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    道爾頓與化學原子論

    道爾頓與化學原子論
    作者: 張文亮 臺灣大學生物環境系統工程學系


    窮鄉僻壤的小學

    道爾頓(John Dalton, 1766-1844)生於英格蘭北部肯伯蘭(Cumberland)郡的「鷹之曠野」(Eaglefield),這是位於鵬寧山脈西部,非常偏僻的小村莊。村裡的居民,靠著來自愛爾蘭海的季風,所夾帶來的一些雨水,在山邊狹窄的土地上,墾地種植大麥與棉花。道爾頓的父親是當地的佃農,到了道爾頓唸小學的時候,才有經濟能力承購耕種的土地。道爾頓的家境雖然貧窮,父母親卻像鵬寧山脈般的堅毅,耐得住長年貧窮的侵擊。

    1778年,道爾頓自小學畢業。村民實在太窮了,無法支付學校的開銷費用,畢業典禮成為學校的關閉日,校長與老師都離職了。為了照顧學弟妹,道爾頓只好留下來當校長、老師兼工友。道爾頓後來寫道:「我開始根本不知道怎麼教書,我的父母與村裡的人湊了筆錢,到曼徹斯特買回一些書籍,每次上課我就逐字唸給學弟妹聽。」每天一早,道爾頓就到學校敲鐘,提醒學生上課;放學後,他清理完教室環境才離去。回家後,又要準備日後需朗讀的教材。用這種克難的方式,道爾頓維持這所小學繼續運作了三年,直到1781年,道爾頓的哥哥自坎德爾寄宿學校(Kendal Boarding School)畢業回來當老師,道爾頓才卸下教學的責任,前往60公里外的坎德爾寄宿學校就讀。

    不要壓扁葫蘆殼

    坎德爾寄宿學校是當時英格蘭北部最好的一所中學。這所中學有間藏書豐富的圖書館,典藏科學家牛頓的原作《原理》(Principia),與仿製牛頓與波義耳的實驗科學儀器。道爾頓在中學時閱讀過牛頓與波義耳的原著,並且看過他們的實驗設備,奠定了他在22年後發表〈化學原子論〉(Chemical Atomic Theory)的基石。

    這所學校開授的課程具有高度的彈性,學校經常邀請傑出的大學教授到學校開授短期課程。坎德爾城位於倫敦與愛丁堡的必經道路上,學校極力挽留路過的學者到校短期任教。這些課程開拓了學生的眼光,啟發學生對科學的學習興趣。

    這所學校最大的特點,就是師資非常優秀。其中有位是影響道爾頓一生的果夫(John Gough)老師。果夫是位盲人,但是「憑著觸覺與嗅覺,他能知道學校30公里內的每一棵植物與花朵」,道爾頓在1783年寫道。他又說道:「果夫是最接近完美的老師,熟悉拉丁文、希臘文,又能講標準的法語。在他的教導之下,我獲益良多。他也通曉數學、天文、化學與醫學等,他的心中彷彿有個知識的寶藏。而且他對學生很好,每位學生彷彿都是他熟悉已久的朋友,就在這種友誼式的互動裡,帶領我們學習數學與哲學。」

    影響道爾頓一生的老師

    果夫不僅是位博學的老師,也是個優秀的科學家,在科學史上,他是第一個以一條橡皮筋的受熱變形實驗,提出「熱力學」的人。果夫在兩歲時因病失明,卻努力向上,後來不僅畢業於劍橋大學,而且多次獲得數學競賽的首獎。

    道爾頓在求學時代,整理出許多果夫老師的教學內容。道爾頓寫道:「果夫老師給我們的每一道習題,都是他與學生的『競賽』。他給我們一個曬乾的胡瓜,比誰能不壓破胡瓜、而把它放入一個小盒子裡。」「果夫給每個學生一支水銀氣壓計,讓我們在不同氣候下觀測、記錄,之後再討論大家觀測的結果。」「果夫與我們討論一幅古典藝術作品,他講解那幅作品後,問了兩個問題:『這幅作品是那位畫家的生命表現,還是畫給後人模仿的?如果要模仿他,是模仿他的生命揮灑,還是模仿他的工筆畫風?哪一種模仿比較正確?』」「下雨的時期,果夫給每個學生一支量筒,挑戰我們,誰能在一場雨中量到最大的雨量?是在上風處還是下風處?是在高處還是在低處?果夫先生總是贏。」

