寻找最小的物质

世间万物到底是由什么东西组成的？其实这个问题还隐含着，何物最小？因为大的物体总能分割成较小的，较小的物体也能分解成更小的……直至最小的。过去的人们产生过很多的想法，有说是空气的，有说是火、气、水、土的。但是，在诸多的说法之中，原子论应该说是最具有先进性的。曾经在很长的时间里，人们一直认为原子就是最小的物质（结构）了。换句话说，原子概念的提出在人们认识最小物质的道路上是具有里程碑的意义的。

现存的最早关于原子的概念阐述出现在古印度，大约在公元前6世纪的时候。相关问题在西方的文献中出现，则要晚一个多世纪，大约是在公元前450年，由古希腊哲学家留基伯（约公元前490～？）提出，他的学生德谟克利特（约公元前470～约前380）对老师的观点进行了总结和完善。他们提出世间万物是由看不见的不可以再分割的各种形状的原子组成的。原子这个词语是德谟克利特创造的，“原子”这一术语在希腊文中是“不可分割”的意思。

在公元前4世纪左右，中国哲学家墨翟（约公元前475～前395）在他的著作《墨经》中也独立提出了物质有限可分的概念，并将最小的不可分单位称之为“端”。尽管印度、中国和希腊的原子观仅仅是一种哲学上的理解，但现代科学界却仍然沿用了由德谟克利特所创造的名称。

1661年，英国科学家罗伯特·波义耳出版了《怀疑的化学家》这本书，在这本书里面他就谈到了关于原子的问题，他认为物质是由不同的“微粒”或原子自由组合构成的。

1789年，法国大科学家拉瓦锡定义了“原子”一词，从此，原子就用来表示化学变化中的最小的单位。

19世纪初，英国化学家道耳顿在进一步总结前人经验的基础上，提出了具有近代意义的原子学说。道耳顿的原子论是建立在实验的基础上的，他在继承了古希腊的原子论的基础上，赋予了原子很多新的内容。道耳顿承认物质是由原子组成的，而且原子是不可以再分，同时是不生不灭的。除此之外，道耳顿的高明之处是他又新增加了3条内容：每一种元素是由一种原子组成的；同一种元素的原子的重量是相同的，不同的元素的原子重量则是不同的；原子可以按照固定的比例结合成化合物。这种原子学说的提出开创了化学的新时代，它解释了很多物理现象和化学现象。

原子是一种元素能保持其化学性质的最小单位。1897年，在关于阴极射线的研究中，物理学家汤姆逊（1856～1940）发现了电子，粉碎了一直以来认为原子不可再分的思想。

不过，现实中的原子确实是很小的，它的直径数量级大约是10-10米。

关于元素的概念，这可以追溯到2000多年前的古代社会，在中国和希腊都萌发了这种概念。

英国化学家道耳顿

在古希腊，自然哲学家恩培多克勒（约公元前492～前432）认为，构成宇宙的本质是4种元素：水、火、气和土。从物理上讲，这种将宇宙本原的物质分类是有价值的。火既辐射热，又辐射光，古人便将火看成一种很独特的元素；而另外3种则反映着：气——气态，水——液态，土——固态。这是物质存在的3种基本形态。在先秦，中国的一些先哲也提出过“五行”的观念。“五行”也相当于5种最基本的元素。它们是金、木、水、火和土。与元素相比，中国古人对水、火和土的认识与古希腊人差不多；木属于植物一类，木的特殊性在于它有活性，可变化（生长），所以就把木专门归为一类；金的性质不同，它的延展性很好。从近代化学来说，金属类是真正的因素，并且是最多的元素。

从今天的眼光看，化学元素主要强调对原子的分类，而这样的分类可有两种。一种是从化学上不可区别的原子，另一种是从化学上可区别，但化学性质具有一定的相似性。

从古代到17世纪中叶的2000多年的探索，人们提出了一些新的元素或新的元素定义，例如，德国医药化学家贝歇尔（1635～1682）认为，最基本的元素是硫、汞（水银）和盐。他提出了3种“土”的理论，“石土”、“汞土”和“油土”。“石土”（也称为“玻璃土”）是一切物质中固定的“土”，相当于盐元素（当时把盐看成元素）；“汞土”是流动的土，相当于汞元素；“油土”是一切可燃性物质中的“土”，相当于硫元素。

英国化学家波义耳（1627～1691）提出了新的元素观点。他的元素定义是：物质是由许多微小、致密、用物理方法不可分割的微粒组成的。

这就是说，元素是“确定的、初始的、简单的、完全未混合的物体”。对于称为“元素”的东西，波义耳认为，元素“不是彼此互相构成的，而是由它们构成一切所谓的混合物体，而这些混合物体归根到底可以分解为其组成部分”。波义耳的物质定义为研究指出了方向，并且到了19世纪初，英国化学家道耳顿（1766～1844）提出了科学的原子概念。这样，人们就开始了各种矿物中的元素研究。

