在科學(xué)的入口處

內(nèi)容概要

馬克思說：“在科學(xué)的入口處，正像在地獄的人口處一樣，必須提出這樣的要求：‘這里必須根絕一切猶豫；這里任何怯懦都無濟(jì)于事?！?　　19世紀(jì)道爾頓提出的原子論使許多化學(xué)現(xiàn)象和經(jīng)驗(yàn)規(guī)律得到理論解釋，為20世紀(jì)化學(xué)的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)；三大科學(xué)發(fā)現(xiàn)（X射線、放射性和電子）揭開了20世紀(jì)化學(xué)發(fā)展的序幕；化學(xué)理論研究獲得重大突破；化學(xué)發(fā)展深化了人們對物質(zhì)世界的認(rèn)識；以化學(xué)為依托的化學(xué)工業(yè)煥發(fā)出勃勃生機(jī)。　　在20世紀(jì)化學(xué)發(fā)展的歷史長河里，涌現(xiàn)出30個(gè)作出了重大貢獻(xiàn)的科學(xué)家或科學(xué)家群體。他們發(fā)現(xiàn)了核磁共振技術(shù)，解開了DNA的遺傳之謎，從化學(xué)的角度揭示了生命的起源……本書將帶你來到20世紀(jì)科學(xué)的入口處，在這里回望20世紀(jì)化學(xué)發(fā)展的歷史，了解你想知道的20世紀(jì)化學(xué)發(fā)展的一切。

作者簡介

袁振東，1964年3月20日生于河南安陽，中國科學(xué)院理學(xué)博士，河南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院教授，中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所流動(dòng)研究人員，主要從事化學(xué)史的教學(xué)和研究工作。

書籍目錄

揭開20世紀(jì)化學(xué)發(fā)展序幕的三大科學(xué)發(fā)現(xiàn)原子和分子：從假說到客觀實(shí)在原子結(jié)構(gòu)理論的演進(jìn)同位素化學(xué)：對元素的新認(rèn)識X射線結(jié)構(gòu)分析的誕生和發(fā)展色譜法的創(chuàng)立與發(fā)展阿斯頓與質(zhì)譜分析海洛夫斯基與極譜分析“洞穿一切”的核磁共振技術(shù)熱力學(xué)三定律和不可逆過程的熱力學(xué)分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的進(jìn)展量子化學(xué)與鮑林化學(xué)鍵理論李遠(yuǎn)哲：獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的首位華裔科學(xué)家神奇的催化劑合成氨：從實(shí)驗(yàn)室研究到工業(yè)化生產(chǎn)化學(xué)武器：化學(xué)的悲哀伍德沃德與天然有機(jī)化合物的合成高分子時(shí)代的到來高分子材料的研制與產(chǎn)業(yè)功能保護(hù)臭氧層“球星”閃耀：C60的發(fā)現(xiàn)及其意義化學(xué)與能源酶與對發(fā)酵本質(zhì)的認(rèn)識蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)的合成解開DNA的遺傳之謎新陳代謝和能量傳遞的奧秘生命起源的化學(xué)探索侯德榜與中國化學(xué)工業(yè)中國化學(xué)會(huì)的成立及其意義

章節(jié)摘錄

