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发信人: songs (小松), 信区: Philosophy
标  题: 第六章　十九世纪的物理学（1）
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年06月10日14:10:17 星期天), 站内信件

科学史及其与哲学和宗教的关系科学史及其与哲学和宗教的关系
第六章　十九世纪的物理学



    科学时代——数学——不可秤量的流体——单位——原子论——电流——化学效应
——电流的其他性质——光的波动说——电磁感应——电磁力场——电磁单位——热与
能量不灭——气体运动说——热力学－－光谱分析——电波——化学作用——溶液理论

    科学时代

    如果我们有正当的理由把十九世纪看做是科学时代的开始的话，那么，原因并不仅
仅在于，甚至主要不在于，我们对自然的认识在十九世纪中有了迅速的发展。自有人类
以来，人们就在研究自然：原始的生活技术就是对物性的片段知识的运用，早期的神话
与寓言就是根据当时已有的证据创立的世界和人类起源的理论。但在最近一百年或一百
五十年中，人们对于自然的宇宙的整个观念改变了，因为我们认识到人类与其周围的世
界，一样服从相同的物理定律与过程，不能与世界分开来考虑，而观察、归纳、演绎与
实验的科学方法，不但可应用于纯科学原来的题材，而且在人类思想与行动的各种不同
领域里差不多都可应用。
    在以前时代的大发明中，我们看见实际生活的需要推动技术家取得进一步的成就：
那就是说除了偶然发现所带来的发明之外，需要常在发明之先。但在十九世纪里，我们
就看见为了追求纯粹的知识而进行的科学研究，开始走在实际的应用与发明的前面，并
且启发了实际的应用和发明。发明出现之后，又为科学研究与工业发展开辟了新的领域。
例如，法拉第（Faraday）的电磁实验促成了发电机和其他电磁机器的发明，这些发明
又向科学家提出新问题并给予科学家解决这些问题的新力量。麦克斯韦对于电磁波的数
学研究，五十年后带来了无线电报与无线电话，这些技术又给物理学家提出了一些新的
问题。巴斯德发现发酵、腐朽以及许多疾病都是由于微生物的作用以后，工业、医药与
外科方面都取得了极重要的成果。孟德尔（Mendel）在布吕恩修道院里所进行的豌豆遗
传的实验带来了系统的植物栽培以及小麦和其他谷类的许多改良
    品种，并且促使人们认识到某些有关动植物某些特性的遗传的原理。这种知识在今
后对人类的福利也许会产生不可计量的影响。总之，科学过去是躲在经验技术的隐蔽角
落辛勤工作，当它走到前面传递而且高举火炬的时候，科学时代就可以说已经开始了。
    本世纪所特有的各种思想有许多在十九世纪开始的时候就已存在了，因而要划出一
个明确的历史界限是不可能的。而且在技术科学的应用上，至今仍在进行的伟大工业革
命，也早已开始了。在1769年瓦特得到冷凝器原理专利权的时候，工业革命的主要工具
之一蒸汽机已经到了可以应用的阶段。这是一个实用的发明，后来才应用科学的原理去
改进它、发展它。但是，使得世界社会情况发生革命性变化的另一大发明：电报通信，
却是纯粹科学研究的结果；这种研究的开端可以追溯到1786年伽伐尼（Galvani）的工
作。反转过来，为了便利海底电信而发明出来的反射镜电流计，对于纯科学也有很大的
好处。
    有些人看来，科学的实际应用，代表它的主要成就。但这些活动对人类思想的影响
虽然很大，却是间接、缓慢和积累的。人类控制物质资源的能力，逐渐地、显然不可避
免地扩大开来，主要是靠了应用科学，因此，在一般人眼里，应用科学的重要远远超过
于纯科学。事实上，在他们看来，科学的胜利一个接着一个，其结果，显然进展纵然缓
慢却是所向无敌的。人类控制自然的能力的扩展似乎没有止境；人们都毫无理由地认为
扩大控制自然的能力所用的机械原理，足可以解释整个宇宙的秘奥。
    在我们要叙述的这一时期里，主要的倾向，是把动力学的实验与数学方法逐渐推广
到物理学的其他学科中去，而且在可能的情形下，并应用到化学和生物学上去。科学的
研究，至少在一时期里，和哲学探讨分了家。在整个十九世纪里，多数科学家都有意识
地或无意识地抱有一种常识性的见解，以为科学所揭示的物质、它的性质及其间的关系，
就是终极的实在，而人的身体就是机械结构，也许偶尔为心灵所控制或影响。许多物理
学家在考虑科学的基本概念时，认识到这些意见是便利工作的假设，经不起严格的考察；
但在实验室与实际生活中，人们却没有时间来从哲学的角度表示怀疑。
    在牛顿与拉瓦锡所奠定的基础上，物理学与化学建立起一座不断发展与和谐一致的
大厦。这个成就使人们感觉总的路线已经一劳永逸地规划好了，此后不会再有什么惊人
的新发现了，剩下来的工作不过是把科学的度量弄得更加精密，把几个明显的空隙加以
填补罢了。事实上，这就是十九世纪末革命性发展前夕以前人们的信念。

