科學(xué)發(fā)現(xiàn)上的幸運(yùn)與遺憾

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推翻燃素學(xué)說過程中的幸運(yùn)與遺憾 卡文迪許與庫(kù)侖定律 電磁感應(yīng)發(fā)現(xiàn)中的幸運(yùn)與遺憾 小數(shù)點(diǎn)后第三位的勝利和遺憾 X射線發(fā)現(xiàn)過程中的幸運(yùn)與遺憾 陰極射線引出的發(fā)現(xiàn)和遺憾 中子發(fā)現(xiàn)，憾聲一片約里奧一居里夫婦三次與諾貝爾獎(jiǎng)擦肩而過費(fèi)米的遺憾 開爾文兩次走到電磁理論的大門而不入 普朗克的悲劇 克羅尼格的不幸 勞倫斯的哀嘆 李比希的懊悔氫氣發(fā)現(xiàn)權(quán)上的諸多遺憾釩的發(fā)現(xiàn)的偶然與遺憾讓人扼腕的“愛迪生效應(yīng)”

章節(jié)摘錄

插圖：推翻燃素學(xué)說過程中的幸運(yùn)與遺憾在化學(xué)的發(fā)展歷史上，燃素學(xué)說曾經(jīng)占據(jù)了很重要的地位，從17世紀(jì)末至18世紀(jì)后期，它統(tǒng)治了化學(xué)界近一百年之久。作為一種重要的理論，它的提出和最終的被推翻，都是化學(xué)發(fā)展史上最重要的里程碑之一。很多化學(xué)史書上都這么說：是法國(guó)化學(xué)家安都昂·羅朗·拉瓦錫（Antoine.Laurent Lavoisier，1743-1794）提出燃燒的氧化學(xué)說，從而將燃素學(xué)說送進(jìn)墳?zāi)沟?，拉瓦錫因此而被稱為現(xiàn)代化學(xué)之父，名垂青史。關(guān)于燃素學(xué)說的興起和最終的被氧化學(xué)說所取代，我們?cè)凇痘瘜W(xué)的里程碑》一書中已經(jīng)有詳細(xì)的記述，不再贅述。這里要說的是，拉瓦錫并不是第一個(gè)推翻燃素學(xué)說的人，可以這樣說，推翻燃素學(xué)說、建立氧化學(xué)說的過程中存在著幸運(yùn)和遺憾。燃素學(xué)說是1702年由普魯士醫(yī)生恩斯特·斯塔爾（George Ernst Stahl，1660-1734）提出來的，它的基本觀點(diǎn)是：可燃的物質(zhì)中，都含有一種細(xì)小、活潑的火中微粒，這就是所謂的燃素。在…定的條件下釋放出燃素，就發(fā)生燃燒。所以燃燒就是物質(zhì)放出燃素的現(xiàn)象或過程。有些可燃物燃燒后，剩余的灰燼明顯地比燃燒前的物質(zhì)輕，所以，燃燒過程可以用如下公式表示：燃燒物-燃素=灰燼例如蠟燭燃燒，燃燒時(shí)燃素逸去，蠟燭縮小下塌而化為灰燼。但是也有部分物質(zhì)燃燒后重量卻增加了，比如說，金屬燃燒后，重量反而增加。因此，燃素學(xué)說又給出如下的公式：金屬+燃素=灰燼很明顯，這兩個(gè)公式是互相矛盾的。這就是所謂的燃素學(xué)說悖論。一些堅(jiān)定的燃素學(xué)說的支持者就想出負(fù)重量的概念去解釋第二個(gè)公式。但是這個(gè)“負(fù)的質(zhì)量”也實(shí)在太讓人不可思議，因此，從它一提出，就有人對(duì)它懷疑，進(jìn)而懷疑燃素學(xué)說。最先系統(tǒng)地對(duì)燃素學(xué)說提出懷疑的是俄國(guó)的科學(xué)家羅蒙諾索夫。1748年，他也系統(tǒng)地對(duì)金屬的燃燒過程進(jìn)行了研究。他把金屬密封在玻璃容器里燃燒，發(fā)現(xiàn)燃燒前后玻璃容器的總重量并沒有變化。因此他斷定，根本就沒有什么燃素存在。關(guān)于燃燒后的金屬灰的重量增加的問題，他作出了這樣的解釋：可能是空氣里的微粒與金屬化合了。他的這一想法與現(xiàn)代氧化學(xué)說其實(shí)是很接近了?？上У氖牵麤]能繼續(xù)研究下去。