　　揭開20世紀(jì)他學(xué)發(fā)展序幕的三大科學(xué)發(fā)現(xiàn)　　20世紀(jì)是科學(xué)技術(shù)革命的世紀(jì)。作為自然科學(xué)中的一門重要學(xué)科，化學(xué)在20世紀(jì)取得了迅猛的發(fā)展。從化學(xué)的發(fā)晨歷史看，化學(xué)的發(fā)展常常受到物理學(xué)等相關(guān)學(xué)科的影響。19世紀(jì)末X射線、放射性和電子的發(fā)現(xiàn)對化學(xué)在20世紀(jì)的發(fā)展有著深遠(yuǎn)的影響?？梢哉f，這三大科學(xué)發(fā)現(xiàn)揭開了20世紀(jì)化學(xué)發(fā)展的序幕?！　射線的發(fā)現(xiàn)及其影響　　X射線是德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)的?！　惽?845年3月27日生于萊因蘭州的倫內(nèi)普鎮(zhèn)。1865年進(jìn)入蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程系，1868年畢業(yè)。1869年獲蘇黎世大學(xué)博士學(xué)位，并擔(dān)任了聲學(xué)家A·孔脫的助手；1870年隨孔脫返回德國，并先后到維爾茨堡大學(xué)及斯特拉斯堡大學(xué)工作。1894年任維爾茨堡大學(xué)校長。1900年任慕尼黑大學(xué)物理學(xué)教授和物理研究所主任。1901年，諾貝爾獎(jiǎng)第一次頒發(fā)，倫琴因發(fā)現(xiàn)X射線而獲得了該年的物理學(xué)獎(jiǎng)。1923年2月10日因患癌癥在慕尼黑逝世。　　倫琴是在研究陰極射線時(shí)發(fā)現(xiàn)X射線的。早在19世紀(jì)30年代末，法拉第就發(fā)現(xiàn)了真空中發(fā)生輝光的現(xiàn)象。隨著真空技術(shù)的發(fā)展，物理學(xué)家進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，真空管內(nèi)的金屬電極在通電時(shí)其陰極會(huì)發(fā)出一種肉眼看不見的射線。1876年，德國物理學(xué)家戈?duì)柎奶拱堰@種射線命名為陰極射線。當(dāng)時(shí)，許多科學(xué)家都熱衷于研究陰極射線，倫琴就是其中的一個(gè)。1895年11月8日（星期五）下午，倫琴將一支放電管用黑紙嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)地裹起來，并把房間弄黑，接通感應(yīng)圈，使高壓放電通過放電管。黑紙沒有漏光，一切正常。他截?cái)嚯娏鳎瑴?zhǔn)備做每天做的實(shí)驗(yàn)。可是一轉(zhuǎn)眼，眼前似乎閃過一絲綠色熒光，再一眨眼，卻又是一團(tuán)漆黑了。剛才放電管是用黑紙包著的，熒光屏也沒有豎起，怎么會(huì)現(xiàn)出熒光呢？原來離工作臺近一米遠(yuǎn)的地方立著一個(gè)亞鉑氰化鋇小屏，熒光是從這里發(fā)出的。但是陰極射線絕不能穿過數(shù)厘米以上的空氣，怎么能使這面在將近一米外的熒光屏閃光呢？莫非是一種未發(fā)現(xiàn)的新射線嗎？他興奮地托起熒光屏，一前一后地挪動(dòng)位置，可是那一絲綠光總不會(huì)逝去?？磥磉@種新射線的穿透能力極強(qiáng)，與距離沒有多大關(guān)系。那么除了空氣外它能不能穿透其他物質(zhì)昵？倫琴抽出一張撲克牌，擋住射線，熒光屏上照樣出現(xiàn)亮光。他又換了一本書，熒光屏雖不像剛才那樣亮，但照樣發(fā)光。他又換了一張薄鋁片，效果和一本厚書一樣。他再換一張薄鉛片，卻沒有了亮光。鉛竟能截?cái)嗌渚€!倫琴興奮極了，他肯定這是一種新射線，并暫時(shí)稱它為“x射線”。這個(gè)名字一直延續(xù)至今。后來，經(jīng)過其他科學(xué)家一系列的研究，發(fā)現(xiàn)X射線是一種比光波波長更短的電磁波?！　