第六章 下降的阶梯 (1/2)

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    一、希腊观念

    我们在分析物体的性质时，不妨先从某个“正常大小”的熟悉物体开始，然后再一步步进入其内部结构，以寻求目力所不及的所有物质性质的最终来源。让我们先从一碗端上餐桌的蛤肉杂烩汤开始讨论。我们之所以选择蛤肉杂烩汤，与其说是因为它味道鲜美、营养丰富，不如说是因为它是所谓混合物的一个很好的例子。不借助显微镜就可以看出，它是由许多不同成分混合而成的：蛤蜊片、洋葱丝、番茄块、芹菜段、土豆丁、胡椒粒、肥肉末，所有这一切都混在盐水里。

    我们在日常生活中遇到的物质（尤其是有机物）大都是混合物，不过在许多情况下，我们需要借助显微镜才能认识这一点。例如，用低倍放大镜就能看到，牛奶是小滴奶油悬浮在一种均匀的白色液体中而形成的乳状液。

    普通的土壤是一种精细的混合物，其中含有石灰石、高岭土、石英、铁的氧化物、其他矿物质、盐类以及由腐烂的动植物所形成的有机物质。如果把一块普通的花岗岩表面磨光，我们便立即可以看出，这块石头是由三种不同的物质（石英、长石和云母）的小结晶体牢固结合而成的一个坚实的东西。

    在我们对物质内部结构的研究中，混合物的构成只是这座下降阶梯的第一级，接下来我们可以对组成混合物的每一种纯净成分进行直接研究。对于像一根铜丝、一杯水或室内空气（当然，悬浮的灰尘不予考虑）这样真正纯净的物质，用显微镜是显示不出有什么不同成分的，这些材料自始至终都显得是连续的。诚然，铜丝乃至几乎任何固体（除了由不结晶的玻璃材料所组成的那些固体）经过高倍放大都会显示出一种所谓的粗晶结构，但是在纯净物中，我们看到的晶体却都是同样本性的————铜丝中是铜晶体，铝锅中是铝晶体，等等，就像在食盐中只能找到氯化钠晶体一样。通过使用慢结晶这种专门技术，我们可以把食盐、铜、铝或任何其他纯净物的晶体增加到任何尺寸，每一小块这样的“单晶”物质都会完全同质，就像水或玻璃一样。

    根据用肉眼和最精密的显微镜所作的这些观察结果，我们能否正当地假设这些所谓的纯净物无论放大到何种程度都不变样呢？换句话说，我们能否认为，一块铜、一粒盐、一滴水无论多么小，它们的性质都和大块儿完全一样，而且总能进一步分割成更小的部分呢？

    第一个提出并试图回答这个问题的人是希腊哲学家德谟克利特（Democritus），他生活在大约2300年前的雅典。他对这个问题的回答是否定的。他更倾向于相信，某种物质无论看起来多么同质，都必定是由大量（他并不知道量有多大）很小（他也不知道有多小）的粒子构成的。他把这些粒子称为“原子”，意思是“不可分者”。不同物质中原子的数目虽然有所不同，但物质性质的差异仅仅是表面的，而不是实在的。火原子和水原子其实是一样的，只是表面上有所不同而已。事实上，所有物质都是由同样的永恒原子所构成的。

    与德谟克利特同时代的恩培多克勒（Empedocles）对此的看法有所不同。他认为有几种不同的原子，这些原子以不同的比例混合起来，形成了各种各样的物质。

    基于当时已知的一些初步的化学事实，恩培多克勒认为有四种原子对应于土、水、气、火这四种据称基本的物质。

    根据这种观点，例如土壤是由土原子与水原子紧密混合而成的；混合得越好，土壤就越好。从土壤中长出的植物将土原子、水原子与来自太阳光的火原子结合起来，形成复合的木头分子。水元素逸出之后，木头就成了干柴。干柴的燃烧被认为是把木头分子分解或打碎成原来的火原子和土原子；火原子从火焰中逸出，土原子则作为灰烬留下来。

