道尔顿是如何发现原子

到19世纪初时，大多数严肃的科学家已经放弃了热素和热量的概念，转而承认燃烧只是与氧结合的过程，热不过是物质最终粒子的运动。更加普通的物质得到分离和研究，布莱克、卡文迪什、普利斯特里、拉瓦锡和其他很多人的大量的化学测量已经精确地进行，细致研究合成的道路已经呈现——物质如何以及为什么可以形成其他新的物质？

普洛斯特　在这条道路上第一个迈出重大一步的是法国化学家约瑟夫·路易斯·普罗斯特（1755—1826），他检测了不同水样中氢和氧的比例，并发现水怎样或何时检查结果都是一样的——1克氢对8克氧。接下来他发现其他合成物中也存在类似的一致性，这令他最终得出了自己的“固定比例原则”：在所有化学组成物中，不同的组成物总是出现不变的比例。这一结论被里克特（1762—1807）、费舍尔（1754—1831）以及很多人对其他复合物的实验所证实，由此比例表得以制作出来。

道尔顿另外一个重大进步是由约翰·道尔顿（1766—1844）做出的，道尔顿是威斯特摩兰郡一个纺织工的儿子，曾在曼彻斯特学校教书并在业余时间学习科学。道尔顿感到奇怪，为什么大气中的轻物质和重物质没有互相分开，就像水和油一样，并得出结论说，气体组成物一定以小粒子或原子的方式存在，即德谟克利特和留基伯所想象的那样，并且在大气中完全混合。

这对普罗斯特的固定比例原则射出了一道光芒，只需要试想，微小的原子可以结合成单一结构的小群体，然后形成更加复杂的物质，从而彻底解决了该原则的未解之谜。道尔顿提出，例如，一氧化碳由碳原子和氧原子一对一组合，而二氧化碳由单一碳原子与两个氧原子组合。

如果情况是这样的，普罗斯特的固定比例原则一定也解释了不同原子的相对质量。例如，碳氧化合物是由3克碳对16克氧，如果其中氧原子的数量是碳原子数量的两倍，那么碳原子和氧原子的比例一定是3:8（道尔顿给出了诸如此类的很多他的理论中的例子，尽管数字经常不对，但原则总是完全站得住脚）。

普罗特的假设　当很多原子的相对质量可以这样得出时，就会得出一个显而易见的事实，大多数原子的质量是氢原子质量的整数倍，或者为极近似的值。英国医生威廉·普劳特（1785—1850）在1815年对此产生了兴趣，并提出，所有物质可能都仅仅包含氢原子。例如，氧原子的质量是氢原子的16倍（实际上道尔顿提出的是7倍，这个错误可能是他认为水分子是一个氢原子和一个氧原子的结合），可能包含有16个氢原子，并且它们都以某种形式组合在一起。关于泰勒斯的问题“宇宙的基本物质是什么”，普罗特提出了一个答案：氢。

如果一个复合物的组成部分都是气体，它们的比例可以通过体积来测量，例如，一个单位体积的氧与两个单位体积的氢结合可以形成水。1808年法国化学家约瑟夫·路易·盖-吕萨克（1778—1850）宣布这种类型总是有一个简单的数学关系，这种关系可以用一种更加简单的形式表达。从上面的例子我们可以推测，在类似的条件下，一定数量的氧原子与同样数量氢原子占据的体积相等。

这个案例，体现了一个更加简单和更加笼统的原则，即通常所说的阿伏伽德罗定律：“当压力和温度一定时，某一体积的气体总是含有相等数量的原子，无论该气体的种类是什么。”1813年，意大利化学家阿伏伽德罗看到，与该一般类别相关的某种定律一定在盖-吕萨克和道尔顿的定律中有所暗示，但是长久以来，一直有人质疑其中的确切关系，直至最终由意大利化学家康尼查罗（1826—1910）在1858年做出彻底澄清。阿伏伽德罗已经引入了“分子”这个概念来意指原子组成的一个小群体，康尼查罗此时显示了其关系的真实形式即为上面所述的内容。现在重要的是发现任一给定温度和压力下原子的数量，在标准压力和温度下，每立方厘米的气体的数量是大约2.685×1019，即后来所说的罗什米特数（量）。

人们长久以来就清楚，元素的物理特性不是仅仅的随意拼合，相反，各种元素都形成不同的组，所有成员都拥有类似的，尽管不是完全一致的特性，例如，金属组。还有原子不活泼，因而不与其他物质的原子形成复合物，甚至相互之间也不反应的单原子气体组。化学家现在开始要知道不同元素的物理特性与它们的原子质量之间是怎样的关系，这个问题由洛塔尔·迈耶尔（1830—1895）和德米特里·门捷列夫（1834—1907）进行了特别研究，而后者提出了彪炳化学历史的“周期表”。

也许可以认定，原子质量高的元素会显示出某种自己的群体特性，而原子质量低的显示出另外一种，等等，但是周期表显示了非常不同的某些东西。如果元素的排列是按照原子质量上升的顺序，并被表示为1、2、3等，那么2、10、18、36、54就被发现具有类似特质；同样，3、11、19等也会显示出类似特性，尽管与前面不同，这些特性会周期性地重复。这一切都有背后的具体原因，我们将在后面讨论，但结果仍需时间寻找。