因此，他雖然已經(jīng)觸及燃燒現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)、找到了推翻燃素學(xué)說的鑰匙，但最終還是沒能完成這件意義重大的工作。1772年9月，拉瓦錫也開始做金屬燃燒實(shí)驗(yàn)。他的實(shí)驗(yàn)與羅蒙諾索夫的實(shí)驗(yàn)很相似，也得出燃燒前后玻璃容器總重量沒有變化的結(jié)論。但他對(duì)實(shí)驗(yàn)做了一個(gè)很重要的改進(jìn)——他在玻璃容器上開了一個(gè)小孔，燃燒時(shí)把小孔封上。等燃燒完、稱量了容器的重量后才把小孔打開。當(dāng)小孔被打開時(shí)，明顯感覺到有空氣帶著響聲沖進(jìn)容器里。再稱量容器的重量時(shí)，發(fā)現(xiàn)它的重量增加了。而灰燼增加的重量恰好等于空氣沖進(jìn)去后容器重量的增加值。拉瓦錫由此得出這樣的結(jié)論：金屬燃燒后的重量增加是金屬與空氣的一部分相結(jié)合的結(jié)果。這就從根本上對(duì)燃素說提出了質(zhì)疑。那么，與金屬相結(jié)合的空氣成分又是什么呢？拉瓦錫就無從解答了。1771年和1774年，瑞典著名的化學(xué)家卡爾·威爾海姆。舍勒（Carl Wilhelm Scheele 1742－1786）和英國(guó)化學(xué)家約瑟夫·普利斯特列（Joseph Priestley，1733－1804）先后獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了氧氣，但他們都是虔誠(chéng)的燃素論者，他們都錯(cuò)把它當(dāng)作“脫燃素空氣”（dephl-ogisticated air）。相關(guān)的發(fā)現(xiàn)過程可以參閱《化學(xué)的里程碑》一書。普利斯特列和舍勒發(fā)現(xiàn)的這種氣體實(shí)際上就是氧氣。1774年10月，普利斯特列訪問巴黎，把他新近發(fā)現(xiàn)的脫燃素空氣之事告訴了拉瓦錫。拉瓦錫立即重做了普利斯特列的實(shí)驗(yàn)，也發(fā)現(xiàn)了普利斯特列所說的氣體，他把這種氣體稱為“極純空氣”，后來又認(rèn)為它是一種新的氣體元素。拉瓦錫對(duì)這種新氣體元素進(jìn)行了深入的研究，發(fā)現(xiàn)它除了助燃、助呼吸外，還能與許多非金屬物質(zhì)結(jié)合牛成各種酸，為此他把這種元素命名為酸素——氧。拉瓦錫進(jìn)而明確指出：空氣本身不是元素，而是混合物，它主要由氧氣和氮?dú)饨M成。1778年，拉瓦錫系統(tǒng)地提出燃燒的氧化學(xué)說——燃燒是可燃物質(zhì)與氧的化合，可燃物質(zhì)在燃燒過程中吸收了氧而增重。所謂的燃素實(shí)際上是不存在的。這就是徹底推翻了燃素說的燃燒學(xué)說。拉瓦錫從重復(fù)羅蒙諾索夫的實(shí)驗(yàn)而開始懷疑燃素學(xué)說，又從氧氣的發(fā)現(xiàn)確立了氧化學(xué)說?？上Ш瓦z憾的是，普利斯特列雖然發(fā)現(xiàn)了氧氣，卻反對(duì)氧化學(xué)說。直到1783年，拉瓦錫的燃燒與氧化學(xué)說已普遍被人們認(rèn)為是正確的時(shí)候，普利斯特列仍不接受拉瓦錫的解釋，還堅(jiān)持錯(cuò)誤的燃素說，并且寫了許多文章反對(duì)拉瓦錫的見解。這是化學(xué)史上很有趣的事實(shí)。一位發(fā)現(xiàn)氧氣的人，反而成為反對(duì)氧化學(xué)說的人。舍勒也是這樣，他發(fā)現(xiàn)了氧氣，但因?yàn)樗蚕嘈佩e(cuò)誤的燃素說，所以也不能正確把握好自己的發(fā)現(xiàn)，錯(cuò)過了發(fā)現(xiàn)真理的機(jī)會(huì)。