其实在18世纪末，著名的法国化学家拉瓦锡（1743～1794）就列出了一张元素表，人们可以借助这张表去研究元素和物质。经过几十年的发展，一些人不断提高化学分析技术，不断有新的元素被发现；同时，另一些人则试图设计一些新的元素表，将这些新发现的元素填入表格，希望能将元素的化学性质和物理性质表现出来。

在19世纪上半叶，英国的戴维（1778～1829）、瑞典化学家贝齐里乌斯（1779～1848）和德国化学家本生（1811～1899，很多人知道他发明的“本生灯”）为元素的发现和原子量的测定做出了贡献。此外，在元素的发现与研究过程中，有一项非常关键的工作，那就是原子量的精确测量。到19世纪中叶，已有几十种元素被发现，并且对它们的原子量也进行了较为精确的测定。同时，还有一些“好事者”试图把这些元素作一个排列，通过这样的排列，一方面可以方便人们查找元素的性质和一些重要的数据，另一方面可以从整体上发现或了解元素之间的关系。就像德国科学家开普勒在研究行星运动的规律一样，每个行星的“独唱”要和谐，即遵从行星运动的第一定律和第二定律；在几个行星进行“合唱”时，行星的集体行为仍然是和谐的，即遵从第三定律。

由于元素的数目远多于行星的数目，进行“排列”工作要繁琐得多，所以，有许多人做过尝试，所列的表格都各有特点。

到19世纪60年代，俄罗斯化学家门捷列夫和德国化学家迈耶（1830～1895）做出了新的“表格”，其中尤以门捷列夫的研究更好些。

门捷列夫（1834～1907）注意到，一些元素的原子量是不同的，但是它们的化学性质基本上相同。门捷列夫将它们归并为同一“族。经过长时间的研究和排列，通过这样的归并，一共得到了7个“族”。从今天的“（周期）表格”看，这样的“族”可排列成纵列。如果从横排看，可以反映出每“排”元素渐进的变化，最典型的卤族（第Ⅶ族），它们的氧化性随着周期的变化而变得越来越弱，尽管他们分处不同周期时，其氧化性还是最强的。

在门捷列夫的时代，化学元素周期表并不是被填满的，其中是有一些“空位”的。而许多人对这些“空位”，或是“熟视无睹”，基本上没有什么认识，或是认为，这是实验工作者的任务，只能假以时日，一味地“等待”。作为一位成熟的科学家，门捷列夫对此进行了深入的思考。他要发挥理论应有的作用，即对实验工作给予有益的指导。为此，在研究这些“空位”之后，他给出了“预言”。由于它们（3个）的“空位”与硼、铝和硅的位置相近，他猜测它们的性质与硼、铝和硅也应该接近。所以，门捷列夫就为它们起了临时的名称，即“类硼”、“类铝”和“类硅”。只几年的时间，它们都被发现了，并分别被命名为钪（sc）、镓（Ga）和锗（Ge）。有趣的是，发现钪、镓和锗的3位科学家都是“爱国主义者”（或“民族主义者”），他们之所以选择了钪、镓和锗，这是他们的祖国名称。其中钪（SC）的发现者是瑞典的尼尔森，他把新发现的元素命名为Scandium，这个字来源于斯堪的纳维亚。镓（Ga）的发现者是法国自学成才的化学家布瓦博朗德（1838～1912），他起的名字是Galum，意思是“古代的法国”。锗（Ge）的发现者是德国分析化学家文克勒（1838～1904）。他起的名字是Germanium，意思是“日耳曼”。

在这3个元素中，镓的发现是有些戏剧性的。当布瓦博朗德公布他的发现之后不久，他接到了门捷列夫的一封信。在信中，门捷列夫指出，布瓦博朗德的测量数据有问题，并且“纠正”了布瓦博朗德的数据。看过信之后，布瓦博朗德感到很奇怪；不过，布瓦博朗德还是重新进行了测量，果然，新的数据与门捷列夫算出的数据更加接近。

门捷列夫的“预言”得到证实，大大消除了人们对化学元素周期律的疑虑，也消除了人们寻找新的元素时的意外性、盲目性和偶然性，而按照化学元素周期表去寻找新的元素不失为一种新的途径和新的方法。同时，这也启发人们按照化学元素周期表来“设计”新的化合物，而且也会消除研究工作中的盲目性和偶然性。