科學家的時空背景

  世界到底是由什麼組成的,一直是個困擾人們的問題。在古希臘時期,哲學家們就提出了兩種不同的說法。一派的人認為,世界是由許多連續、可以無窮盡分割的元素組成;而另外有一派的人則認為,世界是用不可繼續分割的原子所堆積而成。

  自從波以耳(Robert Boyle,1627- 1691)出版《懷疑的化學家》一書後,化學逐漸成為一個被學者們認真對待的學科,而不是煉金術師的奇妙幻想。波以耳在書中清楚了描述元素的定義,並且說「任何的元素理論,都應該透過理性的實驗提出」。波以耳的想法對末代的煉金術師,或是說最早的化學家們無疑是一座指引方向的燈塔。對於化學來說,透過控制的實驗過程、事先設計好的操作方式,就可以在限定條件的實驗中,找到物質組成的規律。學者開始嘗試分離、組合各種不同的物質。18世紀,由法國貴族拉瓦節(Antoine-Laurent de Lavoisier,1743- 1794)進行的實驗更將化學變成一個具有研究價值的學問。

  拉瓦節經過精密的實驗後,發現無論是實驗前後,物質的重量都不改變。他首先將玻璃罐密封,放在火上加熱,而他發現無論加熱多久後,總重量都是不變的。他也進行了許多燃燒實驗,證明了燃燒後產生的氣體與灰燼的重量,會與燃燒前的燃料與空氣的重量相等。拉瓦節提出了「質量守恆定律」,來說明一切的元素與物質都不會消失或憑空出現。對於質量的研究,讓化學家找到了新的分析工具。由於質量會保持相同,因此只要測量不同元素的質量,就可以了解到元素是如何在反應前後變化。

圖、波以耳畫像

圖、拉瓦節畫像

  在拉瓦節累積大量的實驗數據後,1797年,法國的化學家普勞斯特(Joseph Louis Proust,1754- 1826)整理出了「定比定律」。他沿著拉瓦節的質量守恆定律,更進一步說明了元素將會以固定的比例組成特定的化合物。例如人工製造的碳酸銅,與天然的碳酸銅中的銅、碳、氧三種元素的質量比都相同,他也用相同的方式說明了蜂蜜中的糖、與葡萄中的糖是一樣的組成。雖然此時的化學家還在不斷精進實驗技巧,讓質量的測量可以更加準確,但這一個定律卻成為了化學研究中至關重要的一個重點。「所有的相同物質,都擁有一樣的元素組成」。

  雖然對化合物之間的關係,已經有了許多的突破,但對「物質本身」到底是由什麼組成的這個問題,則依然沒有答案。古希臘哲學家德謨克利特與亞里斯多德,各自提出了自己的想法。德謨克利特認為,這個世界是由一顆又一顆一模一樣的原子組成,這些原子用不同的方式排列,就形成了水、大地、身體等等各種物質;而亞里斯多德則反對這種說法,亞里斯多德認為,一杯水之間不會有任何空隙,當我們用針筒將水抽出時,水就會立刻填滿針筒中每一個空隙。而一塊金屬也是連續不斷的延伸,佔滿整個空間,世界萬物應該是連續不斷的物質組成才對。古希臘人的想法,特別是亞里斯多德的想法延續到了17世紀,影響到了影領科學革命的巨人們。

  笛卡爾、牛頓、波以耳等前輩自然哲學家,紛紛延續亞里斯多德的想法,認為物質必定佔據了空間裡的每一個部分,而因此是連續不斷,可以無限被切成更小的小塊的。就像是一杯水一樣,我們可以一直把一杯水分成更小的部分,持續不斷的切分而永遠沒有盡頭,他們將這個概念稱為「小體」(微粒)。

科學家的經歷

  約翰.道耳頓(John Dalton,1766- 1844)在1766年出生於英格蘭的小農村之中,他在鄉村中的小小教會學校就讀,但僅讀了1年就停學了。他對自然與科學的天生好奇心補足了正規教育的不足。在12歲那一年,道耳頓的哥哥從教友接下了教會私立學校的校長職位,道耳頓開始在學校內擔任老師教書。他在學校內持續任教直到26歲,在這段期間內,道耳頓持續在學校圖書館的才書中吸收哲學、自然等知識,特別是氣象學相關的知識。道耳頓的盲人哲學家老師高夫帶著道耳頓學習各種自然科學。

  1787年,從道耳頓21歲開始,每一天的清晨六點準時起床,記錄當天的氣溫、濕度等等氣象變化。他對氣象學紀錄的熱情與堅持,讓他蒐集了大量的氣象數據,也成為了他開始進入學術研究領域的開端。他每天早上起床開窗戶測量溫度的聲音,甚至成為了鄰居最準時的鬧鐘聲,道耳頓保持這個習慣持續了57年,直到他去世當天為止,他一生中共累積了200,000筆氣象記錄。