    数学

    在十九世纪里，出现了许多数学的新科目。其中我们必须提到数论、形论与群论，
三角学发展成为多重周期的函数理论，以及一般的函数论。综合与分析的方法创造出一
种新的几何学，而许多这样的方法被应用到物理学问题上去，这可能就是后来引导物理
科学大踏步前进的推动力中最大的推动力。
    数学史的细节不在本书范围之内，这里只想谈谈对物理学主要部门具有特别重要性
的几个数学分支的轮廓。
    傅立叶（Fourier）在1822年出版的讨论热传导理论的《热的分析理论》一书里，
证明一个变数的函数，无论是否连续，都可以展开为那个变数的倍数的正弦级数；这个
结果后来被应用到珀松（Poisson）所提出的分析方法上去。高斯（Gauss）发展了拉格
朗日和拉普拉斯的研究成果，并把这种成果应用到电学上去。他并且建立了量度误差的
理论。
    拉格朗日列出运动的微分方程式，使动力学得到极大的进步，哈密顿（William
Rowan Hamilton，1805－1865年）爵士又把这个工作推进了一步。哈密顿用一个系统中
的动量与坐标去表示动能，并发现怎样把拉格朗日方程式转化为一组一阶微分方程式去
决定运动。他还发明了四元数。
    萨卡里（Saccheri）在1733年，洛巴捷夫斯基（Lobatchewski）在1825年和1840年，
高斯在1831年和1846年，波约（Bolyai）在1832年分别对欧几里得几何学所依据的一些
假定进行了讨论。1854年，黎曼（Riemann）促使人们普遍注意到非欧几里得几何学，
以后凯利（Cayley）、贝尔特腊米（Beltrami）、赫尔姆霍茨（Helmholtz）、克莱因
（Klein），怀德海等又做了不少工作。这些作者都指出，我们可以在数学上讨论非欧
几里得空间的性质，不管这样的空间是否为感官所认识这个问题有怎样的答案。到爱因
斯坦建立了现代的相对性理论的时候，他们的研究才在物理学上变得很重要。