    從果夫的教學內容看來,道爾頓是由研究大氣的變化,漸漸進入學術的領域。只是沒想到,一個失明的中學老師,帶學生所做的大氣量測,竟會促使其中的一位學生,破解了人類千年的原子探索之謎。果夫老師把中學教育的科學啟蒙,帶到登峰造極的境界。

    一夜無眠待雨停

    1785年,道爾頓中學畢業。果夫要他繼續留校任教,擔任機械、光學、氣象學與天文學四門課的老師,並且負責維護實驗的儀器。道爾頓寫道:「當我想到能讓氣象觀測更準確,別人將因著我的努力而獲得一點點的好處,就感到很興奮。」他又說:「夜裡十點下了一場大雨,我在屋裡等到雨停後,立刻衝出去,測量降雨的水深,以避免雨後水分蒸發的損失。」在另一次的觀測中,道爾頓寫道:「這一場雨,從夜裡九點一直下到隔日清晨六點。為了精準地量測降雨量,我終夜未眠,雨聲陪伴我度過漫漫長夜。」

    在坎德爾寄宿學校任教的期間,道爾頓每星期兩次繼續與果夫老師討論實驗、研究與教學心得。兩人除了討論科學研究的內容,也探討科學研究背後的動機。果夫老師這時回答了道爾頓最想問的一個問題:「是什麼樣的動機,支持一個失明的人,讓他長期地克服身體障礙,去研究自然科學?並且讓一個這麼博學的人,長期委身在一所中學裡,只為了深入地教導幾個學生?」道爾頓後來寫道:「科學研究的最深動機,在於喜愛真理。」就是真理,使果夫老師的生命具有一種磁鐵般的特性,吸引周遭向上的學生。果夫老師是位虔誠的基督徒,這也深深地影響了道爾頓。

    關門之後有春天

    道爾頓雖然喜歡教育,但有些人卻認為他是在浪費時間。1790年,道爾頓的三位長輩聯名寫信給他,把他罵了一頓:「一個期待做大事的人,不應該留在學校當老師,應該去唸法律系或醫學系,才能獲得更多的薪水。」道爾頓只好去申請愛丁堡大學法律系,可惜他被法律系拒絕;他再申請醫學系,又被拒絕,理由是:「這些科系,不適合給你這種出身的人來唸。」

    道爾頓只好繼續留在坎德爾寄宿學校教書。17年以後,愛丁堡大學邀請道爾頓到校演講,道爾頓欣然前往,他在演講中沒有提到被該校拒絕的不滿,他演講道:「科學的領域如此浩瀚,即使窮畢生之力,也無法耕耘每一個領域。過去數年,我只專注在熱、液體體積變化,與物質基本粒子的思考。由實驗中,我觀察到一些現象,並將實驗結果,用幾條簡單的法則去表達,使人更了解基本粒子的本質,這些法則也許會給化學帶來一個根本性的改變。這些原則是如此的單純、簡單,稍具思考能力的人都會懂得。」幸好,當年道爾頓沒有進入法律系或醫學系,否則他可能沒有機會去探討基本粒子了。

    不在乎錢賺多少的人

    1792年,道爾頓前往倫敦,參加倫敦教會舉辦的聯合聚會,遇見一個以前的同學羅賓遜(Elihu Robinson),他告訴道爾頓,曼徹斯特有所很小的學校「新大學」(New College, 又名Manchaster Academy曼徹斯特學院)有一個數學教職的缺。道爾頓前往應徵,竟獲聘用。這所學校當時只有80個學生。道爾頓一星期要上21堂課,他起初雖以數學教師獲聘,但任教時除了數學之外,還要教化學,而且他的年薪是該校三個教師中最低的,只有102英鎊。八年後,道爾頓在這所學校已經成為最資深的教師,但薪水還是最低。

    不過道爾頓似乎只要有書可以讀,有學生可以教,有實驗可以做,就很滿足了。他寫道:「我的頭腦裡放滿了三角幾何、化學反應、電學實驗,以致沒有空間去考慮其他的問題,也不太有時間想結婚的事。」