圖、道耳頓畫像

圖、道耳頓在工作時會戴上的「思考帽」

  道耳頓這種近乎著魔的研究態度,卻成功地讓他快速累積觀察與實驗的經驗;而他固執且仔細的研究方法,也讓道耳頓做出了許多展露頭角的研究成果,像是他對於自身色盲的研究,舊因為他對於視覺有條不紊的討論得到了廣泛的認可,甚至直到今天還是有許多人將色盲稱呼為「道耳頓症」。

  道耳頓從研究大氣開始,為了理解大氣中最重要的成分「氣體」,他開始轉向氣體的各種特性的研究。也因此道耳頓於1800年左右開始進行有關氣體分壓、化合、以及密度、混和等等各種實驗。他透過從亞里斯多德開始,一直延續到波以耳、牛頓等人的想法,慢慢構築他自己對於氣體本質的想像。對牛頓與波以耳來說,氣體與所有的物質都是由許多看不見,體積無限小的「小體」(微粒)所組成。這些微粒的大小是無限小,永遠都可以繼續被切割成更小的部分,而微粒與微粒間的碰撞、擠壓等行為,就展現出了物質的各種特性。

  但隨著道耳頓與當代的化學研究進展,他開始發現了一些不尋常的地方。

科學家發現的問題

道耳頓研究氣體間的化學反應時,他觀察道了各種元素在進行化學反應時的整數規律,在他1803年的手稿中,他記載了以下的現象:

如果用14g的氮來與氧氣化合的話,可以產生五種氮氧化物。而產生的這五種氮氧化物會分別消耗8g、16g、24g、32g、48g的氧氣。

如果用12g的碳來與氧氣化合的話,可以產生兩種氮氧化物。而產生的這兩種氮氧化物會分別消耗16g、32g的氧氣。

道耳吞在整理完實驗數據後,發現上述氮與氧化合、碳與氧話合都僅能以特定重量倍數的氧氣來化合的現象,會不符合當時對於物質世界的主流說法,也就是亞里斯多德所提出的「世界所有物質的組成是由許多小小的微粒組成的,這些微粒大小是無限小,可以不斷地被分成更小的單位」的想法。

因為從亞里斯多德一直到牛頓、波以耳等人的想法中,物質可以隨意地切割成無限小的部分這個概念,就一直被延續下來。若使用這個方法來解釋的話,同樣重量的氮氣、碳,應該可以與各種重量的氧化合成各種化合物才對,例如都用14克的氮氣與氧反應,應該可以觀察到氮氣與1g、2g、5g、8.8g、9.1g、11.15g...等各種毫無規律重量的氧氣化合。但是實際上僅有8g、16g、24g、32g、48g的氧氣可以與14g的氮氣化合,並且這些話合反應的氧氣都是8g氧氣的整數倍。就像拿兩塊黏土混和時,可以拿大塊的也可以拿小塊的;可以是兩塊一樣大,也可以是兩倍大的另一塊、一半大、0.75倍或是5/3倍大的黏土來混和。道耳頓觀察到的事情,就好像碳黏土在與氧黏土混合時,氧黏土只能用兩種固定的大小結合,而其他的大小碳都不接受,這對當時的知識來說是難以解釋的一件事情。

科學家的聯想

  道耳頓開始思考是否有其他可能的解釋,他聯想到了把物質視為一個又一個的小粒子的不只有牛頓,還有古希臘哲學家德謨克利特提出的「原子」,但這個想法與亞里斯多德與牛頓等人最大不同是,德謨克利特的「原子」,意思是「不能再被切割的物質」。這代表著當人們持續切開元素(例如持續切開一塊金屬),應該最終會得到一個不可以再切開的最小單位。

  道耳頓又聯想到從拉瓦節定義出化學元素,化學家們開始研究化學元素的特質後,他們就認為每一種化學元素擁有著完全不一樣的本質,這代表著每一種元素應該完全不同的東西。

科學家的假設

  因此道耳頓認為所有的元素在不斷的切割後,應該都會得到一個最小、再也不能切分成更小的單位,他稱之為「原子」。而由於不同的元素都會展現出完全不同的化學性質、密度等等特性,也因此不同的元素應該由不同的原子組成。元素結合時,其實就應該是原子的結合。例如碳元素與氧元素結合的兩種氧化物,就分別是1個碳原子與1個氧原子的結合;還有1個碳原子與2個養原子的結合。由於氧原子分別為1顆與2顆,這兩種化合物的氧元素重量比就是1:2。所有的化學物質,都是像這樣由1顆1顆的原子組合而成,也因此才會有這麼多的化合物間具有元素重量的整數比關係。

  道耳頓口中的元素與元素的結合,並不像是黏土與黏土結合一樣,可以用任意的比例混在一起。更像是積木,最少都必須使用兩種各1個積木來結合,像是紅色積木與1個藍色積木、或是紅色積木與2個藍色積木的結合。藍色積木必定會是1個、2個、3個的整數,而不會有不同的分數出現。