    不可秤量的流体

    热的强度的概念是从人们的感官知觉而来的，温度计帮助我们去测量它。阿蒙顿
（Amon-tons）利用水银改进了早期的温度计，华伦海特（Fahrenheit）、列奥弥尔
（Reaumur）与摄尔絮斯（Celsius）各自确立了标度。热的传播及辐射、对流和传导三
者的区别，以及热量的概念，都是后来的研究课题。虽然最敏锐的自然哲学家，如牛顿、
波义耳与卡文迪什等倾向于认为热是物体质点的颤动，但在还没有同我们的能量观念相
当的确定概念以前，他们的意见是不能发展的。要前进一步就需要把热看做是一种可测
度的量，由一物体传到另一物体时，数量仍然维持不变。在这个观念的指导下去进行实
验，就需要对热的性质给予确定而适合的表述。于是就有一种学说应运而起。这一学说
认为热是微妙的，既不可见而又无重量的流体，在物体的质点间极其自由地流通。
    布莱克（Joseph Black，1728－1799年）澄清了把热和温度两种概念混淆起来的看
法，分别称之为热的分量与强度。他从蒸馏酒厂得到启发，研究了冰融为水及水化为汽
的状态变化。他发现在这些变化里大量的热被吸收，而温度却不改变。他说这些热成了
“潜热”。他以为热流体或“热质”与冰结合而成水，成为“准化合物”，热质再与水
化合而成汽。他的量度说明，融解一定量的冰为水所需的热量与把同量的水加热到华氏
140度所需的热量相等，但真正的数字是华氏143度。他还低估了汽化的潜热，把967度F
误为810度。但这种测量要十分精确是很难的。布莱克又创立了比热的理论来解释为什
么使不同物质发生相同的温度变化所需的热量是不同的，后来他的学生伊尔文（Irvine）
详细地测定了一些物质的比热。这样他就创立了热量测定的方法，即量热术。热质说或
热的流体说一直引导科学前进，到1840至1850年间，赫尔姆霍茨与焦耳才证明热动等价，
确立了热是运动的一种方式的观念。
    另一类似的流体说，或者说敌对的两流体说，引导了电的现象的研究者前进。要解
释由于摩擦而带电的两个物体为什么彼此相引或相斥，可以假定电是与热相似的一种物
质，是一种可加减的量。但在电的早期历史中，我们清楚地认识到有两种不同而且相反
的电。玻璃与丝摩擦所生的电，可被硬橡胶与毛皮摩擦所生的电中和。为了解释这些结
果，流体说假设有两种性质相反的流体或者有一种流体，它在比常量多或少时，就引起
带电的状态。我们现在还在使用正电、负电等适合于单流质说的许多术语，虽然我们已
经知道电不是连续的流体而是微粒的结构，这是我们在后面要说明的。当人们用起电机
产生出比较大量的电，再贮蓄在来顿瓶（一个内外都贴上锡箔的玻璃瓶）一类电容器中
的时候，就给实验带来很大方便。格雷（Stephen Gray，1729年）、杜费伊（du Fay，
1733年）与普利斯特列（Priestley，1767年）首先分清了导电体与绝缘体，这两术语
则是德扎古利埃（Desaguliers，1740年）所定出的。
    人们一注意到电瓶放电的火花与声响，也就马上认识到它们与雷电相似，因而也就
疑心这两种现象性质一样。怎样才能证明两行性质相同呢？怎样才能使天上的雷公服从
物理学定律呢？富兰克休（Benjamin Franklin，1706－1790年）对这个问题似乎入了
迷。他留下的许多信札里都描绘了不少来顿瓶放电的实验，并提到天电有熔化金属、撕
