■蕭如珀、楊信男/譯
■原標(biāo)題：《1766 年9 月6 日：近代原子論先驅(qū)——道爾頓的誕生》
道爾頓
原子論的概念早于公元前約500 年前即由古希臘哲學(xué)家路希伯斯（Leucippos） 和德謨克利特斯（Democritus）師徒提出，說明萬物皆由極小且不可分割的質(zhì)點(diǎn)所組成。不過那只是他們當(dāng)時(shí)哲學(xué)思辯的建構(gòu)，真正從科學(xué)實(shí)驗(yàn)中決定原子重量，以確立其存在的論證則應(yīng)歸功于道爾頓（John Dalton）。
道爾頓來自一個(gè)貴格會(huì)（Quaker）家族，定居于英格蘭昆布蘭郡的伊格斯菲爾德城（Eaglesfield, Cumberland，England）， 祖父為鞋匠， 父親則從事編織。他是家中三個(gè)小孩最年幼的一個(gè)，就讀貴格會(huì)小學(xué)期間即顯現(xiàn)出母親堅(jiān)毅果決的個(gè)性，學(xué)習(xí)快速。12 歲時(shí)，校長將小學(xué)移轉(zhuǎn)給他哥哥經(jīng)營，道爾頓則協(xié)助教學(xué)工作，當(dāng)?shù)刭F格會(huì)聞人羅賓遜（Elihu Robinson）是他的良師，他受惠很大。
1780 年，道爾頓兄弟負(fù)責(zé)一間位于肯德爾（Kendal），由貴格教友所新創(chuàng)辦的寄宿學(xué)校，學(xué)生約60 位，科學(xué)設(shè)備新穎，圖書館藏書豐富，經(jīng)常有知名貴格學(xué)者到訪。但最幸運(yùn)的是，道爾頓結(jié)識(shí)了當(dāng)?shù)孛と俗匀徽軐W(xué)家果夫（John Gough）。在果夫的教導(dǎo)下，道爾頓通曉了拉丁文、希臘文、天文、數(shù)學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、氣象和植物學(xué)。此外，他也仿效果夫使用氣象儀器，紀(jì)錄每日的氣象數(shù)據(jù)，這個(gè)習(xí)慣從1787 年開始一直持續(xù)著。
道爾頓除了在學(xué)校教授數(shù)學(xué)外，也公開授課，講解力學(xué)、光學(xué)、氣體力學(xué)和天文學(xué)等；此外，他參加幾次有獎(jiǎng)競賽獲勝，漸有名氣。為了拓展他的科學(xué)圈子，1792 年，他借著參加公誼會(huì)（貴格會(huì)別稱）年會(huì)之便，首次造訪倫敦。不久，他獲聘為公誼會(huì)在曼徹斯特新設(shè)立的“新學(xué)院”的數(shù)學(xué)暨自然哲學(xué)教授，是他生涯一個(gè)重要的里程碑。
1793 年，道爾頓前往新學(xué)院任職，隨身攜帶他的第一本書《氣象觀測暨論說集》（Meteorological Observations and Essays）的校樣本，內(nèi)容有他、果夫及克洛斯維特（Peter Crosthwaite）多年來共同觀測氣象的紀(jì)錄，以及其起因的推論解釋。他主張大氣由80% 的氮和20% 的氧加上水氣混合而成，而非單一化合物的氣體，但并未引起注意。
抵達(dá)曼徹斯特后不久，道爾頓即被選為曼徹斯特文哲會(huì)會(huì)員。數(shù)周之后，他向?qū)W會(huì)提出一篇有關(guān)色盲研究的論文。因?yàn)樗麄冃值軅z都深受色盲之苦，他對(duì)色盲的研究分析非常深入，論文提出后，色盲一時(shí)亦被稱為道爾頓癥。
道爾頓于1800 年辭去新學(xué)院的教職，接任文哲學(xué)會(huì)的秘書；此外，他還創(chuàng)立“數(shù)學(xué)書院”，講授數(shù)學(xué)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)和化學(xué)，每周20 節(jié)課，反應(yīng)不錯(cuò)。有此穩(wěn)定的收入，道爾頓可以專心投入研究，5 年中完成氣體在定壓下的膨脹法則（亦稱查理定律）、分壓定律和化學(xué)原子論，奠定了他在科學(xué)界的不朽地位。
分壓定律源自道爾頓于1793年提出有關(guān)大氣是氧、氮和水氣混合氣體的主張。1801 年，他更進(jìn)一步提出物理原理來定義分壓，說明在混合氣體中，不同的組成氣體相互獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，所以氣體混合物的總壓力等于各成份氣體分壓的和，也就是現(xiàn)今所稱的道爾頓分壓定律。