    这种对植物生长和木头燃烧的解释其实是错误的。不过在科学的这个婴儿阶段，它倒显得非常合理。我们现在知道，植物生长所需的大部分物质并不像古人或许多现代人所以为的那样来自土壤，而是来自空气。除了为植物的生长提供支撑，并且充当一个蓄水器来保存植物所需的水分，土壤本身只提供植物生长所需的一小部分盐类。只要有顶针所包围的那一点儿土壤，即可种出一株大玉米。

    实际上，大气是氮气与氧气的混合物，而不像古人以为的是一种简单元素，它还包含着一定数量的由氧原子和碳原子所构成的二氧化碳分子。在阳光的作用下，植物的绿叶吸收了大气中的二氧化碳，二氧化碳又与植物根部提供的水分发生反应，形成植物中的各种有机物质。其中一部分氧气会回到大气中，这个过程便是“室内植物使空气清新”的原因。

    木柴燃烧时，木头分子再次与空气中的氧结合，重新变成二氧化碳和水蒸气从灼热的火焰中逸出。

    至于“火原子”，古人曾认为进入了植物的物质结构，但实际上并不存在。阳光只提供了打破二氧化碳分子、从而形成可被植物消化的大气养料所需的能量；而且既然火原子并不存在，也就显然不能用火原子的“逃逸”来解释火焰；事实上，火焰是聚集起来的受热气流，因燃烧过程中释放的能量而变得可见。

    我们再用一个例子来说明对化学变化看法的古今之别。大家知道，让矿石在高炉中经受高温，可以冶炼出不同的金属。初看起来，大多数矿石都和普通的石头差不多，难怪古代科学家们认为矿石和其他石头是由同一种土原子构成的。然而若把一块铁矿石丢入烈火，他们发现从中得出的东西与普通石头完全不同————一种闪闪发光的坚硬物质，可以用来制作优良的刀和矛头。对此现象最简单的解释是说，金属由土与火结合而成，或者换句话说，金属分子中结合了土原子和火原子。

    在对金属作了这样的一般解释之后，他们又解释了铁、铜、金等不同金属的不同性质，说不同比例的土原子和火原子参与了它们的构成。闪闪发光的黄金不是显然比黑沉沉的铁包含着更多的火吗？

    但如果是这样，为什么不往铁里加些火，或者干脆往铜里加些火，把它们变成贵重的黄金呢？中世纪那些讲求实际的炼金术士们正是作了这样的推理，才日夜守在烟熏火燎的炉旁，试图用贱金属合成出黄金。

    从他们的观点来看，他们的工作就和现代化学家提出一种生产合成橡胶的方法一样合理。其理论和实践的谬误在于，他们认为黄金和其他金属是合成的而不是基本的。但如果不尝试，谁又能知道哪种物质是基本的，哪种物质是合成的呢？倘若没有这些早期的化学家们将铁铜变成金银的徒劳尝试，我们也许永远不会知道金属是基本的化学物质，而含金属的矿石则是由金属原子和氧原子结合而成的复合物（现代化学家所说的金属氧化物）。

    铁矿石在高炉灼热的烈火中变成了金属铁，这并不像古代炼金术士们以为的那样是由于原子（土原子和火原子）的结合，而是由于原子的分离，即氧原子离开了复合的铁氧化物分子。暴露在潮湿中的铁的表面会生锈，这并不是铁在分解过程中火原子逃逸后剩下了土原子，而是铁原子与空气或水中的氧原子结合成了复合的铁氧化物分子。34

    从以上讨论可以清楚地看出，古代科学家们对物质和内部结构和化学变化本质的构想基本上是正确的，他们的错误在于没有正确理解什么是基本物质。事实上，恩培多克勒所列出的四种基本物质其实都不基本：气是几种不同气体的混合物，水分子是由氢原子和氧原子构成的，土的组成非常复杂，包含许多不同成分，而火原子则根本不存在。