破物质等效应。
    在带电体尖端的放电作用的启发下，达利巴德（d’Alibard）与其他法国人产生了
把闪电传导下来的念头。1752年，他们在马里地方装置了一根高40呎的铁竿，要“决定
带有闪电的云是否带电的问题”。当电云在竿上经过时，竿下端即发生火花。这个实验
在其他国家也重复做过，而且完全成功——事实上，圣彼得堡的里曼（Riehmann）教授
竟因为在屋上装置铁竿引导雷电而当场被击毙！同时富兰克林则用风筝安全地进行了同
样的实验。
    在风筝主杆的顶端装上一根很尖的铁丝，约比风筝的木架高出一呎余。在麻绳的下
端与手接近之处系上一根丝带，丝带与麻绳连接之处可系一把钥匙。当雷雨要来的时候，
把风筝放出，执绳的人必须站在门或窗内，或在什么遮蔽下，免使丝带潮湿；同时须注
意不让麻绳碰到门或窗的格子。雷云一经过风筝的上空，尖的铁丝就可从雷云吸引电火，
使风筝和整根麻绳带电，麻绳另一端的纤维都向四周张开，若将手指接近，就会被其吸
引。当风筝与麻绳都被雨湿，而能自由传导电火时，你若将手指接近，便会看见大量的
电由钥匙流出。从这把钥匙那里可以给小瓶蓄电；由此得来的电火可使酒精燃烧，并用
来进行别的有关电的实验；而这些实验平常是靠摩擦小球或小管来做的，这样就完全证
明这种电的物质和天空的闪电是同样的。
    十八世纪时，人们进行了许多次加热于电气石等矿石与晶体而生电的实验，而且电
鳗一类电鱼能给人以麻痹性打击的现象，也再度引起人们的注意。有人考察了它们的电
器官，弄清它们给予人的打击的确是由于电的现象所致。
    电力和磁力的研究开始于十八世纪末年。米歇尔和法国军事工程师库仑（Coulomb）
先后在1750年左右和1784年发明了所谓扭秤，即一条轻的水平铁片，在中点上系上一根
长铁丝，挂在一个玻璃匣内。库仑把一个带电的球放在铁片的一端，再拿一个带电的球
与它接近，这铁片即会扭转。他又拿一块磁铁换替铁片，再用另一磁铁和它接近也可使
磁铁的一极扭转。他用这个方法发现电力和磁力都随着距离平方的增加而减少，证明这
些力量和牛顿证明的引力有同样的关系。他还发现电力与电荷量成正比，因而可以用电
力来量度电荷。这个有关电力的定律还先后由普利斯特列和卡文迪什用另外的方法发现
过。他们用实验证明任何形状的闭合带电导体里面都没有电力，所以球体内也没有电。
牛顿过去用数学方法证明，如果平方反比的定律有效，一个由具有引力的物质构成的均
匀球壳对于其内部的一个物体没有力的作用，而且任何别的力的定律都不会有这个结果；
同样的研究也适用于电力。
    力的定律既然成立，数学家就把静电学的课题拿过去，导出一系列周密的关系，在
可以与观察结果比较的情况下，都证明与观察结果完全符合。导体表面电荷的分布，导
体附近的电力与电位，导体与绝缘体的各种排列的电容量等，在高斯、珀松与格林的巧
妙的手中，都证明可以用数学方法处理。
    电是一种无重量、不可压缩的流体的学说和电是一个确定的量的观念是一致的，虽
然在研究上并不是必不可少的，事实上却提出一个便于说明和研究这些现象的方便的画
面。
    更有历史意义的是人们的注意转向电力。与引力相同，电似乎也越过空间而作用于
远处。数学家看来这不需要进一步的解释，但物理学家很快就开始推测这个空间的性质。
因为这个空间竟然能传播两种表面上不同的力。我们以后会知道，这就引起了现今叫做
“场物理学”的现代理论。