射線的發(fā)現(xiàn)不僅刺激了量子物理學(xué)的發(fā)展，轉(zhuǎn)變了物理觀念，而且引發(fā)了放射性等一系列新發(fā)現(xiàn)，新發(fā)現(xiàn)又激勵(lì)人們不斷進(jìn)行理論探索，并導(dǎo)致了一些新學(xué)科的建立。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，X射線被應(yīng)用于越來越多的領(lǐng)域，例如無損探測，天文學(xué)研究，考古學(xué)研究以及醫(yī)學(xué)診斷和治療?！　≈R鏈接　　倫琴發(fā)現(xiàn)X射線后，大家建議將它取名為“倫琴射線”，但謙虛的倫琴不愿以自己的名字命名這射線，他認(rèn)為以不可知的“X”來命名更恰當(dāng)些。但后來的人們還是把X射線稱為“倫琴射線”?！　》派湫缘陌l(fā)現(xiàn)及其影響　　放射性是法國物理學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)的?！　?896年初，法國著名數(shù)學(xué)物理學(xué)家彭加勒，收到倫琴發(fā)現(xiàn)X射線的通信后，在法國科學(xué)院1896年1月20日的例會(huì)上向與會(huì)者報(bào)告了這件事。貝克勒爾正好在場，他問彭加勒，這種射線是怎樣產(chǎn)生的？彭加勒回答說，似乎是從真空管陰極對面發(fā)熒光的地方產(chǎn)生的，可能跟熒光屬于同一機(jī)理。彭加勒還建議貝克勒爾試試熒光會(huì)不會(huì)伴隨有X射線。于是，第二天貝克勒爾就在自己的實(shí)驗(yàn)室里開始試驗(yàn)熒光物質(zhì)會(huì)不會(huì)輻射出～種看不見卻能穿透厚紙使底片感光的射線。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn)鈾鹽具有預(yù)期效果。貝克勒爾用兩張厚黑紙把感光底片嚴(yán)實(shí)地包起來，以防止底片在陽光下感光。然后，他把鈾鹽放在黑紙包好的底片上，讓太陽曬了幾小時(shí)。結(jié)果，底片顯示了黑影。為了證實(shí)是射線在起作用，他特意在黑紙包和鈾鹽問夾了一層玻璃，再放到太陽下曬。如果是由于某種化學(xué)作用或熱效應(yīng)，隔一層玻璃就應(yīng)該排除，可是仍然出現(xiàn)了黑影。于是他肯定了彭加勒的假定，在法國科學(xué)院的例會(huì)上報(bào)告了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。　　幾天后，貝克勒爾想進(jìn)一步探討這種新現(xiàn)象，巴黎卻連日天陰，無法曬太陽，他只好把所有器材包括包好的底片和鈾鹽都放在同一抽屜里。出于職業(yè)上的某種靈感，他突然想看看沒有經(jīng)過太陽光照曬的底片會(huì)不會(huì)也有變黑的現(xiàn)象。于是，他把底片洗了出來。結(jié)果使他很吃驚，底片竟然有明顯的黑影。貝克勒爾很快就領(lǐng)悟到，這種射線跟熒光不一樣，不需要外來光激發(fā)。他繼續(xù)試驗(yàn)，終于確證這是鈾元素自身發(fā)出的一種射線。他把這種射線稱為鈾輻射。鈾輻射不同于X射線，兩者雖然都有很強(qiáng)的穿透力，但產(chǎn)生的機(jī)理不同。同年5月18日，他在法國科學(xué)院報(bào)告說：鈾輻射乃是原子自身的一種作用，只要有鈾這種元素存在，就不斷有這種輻射產(chǎn)生。　　知識鏈接　　貝克勒爾發(fā)現(xiàn)鈾輻射后，法國女科學(xué)家居里夫人意識到貝克勒爾新發(fā)現(xiàn)的重要性，并以《放射性物質(zhì)的研究》為博士論文題目?！胺派湫浴币辉~就是她首先使用的。