[物理史] 近代原子論先驅─道爾頓的誕生
近代原子論先驅─道爾頓的誕生
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
原子論的概念早於西元前約 500 年前即由古希臘哲學家路希伯斯（Leucippos）和德謨克利特斯（Democritus）師徒提出，說明萬物皆由極小且不可分割的質點所組成。不過那只是他們當時哲學思辯的建構，真正從科學實驗中決定原子重量，以確立其存在的論證則應歸功於道爾頓（John Dalton）。
道爾頓來自一個貴格會（Quaker）家族，定居於英格蘭昆布蘭郡的伊格斯菲爾德城（Eaglesfield, Cumberland, England），祖父為鞋匠，父親則從事編織。他是家中三個小孩最年幼的一個，就讀貴格會小學期間即顯現出母親堅毅果決的個性，學習快速。12 歲時，校長將小學移轉給他哥哥經營，道爾頓則協助教學工作，當地貴格會聞人羅賓遜（Elihu Robinson）是他的良師，他受惠很大。
1780 年，道爾頓兄弟負責一間位於肯德爾（Kendal），由貴格教友所新創辦的寄宿學校，學生約 60 位，科學設備新穎，圖書館藏書豐富，經常有知名貴格學者到訪。但最幸運的是，道爾頓結識了當地盲人自然哲學家果夫（John Gough）。在果夫的教導下，道爾頓通曉了拉丁文、希臘文、天文、數學、化學、醫學、氣象和植物學。此外，他也仿效果夫使用氣象儀器，紀錄每日的氣象資料，這個習慣從 1787 年開始一直持續著。
道爾頓除了在學校教授數學外，也公開授課，講解力學、光學、氣體力學和天文學等；此外，他參加幾次有獎競賽獲勝，漸有名氣。為了拓展他的科學圈子，1792 年，他藉著參加公誼會（貴格會別稱）年會之便，首次造訪倫敦。不久，他獲聘為公誼會在曼徹斯特新設立的「新學院」的數學暨自然哲學教授，是他生涯一個重要的里程碑。
1793年，道爾頓前往新學院任職，隨身攜帶他的第一本書《氣象觀測暨論說集》（Meteorological Observations and Essays）的校樣本，內容有他、果夫及克洛斯維特（Peter Crosthwaite）多年來共同觀測氣象的紀錄，以及其起因的推論解釋。他主張大氣由 80% 的氮和 20% 的氧加上水氣混合而成，而非單一化合物的氣體，但並未引起注意。
抵達曼徹斯特後不久，道爾頓即被選為曼徹斯特文哲會會員。數週之後，他向學會提出一篇有關色盲研究的論文。因為他們兄弟倆都深受色盲之苦，他對色盲的研究分析非常深入，論文提出後，色盲一時亦被稱為道爾頓症。
道爾頓於 1800 年辭去新學院的教職，接任文哲學會的祕書；此外，他還創立「數學書院」，講授數學、科學實驗和化學，每週 20 節課，反應不錯。有此穩定的收入，道爾頓可以專心投入研究，5 年中完成氣體在定壓下的膨脹法則（亦稱查理定律）、分壓定律和化學原子論，奠定了他在科學界的不朽地位。
分壓定律源自道爾頓於 1793 年提出有關大氣是氧、氮和水氣混合氣體的主張。1801 年，他更進一步提出物理原理來定義分壓，說明在混合氣體中，不同的組成氣體相互獨立運動，所以氣體混合物的總壓力等於各成份氣體分壓的和，也就是現今所稱的道爾頓分壓定律。
分壓論述提出後，馬上受到科學界強烈的質疑，因此，道爾頓開始就氣體溶解於液體時，是化學結合亦或力學吸附的問題進行實驗探討。1803 年 10 月，他向文哲學會提出一篇論文，主張氣體在液體中的溶解度視其「終極質點」（ultimate particles，即原子）的重量與數目而定，並於文後列出部分氣體的相對重量，即現所稱的原子量。
原子量表並未受到重視，道爾頓於 1803 年底在倫敦親自向化學大師戴維男爵（Humphry Davy）說明，指出表中的結果和其實驗一致，也被說成「純屬臆測」。道爾頓並未因之氣餒，繼續改進他的理論，而終於在 1808 年和 1810 年出版的《化學哲學的新體系》（A New System of Chemical Philosophy）上、下二冊中完整地提出了他的化學原子論。
道爾頓的化學原子論包含了以下的假設：
- 所有的物質均由不可分割的原子所組成。
- 任一元素的原子性質，包括重量，都完全相同。
- 不同元素的原子重量不同。
- 在所有化學反應中，所有原子都保持原貌，不會消失。
此外，道爾頓亦提出「最簡法則」（rule of greatest simplicity），做為原子間化學結合的準則：原子 A 和原子 B 結合時，會以力求簡單為依據，而從最簡單方式依序如下出現：1 個 A 和 1 個 B 的雙元化合物；1 個 A 和 2 個 B 或 2 個 A 和 1 個 B 的三元化合物等。因此，如果 A 和 B 只有一種結合方式，則一定是雙元結構，所以道爾頓認為水的分子式是 HO。「最簡法則」當時引起很多爭論，現在我們知道它並不完全正確，但卻提供道爾頓計算各元素原子量的基礎。
從道爾頓的原子論可以得到定比定律，即化合物所含各元素間質量比必為固定；他並推論出倍比定律（Law of Multiple Proportions），即當兩個原素可以結合成多種化合物時，其中一個元素與另一定量元素結合的各可能質量比均成一小的整數比。倍比定律的成功讓質疑原子論的聲音逐漸減弱。
成名後的道爾頓榮譽接踵而至。1810 年，戴維男爵擬提名他為皇家學會會士，但為道爾頓所拒絕。不過皇家學會於 1822 年，在他不知情下，還是選他為會士。1817 年，他被推為曼徹斯特文哲會會長，直到過世為止。1830 年，他獲選為法國科學院 8 名外籍院士之一；英國皇家也自 1833 年起致贈他「皇室費」。但功成名就的道爾頓卻依然過著簡樸的生活。
道爾頓終身未娶，1837 年小中風，次年再發，讓他口齒不清，但他依舊繼續做實驗。1844 年 7 月，他自床上摔下，被僕人發現時已經過世。他的遺體放在曼特斯特 4 天，有4萬人前往瞻仰遺容，各行業的重要人士都出席了他的喪禮。
一個只受過小學教育，靠著驚人的毅力，專注於自然科學的研究，而終能獲稱為「化學之父」，道爾頓實為近代科學史的異數。
道爾頓（John Dalton）
參考資料：
- Ross, “John Dalton”, Encyclopedia Britannica.
- N. Nash, “The Atomic-Molecular Theory”, Harvard University Press, Cambridge, 1950.
- Thackray, “John Dalton”, Dictionary of Scientific Biography, Vol. 3,p p.537-547 (1970).
原文刊載於物理雙月刊2015年10月號37卷第5期，感謝楊信男教授同意授權刊載。
系列文章100篇已集結成冊，由五南出版，書名為《物理奇才奇事》。
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