    单位

    重量与度量单位繁多，人们过去就感到十分不方便，至今仍然如此。法国人首先创
立了合逻辑的、方便的十进制来代替这些繁多的单位。1791年，法国国民议会接受了一
份专门委员会的报告，1799年完成了必需的量度标准，并决定采用；1812年决定自由使
用，1820年强迫施行。
    长度的基本单位是米，原来定为通过巴黎的地球经圈一象限的一千万分之一。但实
际上，一米的长是等于摄氏零度时某一条金属棒两点间的距离。后来大地测量的精确度
增高，知道米长并不恰好等于地球的经圈的一个象限的若干整分，但不加以改正。容量
的单位是立特或升，应当是每边一分米（1/10米）的立方体，但以其不易量度，1901年
规定为一公斤（千克）的纯水在一大气压及摄氏四度（在这温度下水的密度最大）下的
容积。
    质量的单位是千克或公斤，原来规定为每边一分米的纯水在摄氏四度下的质量，但
现在则等于1799年勒费贝-纪诺（Lefebre－Ginneau）与法布隆尼（Fabbroni）所制定
的铂铱合金标准衡器的质量。他们的工作的精确度可从吉洛姆（Guillaume）在1927年
所定的最新立特值去判断，即一立特之值等于1000．028立方厘米。
    时间的单位是砂，定为平均太阳日的1／86400，所谓平均太阳日是把太阳中心第一
次过子午线和接连第二次过子午线之间的时间作为一年计算出来的平均时间。
    1822年，傅立叶在他的《热的理论》里指出副量或导来量按基本量来表示时，有某
些是纲。假设以L表长度，M表质量，T表时间，则速度u（即在单位时间内所经过的长度）
的量纲为L/T或LT－1。加速度是单位时间内速度的变化，其量纲为v/T，即L／T2或LT－
2。力是质量与加速度的乘积，或MLT－2；功是ML2T-2。高斯由这些动力单位导出电与
磁的单位，以后还要提到。
    约在1870年，达成一项国际协议，一致同意采用一项科学的量度系统，以厘米（1
／100米）、克（1／1000公斤）和秒三者作为基本单位，这就是常说的厘米、克、秒
（C．G．S）制。