她發(fā)現(xiàn)釷像鈾一樣具有放射性。1898年7月和12月，她先后發(fā)現(xiàn)了放射性元素釙和鐳。　　放射性的發(fā)現(xiàn)為核物理學(xué)和核化學(xué)的誕生準(zhǔn)備了第一塊基石。除了其醫(yī)療價(jià)值和應(yīng)用于工業(yè)檢測以外，由此很快就導(dǎo)致了α射線、β射線、γ射線的發(fā)現(xiàn)。通過對射線的研究促進(jìn)了基本電荷的發(fā)現(xiàn)，在放射性的研究中建立了原子嬗變規(guī)律、發(fā)現(xiàn)了同位素。射線散射的研究導(dǎo)致了原子核的發(fā)現(xiàn)，奠定了原子結(jié)構(gòu)理論的基礎(chǔ)。核物理和核化學(xué)的發(fā)展給人類社會(huì)帶來了極大的影響。原子彈的發(fā)明和核電站的建立就是其中最大的兩件事?！　‰娮拥陌l(fā)現(xiàn)及其影響　　電子是英國物理學(xué)家J·J·湯姆遜發(fā)現(xiàn)的?！　∨cX射線的發(fā)現(xiàn)一樣，電子的發(fā)現(xiàn)也是和陰極射線的實(shí)驗(yàn)研究聯(lián)系在一起的。在19世紀(jì)后30年中，許多物理學(xué)家都想弄清陰極射線的本質(zhì)。1897年，湯姆遜用實(shí)驗(yàn)證明了，陰極射線在電場和磁場作用下均可發(fā)生偏轉(zhuǎn)，其偏轉(zhuǎn)方式與帶負(fù)電粒子相同。于是，湯姆遜根據(jù)實(shí)驗(yàn)提出三個(gè)假設(shè)但湯姆遜的假設(shè)受到了懷疑，沒有人相信它。　　知識鏈接　　湯姆遜提出的三個(gè)假設(shè)是：一是陰極射線是帶電的粒子流（他稱它們?yōu)槲⒘＃?；二是這些微粒是原子的構(gòu)成要素：三是這些微粒是原子的唯一構(gòu)成要素。其中第二個(gè)和第三個(gè)假設(shè)引起的爭議最多。當(dāng)然，第三個(gè)假設(shè)后來被證明是錯(cuò)誤的?！　?898年，湯姆遜進(jìn)一步證明了該粒子流所帶電量與氫離子相等，而其質(zhì)量大約只有氫離子的1/1836。后來，這些被湯姆遜命名為“微粒”的粒子又改名為“電子”，意即它是電荷的最小單位。湯姆遜又研究了許多新發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，證明了電子存在的普遍性。他認(rèn)為陰極射線的微粒要比普通分子原子小得多，是原子的組成部分。　　總之，對陰極射線的研究引發(fā)了X射線的發(fā)現(xiàn)，而X射線的發(fā)現(xiàn)又引發(fā)了放射性的發(fā)現(xiàn)。放射性的研究使科學(xué)家預(yù)感到原子是有結(jié)構(gòu)的，而電子的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著原子的大門已被打開。比起前兩件來，電子的發(fā)現(xiàn)具有更偉大的意義，因?yàn)檫@一發(fā)現(xiàn)使人們認(rèn)識到自然界還有比原子更小的實(shí)物。原子不可分的傳統(tǒng)觀念終于被打破。從此，化學(xué)研究也逐漸深入到原子內(nèi)部，人們開始研究原子的結(jié)構(gòu)，企圖解釋元素的周期性和不同元素的化學(xué)特性。原子和分子：從假說到客觀實(shí)在　　在科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的今子和分子已經(jīng)成為非常普及曰雖然人們難以用肉眼直接觀察和分子，但沒有人懷疑它們的然而，最初提出原子和分子概者并沒有親眼看到過這些微粕和分子只是他們?yōu)榱私忉屛镔|(zhì)而提出的假說或臆測。這就使他們的反對派有理由懷疑原子和分的真實(shí)性。