    1793年,道爾頓認識了另一個愛好化學的同伴亨利(Thomas Henry, 1775-1836),亨利介紹他加入「曼斯斯特文學與哲學學會」(Manchester Literary and Philosophical Society)。這個學會成立於1781年,每周定期討論科學的研究,學會擁有一個藏書豐富的圖書館,與一間設備充足的實驗室。道爾頓好像一隻河馬,在這裡找到最適合他的水漥。一年後,他被選為正式會員。

    色盲沒有影響他一流的觀察力

    1794年11月,道爾頓發表他的第一篇研究論文〈觀察研究視覺色差的特殊真相〉(Extraordinary facts relating to the vision of colors with observation)。這是科學史上第一篇有關「色盲」的研究,後來醫學界為了感謝道爾頓的貢獻,把「色盲患者」稱為「道爾頓氏人」(Daltonian)。

    道爾頓本身就是個色盲患者,他在新大學教書時,才發現他對顏色的判斷有問題。他開始有系統地調查,發現有些人無法分辨紅色與紫色的不同。道爾頓認為這是醫學上仍然未知的人體缺陷──「色盲」。他進而研究色盲產生的原因提出:「色盲的成因,是眼睛中的水液無法吸收紅色光所致。」

    腳踏實地所做的是最好的推薦

    道爾頓沒有受過大學教育,卻能成為大學級的老師,其中有個關鍵,就是果夫老師將道爾頓過去所做的氣象觀測,與所得的結論交給學校,這成為道爾頓最有力的推薦。1793年果夫老師替道爾頓將這份報告出版成書《氣象的觀測與論說》(Meteorological Observations and Essays)。

    研究空氣不再是一件虛無飄渺的事

    這本書是物理學的經典之一,因為物理學裡的「飽和蒸氣壓」與「分壓定律」就是源自此書。書中的論點都是道爾頓長期的實驗觀測所得,例如他在書中寫道:「根據實驗觀測結果,我發現水分的蒸發和凝結與化學作用無關,而是水蒸氣在液面與空氣中的擴散作用。「我發現在一樣的溫度下,乾空氣所含的最大蒸氣量是固定的,我稱之為飽和蒸氣壓,在飽和蒸氣壓下,空氣就不會有吸收水分的現象。」,「不同的氣體互相混合時,各組成的氣體依然是獨立的各自運動,所以混合氣體的總壓力,為各氣體分壓之總和。」很少人知道這個著名的定律,竟是一個中學老師在27歲時所提出的。

    道爾頓對空氣中的水蒸氣很感興趣。1799年,他又發表三篇研究報告,一篇用數學計算蒸發量,證明蒸發量是水文循環的一個重要成分。第二篇提出空氣中水蒸氣開始凝結成露珠的溫度──「露點」,這種水分物理「相」的變化是「熱」的變化所致,道爾頓也是歷史上第一個提出露點與其機制的人。第三篇是以更多的實驗結果,證實第二篇的論點。

    沈重的打擊

    1800年,道爾頓接到學校的通知,他被「解聘」了,理由是他的信仰太虔誠,不適合擔任數學與化學的教育工作。他在學校裡常被同事謔稱為「噢,那個基督徒!」。但是道爾頓深受學生的歡迎,他在學校外租了一間房子,學生們課餘常常到那兒討論功課。喜愛教育的道爾頓,竟遭學校解聘,是一個很大的打擊。雖然有一扇門向他關閉,卻有另一道門會向他打開的。

    獨特的學校

    1800年9月2日,有一則廣告登在《曼徹斯特日報》(Manchester Mercury):

    約翰.道爾頓,文學與哲學會秘書,
    曾任曼徹斯特新大學的數學教師
    謹告諸友與大眾,他將於近期在曼徹斯特
    開設「數學與哲學學院」
    授課內容包括算術、機械演算、地理與環境、數學
    與自然哲學、語源學與文法,
    同時給與許多哲學的討論與化學實驗的示範,
    歡迎任何超過14歲的年輕紳士。
    費用:一年十英鎊。
    每年有寒暑假,合起來不超過二個月,
    有意者請寄申請函至弗克那街35號。