    原子论

    前几章内，我们已将德谟克利特时代以来的原子哲学叙述过了。这个哲学经亚里斯
多德驳斥后，在中世纪陷于停止状态，直到文艺复兴以后，才重新活跃起来。伽利略赞
同这个哲学，伽桑狄用伊壁鸠鲁与卢克莱修的语言重新加以叙述；波义耳与牛顿在他们
关于化学与物理学的思辨见解中也用了它。从那时以后它又被搁置，虽然它仍然渗透在
科学思想中。
    到了十九世纪初年，它被人重新提出，以解释固、液、气物质三态的物理性质，以
及化学变化上的定量事实。
    推翻燃素说以后，人们对物质的三态或三相有了更清楚的认识。物质虽然有三态，
我们通常认识最清楚的总是其中一态，如我们认识最清楚的水经常是液体；但水可变为
三态中的任何一态，如冷凝则为冰，蒸发则为汽。随着这种认识的进步，人们开始研究
化学化合定律。气体的化合定律，最容易发现，因此，气体就不再是一种神秘的、半灵
魂的实体，而与其他物体发生关系了。
    根据精密分析的结果，人们，尤其是拉瓦锡、普鲁斯特（Proust）与李希特
（Richter）等发现一个化合物始终丝毫不差地由同量的成分所组成（在当时达到的精
度下），这个定量化合的观念，在新化学的体系中起了重要作用，虽然它和贝尔托莱
（Berthollet）的有分量的见解是不相合的。水不论是怎样得来的，总是氢与氧按1与8
的比例而合成的。因此我们得到化合重的观念，如以氢的化合重为1，则氧的化合重为8。
两种元素以多种方式化合成多种化合物时，一化合物中两种成分的比例与另一化合物中
两种成分的比例，常有简单的关系：在一化合物中14分氮与8分氧化合，在另一化合物
中则与16分氧化合，恰为前者的两倍。可是在同位素发现后，这种定量化合的概念稍有
改变，以后还要谈到。
    约翰·道尔顿（J.Dalton，1766-1844年）是威斯特摩兰（West morland）一个手
机织工的儿子，在他做小学教员的稀少闲暇里，学得一些数学与物理学的知识。他在曼
彻斯特得着一个教书的位置，开始他对气体的实验。他看到气体的性质最好用原子论去
解释，后来他把这种观念应用到化学上去，指出可以把化合的现象解释为具有确定重量
的相异质点的结合，而每一元素的质点都有其特定的重量。他说：
    物体有三种不同的区分或三态，特别引起哲学的化学家的注意，即弹性流体、液体
与固体三词所代表的状态；我们所熟悉的很有名的例子是水，它在某些情况下，可以具
有三种状态。在蒸汽，我们看见它是完全弹性的流体，在水，是完全的液体，在冰，是
完全的固体。这些观察结果默默地引到一个似乎得到公认的结论：凡有相当大小的物体，
不管它是液体式固体，都是由无数极微小的质点或原子所组成，他们为一种引力所束缚，
这种引力因情况不同而有强弱的差异。……
    化学的分解与合成不过是把这些质点分开或联合。物质的新创或毁灭是不在化学作
用的能力范围之内的。我们要想创造或毁灭一个氢的质点，和在太阳系里增加一颗新的、
或毁灭一颗固有的行星，一样的不可能。我们所能做到的改变，只是把粘着状态下或化
合状态下的质点分开，以及把原来分离的质点联合起来而已。
    在一切化学研究里，人们都正确地认为，弄清化合物中简单成分的相对重量，是一
个重要的目标。不过，不幸的是，过去化学的研究就停止在这里；人们本来很可以从物
质的相对重量，推出物体的终极质点或原子的相对重量，由此看出，它们在各种其他化
合物中的数目与重量，用来帮助和指导我们未来的研究和改正研究的结果。因此，本书
的一个重大目标，就是说明测定下列几个量的重要性和好处：单体与化合物中终极质点
的相对重量，组成一个复杂质点的简单基本质点的数目，参与构成一个较复杂质点的比
较不复杂的质点的数目。
    如果有A与B两个可以化合的物体，以下为从最简的化合开始的各种化合的可能次序，
有：
    A的1原子＋B的1原子＝C的1原子，二元的。
    A的1原子＋B的2原子＝D的1原子，三元的。
    A的2原子＋B的1原子＝E的1原子，三元的。
    A的1原子＋B的3原子＝F的1原子，四元的。
    A的3原子＋B的1原子＝G的1原子，四元的。
    我们可以采取以下的通则，作为一切关于化学化合的研究的指针：
    1．如果两物体化合时只得出一种化合物，我们必须假定这种化合是二元的，除非
有某种造成相反情况的原因出现。
    2．如果发现有两种化合物，则必须假定它们一个是二元的，一个是三元的。
    3．如果有三种化合物，则可预料一个是二元的，其他两个是三元的……等等。
    把这些规则应用到已经查明的化学事实上去，我们得到以下的结论：1．水是氢与
氧的二元化合物，这两种元素的原子的相对重量约为1：7；2．氨是氢与氮的工元化合
物，这两种元素的原子的相对重量约为1：5；3．氧化氮的气体是氮与氧的二元化合物，
它们的原子重量为5与7；4．氧化碳是由一个碳原子与一个氧原子构成的二元化合物，
共重约为12；碳酸气是三元化合物（有时也是二元的），它有一个碳原子和两个氧原子，
共重为19；等等。以上各种情形，都是以氢元素的原子为单位来表达其他元素的重量。
    道尔顿的叙述，自然包含着当时难免的错误：例如他将热看做是一种微妙的流体；
他的化合重量也不精确，如以氢为单位时，氧的重量应该是8，而他定为7。他假定，如