經(jīng)過漫長的歲月，直到20世紀(jì)初，由于愛因斯坦等科學(xué)驗(yàn)研究和理論解釋，原子和分子才從假說變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)?！　∠嗨氐脑诱撍枷搿　≡缭诠畔ＥD時(shí)期，哲學(xué)家就開始探討物質(zhì)的本原問題，并先后出現(xiàn)了許多有關(guān)世界本原的假說。泰勒斯認(rèn)為水是萬物之源，阿拉克西米尼則認(rèn)為氣是萬物之源，而赫拉克利特卻認(rèn)為火才是萬物之源。恩培多克勒綜合了各種觀點(diǎn)，提出了“四元素說”，即萬物的本原是水、火、氣、土四種元素?！　∫陨霞僬f均是把自然界中可直接觀察到的實(shí)物看作萬物的本原。與上述特點(diǎn)不同的是，留基伯和其學(xué)生德莫克利特不再把可觀察到的實(shí)物作為萬物的本原。他們假定一個(gè)虛空的存在，認(rèn)為萬物都是由原子組成的。這些“原子”有形狀、大小，但顏色、味道和氣味不是“原子”所固有的。后來，伊壁鳩魯也贊同這個(gè)古代原子論，并肯定地認(rèn)為“原子”有重量。由于古代原子論僅僅是思辨中的臆測，沒有充分的事實(shí)根據(jù)，所以并不為人們廣泛接受。直至19世紀(jì)，古希臘的樸素的原子論思想才獲得了新生?！　≡樱肿诱摗　?808年，英國化學(xué)家約翰·道爾頓在前人的基礎(chǔ)上提出了自己的原子論。　　知識鏈接　　約翰·道爾頓的原子論要點(diǎn)主要有三點(diǎn)：一、所有物質(zhì)都不能無限分割，都要達(dá)到一個(gè)最后的極限，這個(gè)極限的微粒，依照自古以來的說法，就叫原子。二、原子的種類很多。同一元素的原子，性質(zhì)完全相同，質(zhì)量相等；不同元素的原子，性質(zhì)不同，特別是質(zhì)量不同。三、化合物是由其組成元素的原子聚集而成的“復(fù)雜原子”，在構(gòu)成一種化合物時(shí)，其成分元素的原子數(shù)目保持一定，而且保持著最簡單的整數(shù)?！　〉罓栴D的原子論不僅成功地解釋了許多化學(xué)現(xiàn)象和化學(xué)計(jì)算定律，還進(jìn)一步揭示了它們的內(nèi)在聯(lián)系，使古代樸素的原子論思想進(jìn)化為科學(xué)的原子論。但是，原子論的意義并沒有立即被廣大化學(xué)家所理解，其傳播過程很不順利?！　〉罓栴D的原子論提出后不久，意大利科學(xué)家阿伏伽德羅又提出分子假說。分子假說成功地解決了原子論不能解決和不能解釋的問題，使原子論進(jìn)化為原子－分子論。　　然而，雖然原子－分子論能很好地解釋許多化學(xué)、物理現(xiàn)象，但由于觀察條件的限制，當(dāng)時(shí)的許多科學(xué)家仍然懷疑原子和分子的真實(shí)性。例如，發(fā)現(xiàn)苯分子環(huán)狀結(jié)構(gòu)的化學(xué)家凱庫勒聲稱：“原子是否存在的問題，從化學(xué)觀點(diǎn)來說是沒有意義的，……從哲學(xué)觀點(diǎn)來說　　我不相信原子的實(shí)際存在?！薄　≈R鏈接　　德國化學(xué)家唯能論的創(chuàng)始人奧斯特瓦爾德、奧地利物理學(xué)家兼哲學(xué)家馬赫也都一致反對原子－分子學(xué)說。由于熱力學(xué)兩大定律和牛頓力學(xué)能量守恒定律的成功，以奧斯特瓦爾德為代表的一些人堅(jiān)持認(rèn)為用能量就足以解釋世界上的一切了，不需要結(jié)構(gòu)，原子和分子是理論上的不必要的假設(shè)?！　〔祭蔬\(yùn)動(dòng)　　事實(shí)上，直至1905～1908年，原子和分子的真實(shí)性才得到證實(shí)。在此以前，關(guān)于原子和分子的真實(shí)性的爭論一直是科學(xué)前沿中的一個(gè)重要問題。