    當年道爾頓收到八名學生,生活費有了著落,他又像少年時期一樣,一人兼校長、老師與工友,並兼了44年之久。

    亨利常數的由來

    道爾頓在1793年發表「分壓定律」後,受到科學界不少的質疑,「氣體是物質,物質若不是互相吸引,就會互相排斥。不同的氣體混合後,怎麼可能還會完全的獨立呢?」。道爾頓知道平息科學界質疑的最佳方法,是在實驗室從事更多更精確的實驗。以當時的化學分析技術,要將氣體純化,是非常不容易的,為了減少實驗誤差,他在課餘,花更多的時間在實驗室裡。

    1802年11月12日,道爾頓發表〈溶液對氣體的化學與機械吸收〉(Chemical and mechanical absorption of gases by liquids),他寫道:「在水中加入石灰會使水面上的空氣有碳酸存在。將含碳酸的空氣移到純水的上面,空氣中部分的碳酸就會逐漸溶入水中裡,末了,空氣中仍有少量的碳酸氣體存在。我在實驗中發現,溶入純水中碳酸氣體量與碳酸氣體的分壓成正比。有四個月之久,反覆地進行這個實驗,仍然發現水中吸收的氣體量與空氣中所含的氣體量,存在一個固定的『比例』。」

    此後,他的好友亨利繼續重覆此一實驗,於同年12月8日,再發表:「在恆溫之下,水吸收氣體的量與氣體分壓或正比。」這就是氣體溶解在水中的重要理論「亨利定律」(Henry's Law)。正比的比值稱為「亨利常數」(Henry's constant),其實這個定律應該稱為「道爾頓─亨利定律」。

    化學原子論的提出

    1803年5月,歐洲發生了一件大事,法國的拿破崙向英國、俄國、奧地利與瑞典宣戰。一夕之間,歐洲大陸瀰漫著山雨欲來風滿樓的緊張氣氛,列強大戰成為世人矚目的焦點。可是沒有人在乎,在曼徹斯特的一角,有個科學家在實驗札記上寫道:「從去年的聖誕節開始,直至今年的1月、2月、3月,我都在思考一個問題,既然氣體溶入液體是一種物理作用,那為什麼不同的氣體,在水中有不同的溶解量呢?我不斷地研究不同的氣體在水中的溶解實驗。」同年10月21 日,道爾頓才在《尼克森雜誌》(Nicholson's Journal)第六卷,發表短短三頁不到的〈曼徹斯特備忘錄〉(Manchester Memoir)。

    道爾頓寫到:「為什麼不同氣體在水中有不同的溶解量?我由實驗結果,認為這與氣體最終粒子的重量和數目有關。從不同氣體在水中溶解的比例,可以看出組成這些氣體最終粒子的相對量」。後來,10月21日就稱為「化學原子論的紀念日」。

    道爾頓的這一篇有關原子的報告,立刻在當時的科學界掀起熱烈地討論,反對的人認為「無稽之談」,支持的人則認為「這是最接近探討物質本質的理論」。

    原子探究史

    如果科學史是一首歌,「探究原子」就是歌中一段值得頌詠的讚嘆。在歷史上,最早提出「原子」(atom)這個字,是公元前五世紀的希臘哲學家陸瑟博(Leucipple)。atom是a-tom的合字,在希臘文中表示「一個最小的粒子」。陸瑟博認為「所有的物質分到最後就是原子。」陸瑟博的學生德謨克利特(Democritus, 460-730 B.C.)將「原子」的特性加以延伸,認為「原子是建立在一種看不見的次序上,因為我們所見的世界是這麼有次序。」 

    波義耳定律背後的思考

    歷史上第一個以實驗量化原子特性的人,是大科學家波義耳(Robert Boyle, 1627-1691)。他研究空氣時,發現空氣的體積減少,空氣的壓力就會增加。反之,空氣的體積增加,空氣的壓力就會減少。波義耳對此現象的解釋是「空氣由許多的原子組成,這些原子不斷的互相碰撞,就產生空氣的壓力。當空氣的體積減少,原子碰撞機會增加,空氣的壓力就會增加。反之,空氣的體積增加,原子碰撞的機會減少,空氣的壓力就會減少。」空氣的體積與空氣的壓力成反比,這是非常有名的「波義耳定律」(Boyle's Law),也是第一個量化原子特性的公式。今日,波義耳定律留在普世的物理與化學課本中,大部分的學生用它來計算空氣壓力與體積的關係,可惜他們未必學到,在這個簡單的定律背後,有個偉大的思考。