錯(cuò)誤的理論，錯(cuò)誤的指導(dǎo)思想，使他們從歪曲的、片面的、錯(cuò)誤的前提出發(fā)，走上了一條南轅北轍的錯(cuò)誤道路，使得在真理碰到鼻子尖的時(shí)候，還沒得到真理。反觀拉瓦錫，他既沒有發(fā)現(xiàn)新物質(zhì)，也沒有提出新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，甚至沒有創(chuàng)新或改進(jìn)實(shí)驗(yàn)手段或方法，然而他卻在重復(fù)前人的實(shí)驗(yàn)中，通過嚴(yán)格的合乎邏輯的步驟，闡明了所得結(jié)果的正確解釋，作出了化學(xué)發(fā)展上的不朽功績(jī)。這主要得益于他善于學(xué)習(xí)、善于綜合、善于判斷；特別是他不迷信過去的理論，不被現(xiàn)成的理論所束縛，敢于并善于從前人的工作中發(fā)現(xiàn)矛盾和問題，從中選擇一些關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)作為自己研究的突破點(diǎn)，并在實(shí)驗(yàn)中，保持清醒的頭腦。在實(shí)驗(yàn)中，他善于捕捉那些化學(xué)反應(yīng)中各種物質(zhì)變化的相互聯(lián)系，不被表面現(xiàn)象所迷惑，透過現(xiàn)象深入到本質(zhì)，從整體上去認(rèn)識(shí)反應(yīng)的本質(zhì)，因而顯得比別人站得高、看得準(zhǔn)。所以，推翻燃素學(xué)說、建立氧化學(xué)說的重要功績(jī)最終落到他的身上。這看似有幸運(yùn)的成分，但綜合起來看，卻是有其歷史的必然?？ㄎ牡显S與庫(kù)侖定律大家知道，同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引，兩電荷間的作用力跟它們的電量乘積成正比，跟它們之間的距離的平方成反比，這就是著名的庫(kù)侖定律。它是由法國(guó)物理學(xué)家?guī)靵鲈?785年寫給法國(guó)科學(xué)院的《論電和磁》的論文中提出來的。庫(kù)侖定律是電學(xué)中最重要的定律，也是電學(xué)發(fā)展史上第一個(gè)定量規(guī)律，它使電學(xué)的研究從定性進(jìn)人定量階段，是電學(xué)史上的一塊重要里程碑。為了紀(jì)念發(fā)現(xiàn)這個(gè)定律的庫(kù)侖.人們將電量的單位叫做“庫(kù)侖”。庫(kù)侖（Charles-Augustin Coulomb 1736-1806）是18世紀(jì)一位學(xué)識(shí)淵博的法國(guó)物理學(xué)家，也是當(dāng)時(shí)歐洲最好的工程師之一。他善于設(shè)計(jì)精巧的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而取得精確數(shù)據(jù)，找出數(shù)據(jù)變化的規(guī)律，揭示運(yùn)動(dòng)的基本法則。他先后發(fā)現(xiàn)了摩擦力與壓力的關(guān)系，地球磁場(chǎng)對(duì)磁體的作用規(guī)律。特別是在1773年，法國(guó)科學(xué)院懸賞征求改進(jìn)船用指南針的方案，36歲的庫(kù)侖攻下了這一難題，獲得法國(guó)科學(xué)院獎(jiǎng)金。1785年，庫(kù)侖又揭示了真空中兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的相互作用力與二點(diǎn)電荷所帶的電量及它們的距離的定量的關(guān)系，這就是電學(xué)中的庫(kù)侖定律。后來，庫(kù)侖又用類似的方法繼續(xù)通過實(shí)驗(yàn)對(duì)磁針之間的相互作用力進(jìn)行研究，證明了兩個(gè)磁體間的引力或斥力所遵循的規(guī)律與帶電體的庫(kù)侖定律是類似的，與兩磁體間距離平方成反比。