两种元素的化合物只有一种，便应看做是一个原子与另一个原子的结合。这种假定也不
是普遍适用的，因此，他对于水和氨的结构才有错误的观念。虽然这样，道尔顿把模糊
的假说变成了确定的科学理论，的确取得科学史上的重大进步之一。
    道尔顿在小圆圈中加上点、星和十字等记号来代表元素的原子。这个方法后来为瑞
典化学家柏采留斯（Berzelius，1779－1848年）加以改进，形成我们现今所用的体系，
即用字母为符号去代表同一个元素的原子量相当的该元素的相对质量。例如H不是模糊
地代表氢元素，而是代表等于1（1克、1磅或其他单位）的氢的质量；O代表等于同一单
位的16倍的氧元素的质量。
    柏采留斯的主要实验工作，是在当时可能范围内，用最大的精确度来测定原子量，
或者说等价的化合曼。他也发现了几个新元素，研究过许多化合物，更在矿物学的研究
上，揭开了一个新的篇章。他与戴维（Davy）联合确立了电化学的基本定律，并且看到
电极性与化学余合力之间的密切关系。他把这观念推广得太远，而为当时所难了解：他
认为一切原子都含有阳电或阴电由于其相对力量，它们才化合。他认为每一化合物都是
带异性电的两部分所组成。如果几个化合物互相化合，我们可以设想那是由于多余的异
性电荷的作用。这个二元论的理论不够应付日益增进的知识，到有机化学兴盛时，就为
基型说所代替了。现在我们明白化学和电两种现象有密切的关系，不过不如柏采留斯所
想象的那样简单。
    当人们对气体化合现象加以更广泛的研究时，道尔顿原来的原子观念，便表现出有
缺陷。盖伊－吕萨克（Gay－Lussac，1778－1850年）表明气体化合时，其容积常有一
定的简单比例，阿伏伽德罗伯爵（1776－1856年）在1813年指出：根据道尔顿的理论，
和盖伊－吕萨克的观测，我们可以推断一切同容积的气体所含的原子数，必定彼此有简
单的比例。安培于1814年独立得到相同的结论，但被人忘记或忽视了，到1858年，坎尼
查罗（Cannizzaro）才再度澄清了这个问题。到那时，人们才从气体化合的事实以及从
物理学的考虑看出，有必要把化学上的原子和物理学上的分子区别开来。化学上的原子
是物质参加化合的最小部分；物理学上的分子，是能自由存在的最小质点。表达阿伏伽
德罗假设的最简单方法，是假定同容积的气体含有同数的分子。以后我们还要说明这结
果可用数学方法从物理学上的一个理论推导出来，这个理论假定气体的压力是由于它的
分子常在不断地运动和碰撞而产生的。
    但回到水的问题来，二容积（即二分子）的氢与一容积的氧化合，而得二容积（或
二分子）的水汽。解释这些关系最简单的理论，是假定物理学上的氢分子与氧分子，每
一分子都含两个化学原子，而水汽分子具有可以用H2O代表的化学结构，因而这变化可
以下列方程式去表示：
    2H2＋O2＝2H2O
    （2容积）（1容积）（2容积）
    这样，既然氧的化合量是8，而一个氧原子可以和两个氢原子化合，如果取氢的原
子量为单位，则氧的原子量应是16而非8。所以在决定各元素的原子量以前，我们必须
将道尔顿的化合量加以调整，使之合于后来实验所发现的事实。首先按照所有证据系统
地进行了这番工作的就是坎尼查罗。
    由于一个氧原子和两个氢原子化合，我们就说氧的原子价是2。原子价的观念，是
以后许多年间大部分化学思想的基础。
    已知的元素已经由道尔顿所认识的二十个增加到现在的九十多个。元素发现的工作，
是夜间歇不定中进行的。当一个新的研究方法应用到化学问题的时候，就常常会发现一
串新元素。电流的分解力使戴维爵士（1778－1829年）在1807年分离出碱金属的钾与纳。
稍后光谱分析使我们发现铷、铯、铊、镓等物质。放射性的方法使我们发现了镭和它同
族一类元素，阿斯顿的摄谱仪又使我们发现了许多同位的元素。
    1815年，普劳特（Prout）就已经在研究元素的原子量与其物理性质之间的关系，
随后纽兰兹（Newlands）与德·肖库土瓦（deChaucourtois）也研究了这个问题。1869
年，迈耶尔（Lothar Meyer）与俄国化学家门得列耶夫（Mendeleeff，1834－1907年）
成功地证实了这种关系。门得列耶夫把元素按其原子量的顺序，由轻到重排成一个表时，
发现它们有一种周期性——象纽兰兹所指出过的那样，每第八个元素都有一些相同的性
质，一切元素可以照这样排成一表，使同性质的元素归到一栏里去。利用这样制成的周
期表，可以把正确的原子量给与原子价未定的元素，表中的空白由门得列耶夫根据假设
加以填补，这样他就预言了一些未知元素的存在及其性质，其中一些后来竟被人发现了。
    门得列耶夫认为他的周期表只是纯粹经验事实的叙述。但这样的关系却下可避免地
使人回到物质有共同基础的老观念上去。许多人以为这个共同基础可能就是氢，他们想
证明如以氢的原子量为单位，其他元素的原子量全都是整数。虽然许多元素的原子量接
近整数，但有几个元素，例如氯（CI＝35．45）顽固地不遵从这个方案，斯塔斯（Stas）
等人增加测定原子量的精确度以后，也不能消除这个偏差。要证明物质具有共同基础并
把原子量归结为整数，还得等候半个世纪；这种工作是当时的实验和理论能力办不到的。

