道尔顿的原子是什么?
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发布时间：2022-04-23 09:54
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时间：2023-10-10 07:54
年轻时的道尔顿，似乎并未显示出他有震撼科学界的能力。他不是一位伟大的实验家，既无出众才华，也不善辞令，因而他没有机会上“最好”的学校。小学时上的是只有一间教室的学校，但令人惊讶的是，12岁时他接管了这所学校的整个教学。在空余时间，他自学过牛顿和波义耳的书。此后不久，道尔顿开办了自己的学校，但是他讲课欠佳，3年后就关闭了，因为所有的学生都离开了。
道尔顿和当时的许多科学家不一样，他在演讲方面很少取得成功。他带有粗俗的乡村口音，生硬的表达方式少有魅力，因此无法以演讲谋生，只能靠辅导和教学维持生活，同时把所有业余时间都放在科学兴趣上。（每当有人问他为什么不结婚时，他总是冷淡地回答：“我没有时间，我的头脑全是三角形、化学过程和电学实验，哪有时间去想其他事情。”）
他是贵格会教徒，严格遵守穿着简单的宗教习惯，这也许和他的色盲症有关，他只能选暗色服装。
道尔顿毅力非凡，做事有条不紊，具有百折不挠的精神和强烈的好奇心。他从1787年起写气象日记，毕生坚持，他对气体的研究作出了好几项贡献，他第一次对原子理论作出了清晰的叙述，这一切都是为了坚持不懈地钻研自然奥秘。
到18世纪末，空气的本质和它的组成仍然有许多未解之谜，道尔顿对此极感兴趣。就在他一生的日常散步中，他就作了几乎200000次气象观察，最后一次是在他78岁去世的那天。可以说，对气象的研究导致他涉及气体及其组成的研究。
空气大体上是由氧、氮和水蒸气组成的，这已经知道，但是为什么这一混合物有时很难分离呢？为什么更重的气体氮，不沉在容器的底部，或同样，沉在大气更低的区域呢？道尔顿用一个简单的自制装置，称量了组成空气的不同元素，得出了重要结论。
道尔顿发现，气体混合物的重量等同于各个成分单独测量时重量之和。他这样解释：
“当分别标记为A和B的两种弹性流体（气体）混合在一起时，它们的粒子相互间没有排斥力；A粒子之间互相排斥，但不排斥B粒子。因此，作用于任一粒子上的压力或总重，完全来自与它相同的粒子。”
这就是所谓的道尔顿分压定律（1801年发表），这一说法基本上可以归结为如下的思想：混合物中的不同气体相互不受影响。或者：气体混合物的总压强是每种气体单独存在时的压强之和。道尔顿当然知道波义耳对气体的工作，这一新的信息显然更明确地指向这样的想法：气体是由看不见的微粒组成的。
但是他继续往下想这个问题。是不是所有的物质——不只是气体——都是由这样的粒子组成的呢？普鲁斯特（Joseph Louis Proust，1754—1826）在1788年曾经指出，物质往往以整的单元组合。也就是说，化合物能够以4：3或者以8：1的比例结合。但是，化学反应却不会按，比如，8.673克氧和1.17克氢的比例进行。一种方式可以解释这一所谓的定比定律，就是假设每种元素都是由微粒组成，为了尊重德谟克利特，道尔顿把这种微粒称为“原子”。（这个名称有点混淆，因为我们现在知道，道尔顿当然不会知道，原子并不真是“不可分的”。它们也是由看似不可分的更微小的粒子组成的。正因为这个原因，现在许多科学家宁可把道尔顿的原子称为“化学原子”。）道尔顿还建议，不同化学物质的原子是不一样的，某些早期原子论者也有这样的看法。但是并不像德谟克利特认为的那样，不同物质的原子只是形状上的差别。道尔顿注意到，它们的差别在于重量，他还确定了一个事实，即每种元素都有自己特定的重量。
Dalton's 1808 symbols and formulae Hydrogen Soda Ammonia Nitrogen Pot AshOlefiant Carbon Oxygen Carbonic Oxide Sulphur Copper Carbonic Acid Phosphoruslead Alumina Water Sulphuric Acid.