這些為電磁學(xué)的發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。庫(kù)侖定律可以說是一個(gè)實(shí)驗(yàn)定律，它是庫(kù)侖通過扭秤實(shí)驗(yàn)來總結(jié)出來的。扭秤的結(jié)構(gòu)如下圖。在細(xì)金屬絲下懸掛一根秤桿，它的一端有一小球A，另一端有平衡體B，在A旁還置有另一與它一樣大小的固定小球C。為了研究帶電體之間的作用力，先使A、C各帶一定的電荷，這時(shí)秤桿會(huì)因A端受力而偏轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)懸絲上端的旋紐，使小球回到原來位置。這時(shí)懸絲的扭力矩等于施于小球A上電力的力矩。如果懸絲的扭力矩與扭轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系已事先校準(zhǔn)、標(biāo)定，則由旋紐上指針轉(zhuǎn)過的角度讀數(shù)和已知的秤桿長(zhǎng)度，可以得知在此距離下A、C之間的作用力。其實(shí)，庫(kù)侖并不是第一個(gè)形容電荷之間相互作用力的人，在他之前，很多人曾經(jīng)形容過。1759年前后，德國(guó)科學(xué)家愛皮努斯（F.V.T.Aepi.nus，1724-1802）發(fā)現(xiàn)：當(dāng)兩電荷間距縮短時(shí)，其引力或斥力將增大。1766年，英國(guó)科學(xué)家普利斯特利（Jo-seph Prientley，1733-1804）重做了1755年美國(guó)電學(xué)家富蘭克林（Benjamin Franklin，1706-1790）的“冰桶實(shí)驗(yàn)”，觀察到放人金屬桶內(nèi)的帶電小球，不受金屬桶上電荷的影響，即金屬導(dǎo)體內(nèi)表面不帶電，證明了空心帶電導(dǎo)體對(duì)空腔內(nèi)的電荷無電力作用，并據(jù)此又借助牛頓萬有引力定律，提出了電作用力與距離平方成反比的論斷。在庫(kù)侖定律提出前有兩個(gè)人曾作過定量的實(shí)驗(yàn)研究，并得到明確的結(jié)論。1769年，英國(guó)人羅賓（John Robison，1739-1805）首次定量地進(jìn)行了電力測(cè)量，他測(cè)得靜電斥力反比于電荷間距離的2.06次方，引力隨距離變化的方次稍小于2。但他的這項(xiàng)工作直到1822年才發(fā)表。另一位做過定量實(shí)驗(yàn)研究的人是著名的英國(guó)物理學(xué)家卡文迪許（Henry Carendish，1731-1810）。這里，我們要重點(diǎn)說一下這個(gè)卡文迪許。1773年，卡文迪許用兩個(gè)同心金屬殼做實(shí)驗(yàn)，如圖所示。外球殼由兩個(gè)半球裝置而成，兩半球合起來正好形成內(nèi)球的同心球。通過“同心金屬球?qū)嶒?yàn)”得出：電荷間相互作用力反比于它們之間距離的平方，指數(shù)偏差不大于0.02。他又發(fā)現(xiàn)，帶電導(dǎo)體的電荷全部分布在表面而內(nèi)部不帶電?？ㄎ牡显S在1777年的一份手稿中明確提出：“電的吸引力和排斥力很可能反比于電荷間距離的平方。如果這樣的話，那么物體中多余的電幾乎全部堆積在緊靠物體表面的地方。而且這些電緊緊地壓在一起，物體的其余部分處于中性狀態(tài)?！比欢z憾的是，卡文迪許沒有能及時(shí)將他的研究成果公開發(fā)表，他的手稿直到100年后才由麥克斯韋（James Clerk Maxwell，1831-1879）加以整理而公布于眾。

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