    电流

    我们在上面叙述的各种类型的起电仪器，都主要是用来把静电荷赋予某种绝缘体的。
的确，如果使起电机接地，形成一个导电通路，则在这电路中就有一点电流通过。不过，
就是在最优良的摩擦起电机中，每一秒钟通过的电量也都非常之少，以致要想在这电路
上发现电流，那是很困难的，虽然，如果在导线中留一个空气间隙，则这起电机所生的
高电位差，可以产生可见的火花。
    十九世纪初，伽伐尼或伏特电池的发明，开辟了一个新的研究领域。这种电池引起
了一系列现象，最初，称为伽伐尼流，经过许多人的努力，慢慢地和另外一系列以电得
名的现象联系起来。我们终于明白所谓伽伐尼流，正是电的流动，只是和起电机所生的
电量比起来，大很多，但其电位差却比电机所生的电位差小得不计其数。由于在电路的
任何一点上都不能发现积存的电，我们也不妨把电流比做一种不可压缩的流体在不可伸
长的刚性管内的流动。
    伏特电池是由于偶然的观察而发现的。这个发现，最初似乎要引到另外一个方向去。
1786年左右，意大利人伽伐尼发现蛙腿在起电机的放电的影响下发生收缩。在这次观察
之后，他又发现：如果使神经和肌肉同两种不相类似的金属连接起来，而使金属互相接
触，也可以得到同样的收缩。伽伐尼把这些效果归因于所谓“动物电”；后来，另外一
个意大利人帕维亚的伏特（Voita of Pavia）出来，证明这种基本现象并不依赖于一种
动物物质的存在。1800年，伏特发明了以他的姓得名的电池。在十九世纪初年，这种电
池成为一种研究的工具，在伏特和他的同时代的别国人手中，产生了一些很有趣味的结
果。当时的科学杂志登满了奇异的新发现的消息。当时的人都用极大的热情去研究这些
发现，其热烈的程度，不亚于一世纪以后，人们阐释气体中的放电与放射现象时，所表
现出的那种热忱。
    伏特所制的电池，是用一串锌盘、铜盘以及为水或盐水浸湿的纸张，按下列次序相
叠而成的：锌，铜，纸，锌，如此类推……最后是一个铜盘。这样一种组合，其实就是
一个原始的原电池组。每一对小盘为浸湿的纸隔开，而成一个电池，造成少许电位差。
这些小电池的电位差加在一起，便成了电池组铜锌两端的相当大的总电位差（或不恰当
地叫做电动力）。另一种装置法是把若干装有盐水或稀酸的杯子集合在一起，每个杯子
装置一块锌片和一块铜片。前一杯子的锌片与次一杯子的铜片相联，这样一直继续下去，
留下最先一个锌片和最后一个铜片，作为电池组的两极。伏特以为效果的来源在金属的
联接处；因此圆盘和两极的金属片的次序才如以上所述。这些金属片或圆盘不久便发现
是无用的，虽然它们在这种仪器的早期图画中占有重要地位。
    如果我们从伏特的电池取用电流，其强度便迅速地衰减，主要由于铜片的表面上生
了一层氢气膜。这种电极化，可用硫酸铜溶液围绕铜片来阻止，这样生成的物质是铜而
非氢；或用碳棒代替铜片，把它放在氧化剂如硝酸或重铅酸钾的溶液中，这样所产生的
氢气就立刻变为水。

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