    牛頓對於原子的論點

    17世紀另一位大科學家牛頓(Isaac Newton, 1643-1727)也用原子的觀念來解釋光的本質,不過略為不同的是,牛頓認為光的基本組成是「光子」(photon),光的前進就是光子的前進。希臘哲學家認為原子是永存的,無法被改變或毀滅。牛頓卻認為原子並非永存,不是無法被改變的,他以《聖經》創世記第一章去解釋原子的特性:「起初上帝創造天地」代表上帝創造了物質的本質原子。「地是空虛混沌、淵面黑暗」,牛頓認為,物質的基本組成原子有實體,也有空虛的空間,而且原子裡面的結構是混沌,是光不能透進的。

    拉瓦錫的觀點

    法國的大科學家拉瓦錫(Antoine Laurent Lavoi-sier, 1743-1794)以水為他的研究對象。拉瓦錫提出水的特性是最特別的,他考察過去,中世紀有許多化學家嘗試要把一種物質轉換成另一種物質,有不少人想點石成金,但是從來沒有人想點水成金。水只能用來參與其他物質的反應,無法轉換成為其他的物質。拉瓦錫首先提出水是由氧與氫所組成的,而且組成的重量比例固定,為8比1。這是一個重要的發現。

    波義耳首先以物理實驗量化原子的碰撞,拉瓦錫則是以化學分析量化不同原子是以一個固定的比例在結合。很可惜,法國大革命時,人民議會認為拉瓦錫的研究是浪費國家公帑,竟下令將法國百年來最好的科學腦袋送上斷頭台。拉瓦錫的死是科學界的損失,但是波義耳、牛頓、拉瓦錫、道爾頓等科學家的一生,卻成為近代物理、化學前進的軌跡。

    原子量的起源

    1804年道爾頓發表〈化學哲學的元素〉(On the Elements of Chemical Philosophy),提出原子量的計算,他以氫的原子量為1,以實驗結果計算鹼土金屬的相對原子量。原子量的設定對化學非常重要,從此化學才進入能夠量化的科學。隔年,道爾頓又發表〈元素構造與其組成〉(The Elements of Bodies and Their Composition)。

    道爾頓在該文中寫道:「起初我想,化合物的形成是一個原子結合另一個原子,但是在實驗中發現一氧化碳是一個碳原子與一個氧原子的結合,二氧化碳是一個碳原子與二個氧原子的結合,乙烯是一個碳原子與一個氫原子的結合,甲烷是一個碳原子與二個氫原子的給合。」這些平鋪直敘的描述,是科學近代的重大發現。道爾頓發現,原子的結合是以整數的倍率在相結合,稱為「倍比定律」。不過道爾頓尚未區分原子與分子,以致將氫氣(H2)視為氫(H),所以在乙烯與甲烷的氫原子數目有兩倍的誤差。

    天真人的囈語

    1805年,道爾頓發表〈混合氣體第二定律)(Second Theory of Mixed Gases),不同於混合氣體第一定律「分壓定律」,道爾頓提出「不同氣體在水中有不同的溶解量,是因為不同氣體的原子體積不同,因此進入水原子體積間的量也不同。」道爾頓不僅用原子的碰撞去解釋氣體的溶解量,而且提出不同的原子,其體積也不相同。1808年道爾頓發表〈化學系統(I)〉(System of Chemistry(I)),他以氧化氮為實驗氣體。他寫道:「氧化氮是一個氧原子與一個氮原子的結合,氧化二氮是一個氧原子與二個氮原子的結合。氧化二氮的原子量大,其重量也較一氧化氮重……物質的特性,由原子的組成所決定。」