    实际上，自然之中存在着92种而不是4种不同的化学元素，即存在着92种不同的原子。其中像氧、碳、铁、硅（大多数岩石的主要成分）等化学元素在地球上相当丰富，大家也都很熟知；另一些则非常稀少，像镨、镝、镧之类的元素你也许从未听说过。除了这些天然元素，现代科学还用人工方法成功地制造出几种全新的化学元素，本书稍后还会讨论它们。其中的钚元素注定要在原子能的释放方面起重要作用（无论作为战争用途还是和平利用）。这92种基本元素的原子以各种比例相结合，便形成了水、黄油、油、土壤、石头、骨头、茶、炸药等无数复杂的化学物质。还有许多化合物，比如甲基异丙基环己烷，或氯化三苯基吡喃鎓，虽然化学家可能熟知，但大多数人恐怕连念都念不下来。目前，人们正在一卷又一卷地编写化学手册来总结无数原子组合的性质和制备方法呢。

    二、原子有多大？

    德谟克利特和恩培多克勒在谈到原子时，本质上是把他们的论证建基于一种哲学观念，即我们无法想象物质能被分成越来越小的部分而永远达不到一个不可再分的单元。

    现代化学家在谈到原子时，意思则要明确得多，因为要想理解化学的基本定律，就必须精确知道基本的原子及其在复杂分子中的组合。根据化学的基本定律，不同的化学元素只有按照明确的重量比例才能结合起来，这些比例必定反映了这些元素原子的相对重量。例如，化学家们得出结论说，氧原子、铝原子和铁原子的重量分别是氢原子质量的16倍、27倍和56倍。不过，虽然不同元素的相对原子重量是最重要的基本化学信息，但真正的原子重量是多少克，在化学研究中根本不重要。了解这些精确的重量丝毫不会影响其他化学事实，也不会影响化学定律和化学方法的运用。

    然而，物理学家在思考原子时首先必定会问：“原子的真实大小是多少厘米？重多少克？一定量的物质含有多少分子或原子？能够对单个分子和原子进行观察、计数和操纵吗？”

    有许多种不同的方法来估计原子和分子的大小，其中一种最为简单，倘若德谟克利特和恩培多克勒碰巧想到了这种方法，兴许也能在没有现代实验设备的情况下使用它。如果构成某个物体（比如一根铜丝）的最小单位是原子，那就显然不可能把该物体变成比这样一个原子的直径还薄的薄片。于是，我们可以试着把这根铜丝拉长，直到它最终成为一个单个原子链；或者把它砸成厚度只有一个原子直径的铜箔。不过，对于铜丝或任何其他固体材料而言，这项任务几乎是不可能完成的，因为这种材料不可避免会在达到想要的最小厚度之前断裂。但把液体材料（比如水面上的一个油膜薄层）铺展为一层由它的单个分子所组成的“地毯”却很容易。在这层薄膜中，“个体”分子彼此之间只在横向相连，而没有纵向堆积。只要认真和耐心，读者们可以亲自做这项实验，用简单的方法测量出油分子的大小。

    取一个浅而长的容器（图43），将它置于桌子或地板上，使之完全水平。往里加水到将近溢出，在容器上搭一根金属线，近乎与水面接触。现在，如果向金属线的一侧加入一小滴纯油，油就会布满金属线这一侧的整个水面。若是沿着容器边缘朝另一侧移动金属线，油层就会随着金属线而铺展开来，变得越来越薄，其厚度最终会等于单个油分子的直径。达到这一厚度之后，金属线的任何进一步移动都会导致这层连续的油膜破裂，形成水洞。知道了滴入水中的油量以及油膜破裂以前的最大面积，很容易算出单个油分子的直径。

    图43　水面上的油膜薄层伸展得太过就会断裂

    做这个实验的时候，你会注意到另一个有趣的现象。当把油滴在水面时，你首先会看到油面上熟悉的彩虹色，你也许在港口附近的水面上多次见到过这种颜色。它是从油层上下两个界面反射出来的光线干涉的结果。不同位置之所以有不同的颜色，是因为油层在扩散过程中各处的厚度不均匀。如果稍等片刻让油层铺匀，整个油面就会有均一的颜色。随着油层变得越来越薄，其颜色将按照光线波长的减小逐渐由红转黄，由黄转绿，由绿转蓝，再由蓝转紫。如果油面的面积再扩展下去，颜色就完全消失了。这并不意味着油层不存在，而是油层的厚度已经小于最短的可见波长，其颜色已经超出我们的视觉范围。不过，你仍然能够分清油面与清晰的水面，因为从这个薄层上下表面反射出来的两束光线会发生干涉，使光的总强度减小。于是，当颜色消失时，油面仍将因为显得有些“昏暗”而区别于清晰的水面。