科學家的驗證

  既然元素間都是用原子為單位進行結合的,如果元素都由道耳頓所認為的是由1個又1個的原子組成的話,那他應該可以觀察到更多這種化合物間元素的整數比例來支持他的想法。在1803年之後,道耳頓開始參考其他人的資料與自己的實驗,陸續找到許多相同的現象。

  像是氧與氮的化合物中,就有亞硝氣(一氧化氮)、氧化亞氮(一氧化二氮)(此處名稱使用道耳頓所記載的名稱,非現行名稱)兩種。其中當氧氣的重量固定時,氮氣的重量比一樣是1:2,說明兩種化合物中氮原子與氧原子的結合分別是2+1與1+1。

  另外還有錫與氧,也有兩種不同的氧化物,分別是100g的錫與13.5g氧氣、100g的錫與27g氧氣的結合。這個例子中氧氣的重量比也是1:2。

  碳與氫的結合也遵守這種整數比例,碳與氫會用1個碳原子與1個氫原子結合,另外還有1個碳原子與2個氫原子結合的兩種化合物,實際測量這兩種化合物間氫氣重量的比例,又可以發現是1:2的重量比。(實際上道耳頓對於化合物中有幾個原子的猜測其實多半是錯誤的,也因此他所計算出來的原子量也都與現今不同。碳與氫就是一個道耳頓的錯誤,現今我們知道碳與氫的最簡單化合物為CH4,由一個碳原子與四個氫原子組成)

  道耳頓檢視了以上的化合物與他所有已知的化合物(礙於篇幅此處僅為少數舉例)後更加堅信自己對原子的想法是對的:化學元素在結合時,的確如他所說是由1個1個的原子進行結合,所以才會在這麼多的化合物之間找到整數比的關聯。

科學家的結論

  在經過了4-5年的數據蒐集與實驗後,道耳頓更堅信自己原子說的想法。因此他在1808年出版《化學哲學的新體系》,提出他的原子說。原子說的核心有以下幾點:

元素由稱為原子的極小粒子組成,且不能被細分、創建或銷毀。

相同元素的原子在大小、質量和其他特性上是相同的;不同元素的原子在大小、質量和其他特性上有所不同。

不同元素的原子以簡單的整數比結合形成化合物。

在化學反應中,原子結合、分離或重新排列。

  在這一本書之中,他將氫原子的重量定為1,並且透過實驗計算出他所找到的基本原子的重量。包含氧、碳、硫、銅、金等等當時已知的元素的重量。

科學家的後續

  由於原子說非常有效的解釋了化合物間元素比例都是簡單整數比的關係,也可以解釋有關溶解、分壓、物質的相變化等等的現象,很快地就受到了科學家們的普遍接受,並有許多化學家進行了更多的實驗,提出了更多支持原子說的證據。

圖、道耳頓於1810-1820年間使用的原子教具。

圖、道耳頓不同元素的原子(部分)

圖、道耳頓不同元素的原子(部分)

  其中,與道耳頓長期保持聯絡的頂尖化學家,貝吉里斯(瑞典語:Jöns Jacob Berzelius,1779-1848),更為原子說提供了非常多精確的證據。他透過非常精準的實驗計算出原子量,讓原子說的理論更加堅實。身為專業教師的貝吉里斯,則在化學家們的溝通方式上,做出了重大的貢獻。根據原子說,所有的化合物都是由不同的元素原子組成,而且此時化學家所發現的化合物,都具有相當簡單的元素比例。1811年,他設計了一種只用最多兩個字母來表示化學元素的方法,他稱為「元素符號」,利用每個元素的第一個字母或前兩個字母,來代表化合物中的原子,並且用數字小標標示出不同元素在化合物中的比例。例如「氧Oxygen」就用「O」來表示,碳則用「C」來表示,而一個碳原子與兩個氧原子的化合物碳酸氣(二氧化碳),就用CO2表示。

圖、貝吉里斯畫像

  然而,道耳頓卻固執的一輩子不接受貝吉里斯的化學符號表示法,他堅守著自己繪製的原子圖案,堅信他的方法才是表示原子的最好方式。除了不接受元素符號外,他也幾乎不接受各種對原子說的批評,甚至連其他人提供的實驗數據都不太接受,不願意改正自己的結果。

  1811年,一位來自義大利的年輕化學家亞佛加厥,就提出了非常多的實驗數據來反駁道耳頓的計算出來的原子量。亞佛加厥不但找到了原子說重要的破綻,更提出了可以將原子說修改得更完整的理論,但道耳頓卻連評論都不願意評論亞佛加厥的想法,只用亞佛加厥一定實驗不精確來打發掉這個將會對化學做出重大貢獻的理論。