗,佩蘭發現電解液中的多價離子超過某一限度時就會發生膠體粒子的不可逆性凝結,它影響著膠體溶液的平衡．

為了研究粒子大小不同的膠體溶液如何達到平衡,以及溶液濃度與膠體粒子大小之間有著怎樣的關系,佩蘭于1906年開始著手研究膠體粒子的布朗運動．與許多研究布朗運動的前輩一樣,佩蘭對布朗運動的研究也始于觀察．通過用不同放大倍數的顯微鏡長時間的觀察,他發現膠體微粒越小,它的布朗運動就越劇烈,而且各微粒的運動相互獨立,互不影響．這些現象說明膠體粒子的布朗運動不是由于碰撞或溫差引起的,而很可能是由組成物質的原子或分子的運動所造成的,這使他更加堅信物質結構的不連續性．

對于ρ的測量,佩蘭采用了兩種方法,第1種是將乳濁液放入干燥箱進行干燥處理,待乳濁液干燥成黏性液體時取出,自然冷卻,使其凝固成透明膠狀物質,再將膠狀固體粉碎,投入到一定濃度的溴化鉀水溶液中,形成懸濁液,這樣,測出溴化鉀懸濁液的密度便可知道顆粒物質的密度．佩蘭利用轉換法,很巧妙地將難以直接測量的顆粒物質密度轉化為測量溴化鉀溶液的密度．第2種方法是使用比重瓶法,通過測量同體積水和乳濁液的質量,再測得乳濁液干燥成透明膠狀固體物質時的質量,便可根據水的密度推導得出乳濁液中顆粒物質的密度ρ.

圖2 測量n、n0、h的實驗裝置圖

豐度n和高度差h的測量又是一個難題．佩蘭設計的實驗裝置如圖2，將一個厚度為0.1mm中心有圓孔的玻璃片放在載玻片上,制成了一個小的圓柱形容器．將乳濁液滴入圓孔,然后快速蓋上蓋玻片,再用石蠟或漆進行密封,就制成了具有一定厚度的乳濁液玻片．使用放大倍數很高但景深很小的顯微鏡去觀察,便可看到某一深度的一薄層顆粒．但由于微粒在做無規則布朗運動,視野中的微粒就如同上百只到處亂飛的小蜜蜂,是很難直接計數的．于是佩蘭想到了用拍照的方法來多次統計求平均值,這個方法對于確定微粒的位置確實有效,但卻無法看清直徑小于0.5μm的微粒,無法準確計數．對此,佩蘭又想到了將不透明的箔片扎一個小孔放在顯微鏡焦面上來限制視場,記錄觀察瞬間從顯微鏡中看到的粒子數．每隔一定時間計數一次,多次計數求出平均值,便可得到n0,然后移動顯微鏡觀察另一層,記錄下物鏡移動的高度,便可以根據折射率算出兩層間的高度差h,再用同樣的計數法計算出這一層的平均粒子數,便得到了n．

最后,佩蘭將通過上述方法求得的各量代入公式便求得了NA．佩蘭用藤黃和乳香,通過控制顆粒物質的質量、密度、溫度、溶液種類等,制備出不同的乳濁液,進行了大量實驗研究,所求得NA的值都在1023量級,且NA的平均值約為6.8×1023．這個結果不僅成為檢驗“原子論”真實性的有力證據,而且從實驗角度解釋了布朗運動的真正原因是由分子熱運動所引起的．佩蘭也因此項偉大的實驗成果于1926年冠冕諾貝爾物理學獎．

2.2 對愛因斯坦公式的驗證

佩蘭通過不同途徑的實驗測量,得到了一系列的NA值,最終通過計算求得的平均值約為6.4×1023．佩蘭得到的NA值在誤差允許范圍內竟非常驚人的一致,這使學術界一直以來不置可否的原子問題得到了實質性的解決,為后來物理和化學微觀方面的研究奠定了堅實的基礎．

3 對法國科學及社會發展的貢獻

佩蘭不僅是一個偉大的科學家,更是一個赤誠的愛國主義人士．他在追求真理專注科研的同時,還為法國的科學事業做出了永載史冊的貢獻,為法國科學發展鋪設了新的道路．佩蘭有著一顆火紅的愛國之心,在1914年第一次世界大戰爆發后,他主動請纓加入了保衛祖國的戰斗,并擔任某一工程部隊的軍官．

關于佩蘭對法國科學的貢獻更是不勝枚舉．他在1927年說服了艾德蒙德羅斯柴爾德男爵成立了生物物理化學研究所,在1939年創立了法國國家科學研究中心．國家科學研究中心是面向沒有受過高等教育而卻最有希望成為科學家的普通公民創辦的,它為像弗里德里克·約里奧這樣有著科學才能的人提供了很好的機會,使得他們能夠完成偉大的研究,為科學做出貢獻．此外,佩蘭還負責創辦了巴黎物理天文研究所和普羅旺斯天文臺．佩蘭最偉大的貢獻在于他創建了舉世聞名的發明宮,使得法國科學社會化、大眾化不再是遙不可及的夢想,為更多熱愛科學的人們提供了發明創造的機會．

1 郭奕玲,沈慧君.諾貝爾物理學獎1901—2010[M].北京:清華大學出版社,2012:113-117.

2 王媛媛.讓·佩蘭在19—20世紀之交對物理學發展的貢獻[D].北京:首都師范大學,2005:3,7,21-25.

3 呂一民.20世紀法國知識分子的歷程[M].杭州:浙江大學出版社,2001:78-81.

4 閻康年.原子論與近現代科學[M].北京:高等教育出版社,1993:44-57.

2016-12-26)