    实际做这项实验的时候，你会发现，1立方毫米的油可以覆盖大约1平方米的水面。但若想把油膜进一步拉开，就会露出清晰的水面了。

    三、分子束

    还有一个有趣的方法可以演示物质的分子结构，那就是研究气体或蒸汽经由小孔涌向周围的真空。

    假定有个抽空的大玻璃泡，内置一个小电炉，所谓的电炉其实是一个壁上钻有小孔的陶制圆筒，外面缠有供热的电阻丝。如果把某种低熔点金属比如钠或钾放入电炉，圆筒中就会充满金属蒸汽，并将从圆筒上的小孔泄漏到周围的空间。一旦碰到冷的玻璃壁，金属蒸汽就会附在上面。玻璃壁各处形成的镜子般的金属沉积薄层将会清楚地显示出物质逸出电炉之后的行进过程。

    此外我们还会看到，如果炉温不同，玻璃壁上金属膜的分布也会不同。炉温很高时，炉子内部金属蒸汽的密度会很大，这时的现象就像水蒸气从茶壶或蒸汽机里逸出。从小孔出来的金属蒸汽会朝四面八方扩散（图44a），充满整个玻璃泡，并且较为均匀地沉积在整个内壁上。

    图44

    然而炉温较低时，炉内蒸汽的密度也会较低，此时现象就完全不一样了。从小孔逸出的物质不再朝四面八方扩散，而是似乎沿一条直线运动，其中大部分都沉积在正对着炉子开口的玻璃壁上。如果在开口前面放一个小物体（图44b），这种现象就更加明显了。物体背后的玻璃壁上不会形成沉积，这块空白沉积区域的形状将和障碍物的几何影子完全一样。

    如果我们还记得，蒸汽是由空间中沿四面八方彼此冲撞的大量分子形成的，那么就很容易理解密度大小不同的蒸汽逸出时为何会有那样的行为差异。蒸汽密度很高时，气流从小孔冲出就像惊慌失措的人流从失火剧场的出口涌出来一样，从门口出来之后，他们在大街上四散奔逃时仍然在相互冲撞；而蒸汽密度很低时，就好像从门里一次只出来一个人，因此可以直线前进而不受干涉。

    这种从炉孔排出的低密度蒸汽物质流被称为“分子束”，它是由并排飞越空间的大量分子组成的。这种分子束对于研究分子的某些性质非常有用。例如，我们可以用它来测量热运动的速度。

    斯特恩（Otto Stern）最早发明了这种装置来研究分子束的速度，它实际上等同于斐索用来测定光速的仪器（见图31）。它的两个齿轮被安装在同一个轴上，只有以正确的角速度旋转时才能让分子束通过（图45）。斯特恩用一块隔板拦住从这样一个仪器发出的一束很细的分子束，表明分子运动的速度一般来说是很大的（200℃时钠原子的速度是每秒1.5公里），而且随着气体温度的升高，分子运动的速度还会加大，这便直接证明了热的运动论。根据这种理论，物体热量的增加纯粹是物体分子无规则热运动的加剧。

    图45

    四、原子摄影

    上面这个例子几乎无可置疑地证明了原子假说的正确性。但既然“眼见为实”，要证明分子和原子存在，最令人信服的证据莫过于亲眼见到这些微小的单元本身了。直到最近，英国物理学家布拉格（William Lawrence Bragg）才用他发明的对晶体内原子和分子进行摄影的方法实现了这样一种视觉演示。