分壓論述提出后，馬上受到科學(xué)界強(qiáng)烈的質(zhì)疑，因此，道爾頓開始就氣體溶解于液體時(shí)，是化學(xué)結(jié)合亦或力學(xué)吸附的問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探討。1803 年10 月，他向文哲學(xué)會(huì)提出一篇論文，主張氣體在液體中的溶解度視其“終極質(zhì)點(diǎn)”（ultimate particles，即原子）的重量與數(shù)目而定，并于文后列出部分氣體的相對(duì)重量，即現(xiàn)所稱的原子量。
原子量表并未受到重視，道爾頓于1803 年底在倫敦親自向化學(xué)大師戴維男爵（Humphry Davy）說明，指出表中的結(jié)果和其實(shí)驗(yàn)一致，也被說成“純屬臆測”。道爾頓并未因之氣餒，繼續(xù)改進(jìn)他的理論，而終于在1808 年和1810 年出版的《化學(xué)哲學(xué)的新體系》（A New System of Chemical Philosophy）上、下二冊(cè)中完整地提出了他的化學(xué)原子論。
道爾頓的化學(xué)原子論包含了以下的假設(shè)：
1. 所有的物質(zhì)均由不可分割的原子所組成。
2. 任一元素的原子性質(zhì)，包括重量，都完全相同。
3. 不同元素的原子重量不同。
4. 在所有化學(xué)反應(yīng)中，所有原子都保持原貌，不會(huì)消失。
此外，道爾頓亦提出“最簡法則”（rule of greatest simplicity），作為原子間化學(xué)結(jié)合的準(zhǔn)則：原子A 和原子B 結(jié)合時(shí)，會(huì)以力求簡單為依據(jù)，而從最簡單方式依序如下出現(xiàn)：1 個(gè)A 和1 個(gè)B 的雙元化合物；1 個(gè)A 和2 個(gè)B 或2 個(gè)A 和1 個(gè)B 的三元化合物等。因此，如果A 和B 只有一種結(jié)合方式，則一定是雙元結(jié)構(gòu)，所以道爾頓認(rèn)為水的分子式是HO?！白詈喎▌t”當(dāng)時(shí)引起很多爭論，現(xiàn)在我們知道它并不完全正確，但卻提供道爾頓計(jì)算各元素原子量的基礎(chǔ)。
從道爾頓的原子論可以得到定比定律，即化合物所含各元素間質(zhì)量比必為固定； 他并推論出倍比定律（Law of Multiple Proportions），即當(dāng)兩個(gè)原素可以結(jié)合成多種化合物時(shí)，其中一個(gè)元素與另一定量元素結(jié)合的各可能質(zhì)量比均成一小的整數(shù)比。倍比定律的成功讓質(zhì)疑原子論的聲音逐漸減弱。
成名后的道爾頓榮譽(yù)接踵而至。1810 年，戴維男爵擬提名他為皇家學(xué)會(huì)會(huì)士，但為道爾頓所拒絕。不過皇家學(xué)會(huì)于1822 年，在他不知情下，還是選他為會(huì)士。1817 年，他被推為曼徹斯特文哲會(huì)會(huì)長，直到過世為止。1830 年，他獲選為法國科學(xué)院8 名外籍院士之一；英國皇家也自1833 年起致贈(zèng)他“皇室費(fèi)”。但功成名就的道爾頓卻依然過著簡樸的生活。
道爾頓終身未娶，1837 年小中風(fēng)，次年再發(fā)，讓他口齒不清，但他依舊繼續(xù)做實(shí)驗(yàn)。1844 年7月，他自床上摔下，被仆人發(fā)現(xiàn)時(shí)已經(jīng)過世。他的遺體放在曼特斯特4 天，有4 萬人前往瞻仰遺容，各行業(yè)的重要人士都出席了他的喪禮。
一個(gè)只受過小學(xué)教育，靠著驚人的毅力，專注于自然科學(xué)的研究，而終能獲稱為“化學(xué)之父”，道爾頓實(shí)為近代科學(xué)史的異數(shù)。
參考資料
1. S. Ross, “John Dalton”, Encyclopedia Britannic a.
2. L.N. Nash, “The Atomic-Molecular Theory”, Harvard University Press, Cambridge, 1950.
3. A. T h a c k r a y, “John Dalton”, Dictionary of Scientific Biography, Vol. 3, 537-547 (1970).
（本文轉(zhuǎn)載自2015 年10 月《物理雙月刊》， 網(wǎng)址：http://psroc.phys.ntu.edu.tw/bimonth/index.php；楊信男，snyang@phys.ntu.edu.tw）
來源：《現(xiàn)代物理知識(shí)》 第27卷第5期
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