這一問題的解決始于愛因斯坦等人對布朗運(yùn)動(dòng)的研究?！　?827年，英國植物學(xué)家布朗用顯微鏡觀察懸浮在水中的物質(zhì)微粒時(shí)，發(fā)現(xiàn)微?？偸窃诓煌５刈鲋鵁o規(guī)則運(yùn)動(dòng)，后人稱之為“布朗運(yùn)動(dòng)”。布朗觀察的目的是為了研究植物的受精過程，他選取克拉花屬植物雄蕊花粉中的微粒，用顯微鏡觀察它們在水中的行為。由于這種花粉微粒是非球形不規(guī)則狀，通過觀察很容易跟蹤它們向著雌蕊行進(jìn)的方式。值得注意的是，目前大多數(shù)教科書和文章中都說是布朗觀察了花粉，這其實(shí)是個(gè)錯(cuò)誤，因?yàn)榛ǚ哿Ｗ又睆酱笮〖s100μm，而能顯示布朗運(yùn)動(dòng)的微粒要比這一尺寸小兩個(gè)數(shù)量級才行。根據(jù)布朗的文獻(xiàn)，他觀察的是花粉中的微粒，大概是細(xì)胞質(zhì)粒之類。布朗觀察到微粒在不停地迅速地移動(dòng)，總是處于無規(guī)則的騷動(dòng)狀態(tài)，而沒有趨于靜止的跡象。他推斷這種運(yùn)動(dòng)必定是一種物理現(xiàn)象，而不是生物現(xiàn)象。他強(qiáng)調(diào)對這一現(xiàn)象的原因尚不明了，但否定了是由于液體蒸發(fā)或者由于微粒之間相互吸引和排斥所致。這樣，他雖然沒有找到解釋，但認(rèn)識到這是一種新的特殊的現(xiàn)象?！　∵@種現(xiàn)象究竟意昧著什么？有些科學(xué)家認(rèn)為是一種生物現(xiàn)象，也有人認(rèn)為是雄性生命的特性，亦有科學(xué)家認(rèn)為是因加熱不均勻，而在液體中形成對流。直到19世紀(jì)70年代，才有科學(xué)家利用液體分子的熱運(yùn)動(dòng)給予解釋?！　拇恕案男旁訉W(xué)說”　　愛因斯坦相信世界是物質(zhì)的，相信原子和分子是存在的。從聯(lián)邦工　　業(yè)大學(xué)畢業(yè)以后，他就開始尋找能證明原子和分子存在的有力證據(jù)。一方面，他在顯微鏡下仔細(xì)地觀察布朗運(yùn)動(dòng)；另一方面，他發(fā)明了將統(tǒng)計(jì)學(xué)和力學(xué)結(jié)合起來的新的統(tǒng)計(jì)力學(xué)的方法，并利用該方法深入研究懸浮粒子在流體中的運(yùn)動(dòng)。他分析了原子和分子的運(yùn)動(dòng)及其與熱之間的關(guān)系，計(jì)算出布朗運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，得到了關(guān)于布朗運(yùn)動(dòng)的精確的數(shù)學(xué)理論?！　?905年4月和5月，愛因斯坦把這一研究成果寫成兩篇論文：《分子大小的新測定法》和《熱的分子運(yùn)動(dòng)論所要求的靜液中懸浮粒子的運(yùn)動(dòng)》。其中，前一篇論文是他向蘇黎世大學(xué)申請博士學(xué)位的論文，當(dāng)年以單行本在伯爾尼出版，后一篇論文則在當(dāng)年萊比錫的《物理學(xué)雜志》上發(fā)表。在這兩篇論文中，愛因斯坦從理論上科學(xué)地闡明了布朗運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的原因，并從懸浮粒子位移的平均值推算出單位體積中流體的分子數(shù)目，提出了一種通過觀察布朗運(yùn)動(dòng)測定分子實(shí)際大小的新方法?！　【驮诓畈欢嗤瑫r(shí)，奧地利科學(xué)家莫路霍夫斯基也做出了同樣的成果。

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