    但不要以为给原子摄影很容易，因为在给这么小的物体拍照时，必须考虑一个事实：如果照明光线的波长大于被拍摄物体的尺寸，照片就会非常模糊。你总不能用刷墙的刷子来画波斯细密画吧！和微小的微生物打交道的生物学家都很清楚这个困难，因为细菌的大小（约0.000 1厘米）与可见光的波长类似。要使细菌的像更加清晰，需要用紫外光给细菌摄影，才能获得更好的效果。但分子的尺寸及其在晶格中的距离实在太小（0.000 000 01厘米），无论可见光还是紫外光都无法用来绘制它们。想要看到单独的分子，就必须使用波长比可见光短数千倍的射线或所谓的X-射线。

    但这样一来，我们又碰到了一个似乎无法解决的困难：X-射线几乎可以穿透任何物质而不发生衍射，因此使用X-射线时，无论透镜还是显微镜都不会管用。当然，这种性质以及X-射线强大的穿透力在医学上很有用，因为X-射线穿透人体时的衍射会把所有X-射线底片都弄模糊。但正是由于这种性质，我们似乎不可能得到任何一张用X-射线拍摄的放大照片！

    初看起来，情况似乎没有什么希望，但布拉格找到了一个非常巧妙的办法来解决困难。他的思考基于阿贝（Ernst Abbé）提出的显微镜的数学理论。根据阿贝的说法，任何显微镜图像都可以被视为大量分离图样的叠加，而每一个图样又是以某个角度贯穿视场的平行暗带。图46是一个简单的例子，表明黑暗视场中央处一个明亮的椭圆区域可以通过四个分离的暗带图样叠加而成。

    图46

    根据阿贝的理论，显微镜的运作过程是：（1）把原有图像分解成大量分离的暗带图样；（2）把每一个图样放大；（3）把这些图样重新叠加在一起，得到放大的图像。

    这个过程类似于用几块单色板印制彩色图片的方法。如果单独看每一块色板，你可能看不出图片究竟画了什么，然而它们一旦以恰当的方式叠印出来，整个画面就清晰分明地呈现出来了。

    由于不可能制造出能够自动完成所有这些操作的X-射线透镜，我们不得不逐步进行：先从各个角度拍摄大量单独的X-射线晶体暗带图样，再以恰当的方式将它们叠印在一张感光纸上。于是，我们做的是和X-射线透镜完全一样的事情，只不过透镜几乎一瞬间就能完成，而一个技巧娴熟的实验员却要忙上好几个小时。因此，布拉格的方法只能用来拍摄分子总是待在原地的晶体，而不能拍摄分子在疯狂乱舞、四处冲撞的液体和气体。

    虽然用布拉格的方法拍摄的照片不能“咔嚓”一下就到手，但合成出来的照片同样完美而准确。如果因技术理由而不能在一张底片上拍下整座大教堂，那么不会有人反对用几张图合成出一幅大教堂照片。

    插图1便是以这种方式拍摄的六甲苯分子的X-射线照片，化学家将它写成：

    由六个碳原子构成的碳环以及与之相连的另外六个碳原子都在照片上清晰地呈现出来。较轻的氢原子的印记则几乎看不到。

    即使是最最多疑的人，在亲眼看见这样的照片之后，也会同意分子和原子的存在性得到证实了吧。

    五、将原子剖开

    德谟克利特所说的“原子”在希腊文中的意思是“不可分者”，也就是说，这些微粒代表着将物质分成其组分的最终可能界限，换句话说，原子是所有物体所由以构成的最小、最简单的组成部分。数千年后，“原子”这个最初的哲学观念被纳入了精确的物质科学，在大量经验证据的基础上成了有血有肉的实体。此时，相信原子是不可分的这个信念仍然存在着。人们假想，不同元素的原子之所以有不同的性质，是因为几何形状有所不同。例如，氢原子被认为近乎球形，钠原子和钾原子则被认为具有长椭球的形状。另一方面，氧原子被认为是面包圈形的，但中心那个洞几乎完全封闭，这样一来，将两个球形的氢原子放入氧原子面包圈两边的洞内，就会构成一个水分子（H2O）。至于水分子中的氢被钠或钾所取代，则被解释为拉长的钠原子和钾原子比球形的氢原子更适合氧原子面包圈中间的洞（图47）。

    图47　右下角的签名是：里德伯，1885年

    这些观点认为，不同元素之所以会发射不同的光谱，是因为不同形状的原子有不同的振... -->>

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