    道爾頓一系列的論文發表,曾被譏為「天真幻想家的夢囈」,但是也有人支持,如「定性化學之父」戴維(Humphry Davy, 1778-1829)。同分異構物的發現者貝采利烏斯(Jons Jacob Berzelius, 1779-1848)也重覆他的實驗,證明道爾頓原子論的正確。到了1820年,道爾頓的原子論才逐漸廣被接受。

    雖然外界的批評多,道爾頓卻不太爭辯,繼續埋首研究。他連續發表了許多倍受推崇的論文。1828年,他又出版〈化學系統(II)〉(System of Chemistry(II)),提出以符號去表示原子的結合。

    道爾頓科學教育的三個原則

    1826年,道爾頓獲得「皇家科學協會」(Royal Society)的金質獎。道爾頓科學成就達到顛峰時,他沒有停留在愈來愈多掌聲的科學界裡。他認為:「科學教育的危機在科學家的貴族化,並未對社會文化產生廣泛性的影響。」為此,他成立「英國科學推廣協會」(The British Association of the Advancement of Science)。如果要將科學研究的成果,分享給更多的社會大眾,不是要讓社會大眾爬高一點,而是讓結滿果實的枝頭降低一點。

    為了要讓社會大眾認識科學,道爾頓提出每年舉辦「科學季」(Annual Scientific Festival),邀請大眾與科學家一起從事一些「有趣」的實驗。在會場也展示最新的研究成果、工程模型、現場操作的機械,以及科學團體的介紹。此外,也在各高中、大學推動成立科學社,出版科普書籍,與定期舉辦科學競賽的活動。

    道爾頓堅持科學教育推廣,需要具備三個原則:第一是要具有「純樸」的特性,用最簡單的工具去表達科學的觀念。科學研究是用最精密、複雜的儀器,科學教育卻是用最平凡、簡易的設備去表達,如此科學教育方能普及化,而非只適合社會少數富有家庭的孩子。

    第二是科學推廣需具備「趣味性」。而科學教育的最大趣味,道爾頓認為是「讓學生與科學家在一起」。協會只擔任學生與資深學者之間穿針引線的工作,道爾頓當時最常邀請的學者是化學大師戴維,物理學大師法拉第(Michael Faraday, 1791-1867)與天文學大師赫瑟爾(John Hershel, 1792-1871)等人,能與這些大師一起談天,是許多學生的夢想。

    第三是設立研究基金,支持學生一些「不太成熟」、「不太實際」甚至是「異想天開」的研究,並且長期地與這些學生保持聯絡,鼓勵他們繼續保持研究的熱忱。

    道爾頓一生培養出許多優秀的學生,例如他的第一個實驗助手希利曼(Benjamin Silliman, 1779-1864),後來成為傑出的礦物化學家,並成為「美國地質學家學會」(the Association of American Geologist)的第一任主席。道爾頓的最後一屆學生當中,更出了提出「能量不滅定律」的焦耳。

    1837年,道爾頓兩度中風,身體狀況大不如前,但是仍然自認是「磨尖的利箭」,愈到老年愈知道該把有限的體力用在最關鍵教育「人」的事上。

    末了的勸勉

    1940年,第二次世界大戰德國轟炸英國期間,典藏道爾頓資料文物的博物館也被波及,道爾頓留下的實驗器材全燬,所留下的手稿資料也大多焚為灰燼,但是他對普世科學教育的影響,化學理論的建立,與對後來許多探討原子結構科學家的影響,是摧燬不掉的。例如居禮夫人(Marie Curie, 1867-1934)就提到,她對放射性元素的研究,就是源自道爾頓「化學原子論」的啟發。

    但是道爾頓在晚年時,拒絕別人為他作畫、立像以資紀念,他寫道:「對現有科學家與科學成果過多的禮讚,會成為後來科學工作者僵化的束縛。過多的奉承,在我聽來彷如訃聞。」

    他為後來的學子簡單地寫道:「成為一個化學家,最大的特點,在於他能區分,並注意到一些細小之處的差別。」「大自然引發人的好奇,起初看來像似不成熟的青澀果子,但這可能是一個神聖呼召的開始,讓人往前去深入。有許多值得研究的題材,仍然蘊藏在大自然裡面。」

    1844年7月27日,這位自12歲就擔任老師的科學工作者,才卸下他的教育天職。


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