道尔顿给每一个元素设计了一个新符号，按原子量的上升次序排列，原子量是他自己根据以氢原子的原子量为1的概念计算的。
1803年9月，道尔顿以氢的重量为1作为基础，其他所有元素都是这个重量的倍数，提出第一份原子量表。后来，他又对此表进行扩充，使之包括21个元素。
由于道尔顿的工作，化学家开始认识到存在不同类型的原子，任何一种元素的原子都是相似的，具有与其他元素的原子不同的特殊性质和相对重量。
道尔顿进一步论证道，看来，两个元素可以化合成不止一种化合物。例如，碳和氧可以化合成今天我们所谓的一氧化碳，还可以化合成二氧化碳。但是，它们是以不同的比例化合，却仍然是整数（按重量，二氧化碳是3：4）。道尔顿猜测，一氧化碳也许正好是一个碳粒子与一个氧粒子化合（四个碳粒子的重量等于三个氧粒子的重量）。他估计，二氧化碳则是一个碳粒子与两个氧粒子结合（这个假说后来得到了验证）。这就是所谓的倍比定律，道尔顿于1804年发表。一位名叫希金斯（William Higgins，1763—1825）的科学家在1789年曾提出过这一思想，但是没有实验证据，直到道尔顿的出现。道尔顿的许多同事对这一定律感到兴奋，因为它使原子理论更容易被人们接受。
道尔顿敢于提出这一想法，是因为他注意到当元素组成化合物时，一种元素的一个或多个原子与来自另一元素的一个或多个原子结合形成一份化合物。例如，一份水总是由一份氧和两份氢组合而成。一份水的重量与两个氢原子加一个氧原子的重量相等。道尔顿测试了几十种化合物，总是得到同样的结果。
道尔顿的原子理论有可能解释各种元素是怎样形成化合物的。他说，原子集合在一起组成其他物质，在这一过程中，它们总是一个与一个，或者一个与两个或更多个，以整数的，而不是分离的方式化合——形成其他物质。
1808年，在《化学哲学新体系》（New System of Chemical Philosophy）一书中，道尔顿发表了这一思想。他声称，原子是化学元素的基本单元，每种化学原子都有自己的特定重量。
他写道：
“物体有三种不同的类型，或者三种状态，即所谓的弹性流体（即气体）、液体和固体，这已得到哲学化学家的注意。一个显著的例子就是水，水作为一种物体，在一定的条件下，就有这三种状态。我们认为，水蒸气是一种完全的弹性流体，水是完全的液体，而冰则是完全的固体。不言而喻，这些观察已经导致这一普遍被接受的结论，即：所有大小可感知的物体，不论是液体还是固体，都是由大量极小的粒子组成的，或者是被一种吸引力束缚在一起的原子所组成，吸引力的强弱视环境而定。……”
他继续解释，化学分解和合成只不过是这些粒子的重新组合——把它们相互分开，或者把它们结合在一起。正如拉瓦锡所说，在这一过程中，物质从不会被创生，也不会被消灭。道尔顿宣称：“我们可以产生的所有变化，仅仅在于把处于凝聚或者结合状态的粒子分开，以及把以前分开的再结合在一起。”这些见解就是今天仍然有效。
道尔顿的原子论正是在别人失败之处取得了成功，这是因为他提供了一种能够作出明确预言的模型。当然，他的理论中有些内容后来被抛弃了，但是，其核心内容保存了下来，这就是：每个原子都有特定的质量，在化学反应中元素的原子保持不变。
沿着这条路，道尔顿还引出了其他一些发现。他第一个发表这一结论：当一种气体与另一种气体在同样的温度下被加热至同一温度时，它们的膨胀率相等。他在1794年发表的文章中首次描述了色盲。
1833年，道尔顿的仰慕者和朋友们共同出资为道尔顿建立一座雕像。雕像坐落在曼彻斯特皇家研究所的前面。一些享有盛誉的学会给他荣誉，包括伦敦的皇家学会和巴黎的科学院。1832年，当他获得牛津大学的博士学位时，有幸晋见了英国国王。当时仪式上唯一的问题是要求他必须穿上宫廷服装，还要佩带一把剑，而这就直接违背了他所信奉的宗教的和平主义原则。但是最终他和英国的显贵人士达成了妥协，他可以穿牛津的外套，至于佩剑问题则不必强求。他或许知道，或许不知道，牛津的外套是鲜红色的——仍然与贵格会的习俗相违背。但是在这位色盲科学家看来，外套是灰色的。
道尔顿1844年去世，由于在原子理论和气体行为方面的工作，他受到了人们高度尊重。出殡那天，四万多人排列在街道两旁为他送行，他们再也不能作为学生进入他的课堂了。在道尔顿的一生中，他所取得的成就为19世纪物理学和化学的伟大进展提供了准备。足够幸运的是，他看到了人们对他贡献的认可。
