【物理史中的二月】1811 年 2 月:亞佛加厥(Amadeo Avogadro)計數分子世界

1811 年 2 月:亞佛加厥(Amadeo Avogadro)計數分子世界

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News,2016 年 2 月,作者 Richard Williams)

亞佛加厥(Amadeo Avogadro) Photo: Wikipedia commons
亞佛加厥(Amadeo Avogadro) Photo: Wikipedia commons

亞佛加厥(Amadeo Avogadro)主張同體積的氣體在相同的溫度與壓力時,含有相同數目的分子,以此來解釋化學反應的實驗資料。

亞佛加厥(1776-1856)活在物理和社會治理方面都不斷變動,且不確定的年代。在物理方面,當時主要的科學家爭論著元素的本質:氧到底是原子,還是雙原子分子?在政治方面,他所居住的杜林和皮德蒙特地區相繼為義大利薩伏依公爵、薩丁尼亞國王、以及法國拿破崙一世所統治,並受到奧匈帝國軍隊的威脅。

最後,杜林併入了薩伏依王朝,這些全發生在亞佛加厥的一生中,但他一直居住在相同的屋子裡。他解決了物理中的分子問題,但在拿破崙立法之後,他給予政治上的支持,傷害了他的科學生涯。亞佛加厥發現了氣體的基本數值性質,讓我們認識了分子的世界。他的政治活動讓他喪失了杜林大學的教授職位,但在不久的政治輪替後,他又重回原來崗位。

亞佛加厥的全名為 Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro,源自律師世家,他們的姓來自 avvocato,即義大利文的律師。起先亞佛加厥從事了好幾年的家庭職業,之後才自學,開始研究物理。他成了維爾切利(Vercelli)學院的物理教授,之後到杜林大學(University of Turin)。

當時的物理很多都在探討氣體的本質,法國物理學家給呂薩克(Joseph Louis Gay-Lussac)觀察說,當氣體反應時,反應氣體與生成氣體的體積成簡單整數比,亞佛加厥從給呂薩克的結論繼續往前推1

亞佛加厥推論說,要解釋給呂薩克的觀測結果,唯一的方法是,在相同的溫度與壓力下,對於所有的理想氣體,任何一定體積都要有相同數目的分子。亞佛加厥常數,NA,是指 1 克分子的理想氣體體積中的分子數目。N的數值經由之後的許多實驗測定,趨近至現在所接受的值:1 莫耳 NA = 6.023 x 1023 分子。同體積氣體含有相同分子數的概念現在稱為亞佛加厥定律。

當時另一個重要的問題是,主要的基本氣體如氫和氧到底是原子,還是雙原子分子。亞佛加厥很巧妙地解答了這個問題,他注意到假如氣體是原子,那麼反應:

2H + O → H2O

所得到 H2O 的體積應該與氧的體積相同。但是,假如氫和氧是雙原子分子的話,那麼反應

2H2 + O2 → 2 H2O

所得到的 H2O 體積會是氧的體積的兩倍。實驗清楚證明後者方程式是對的,徹底解答了此問題,亞佛加厥是第一個了解氫和氧是雙原子分子的人。真要體會了解亞佛加厥的真知灼見,因為很奇怪地在 100 年後,物理界仍有些有影響力的科學家質疑各別分子的存在。1926 年諾貝爾物理獎頒給佩蘭(Jean Baptiste Perrin)的頌詞2可以說明上述見解的差異,它這樣說:「他對物質不連續結構的研究,特別的是,他發現沉積平衡」。在那時,有一位科學家在論及佩蘭的研究時提及:「這中止了長期以來對分子實體情況的對抗」。

當他最初發表他的研究時,科學界很少注意到亞佛加厥的發現,部分原因是,他並未努力去拜訪法國和德國的科學家,解釋他的概念。而且,所有理想的氣體同體積含有相同分子數的定律有明顯的例外,例如3,當固體 NH4Cl 蒸發會分離而形成分子 NH和 HCl:

NH4Cl → NH3 + HCl

因此,對一定量的 NH4Cl,其蒸氣所含的分子數,要比 NH4Cl 不分離而氣化的分子數多,這和一些相似的系統使得亞佛加厥定律失效了。但只要了解它的分解過程,就不會對此質疑了。終於,在 1860 年,義大利化學家坎尼乍若(Stanislao Cannizzaro)於卡爾斯魯厄(Karlsruhe)舉行的一個國際化學會議中,在頂尖的歐洲科學家面前為亞佛加厥做辯護,亞佛加厥定律的正確性終於被承認,可惜的是,亞佛加厥已去世多年了。

今日,在他提出定理的 200 年後,亞佛加厥定理在物理上展現出新面貌。尼威爾(David Newell)在他一篇〈更基本的國際單位系統〉文章4中解釋,現在的單位系統將如何完全以物理常數做為基礎。物理的實體,如長久以來所使用的標準公尺,是在白金棒上刻上兩個記號;標準公斤,是一個白金砝碼,兩個都管控好,保存在巴黎,長期以來都做為物理單位參考的標準。而現在,單位是由七個物理常數來定義,其中一個就是亞佛加厥數;其餘的是:真空中的光速、普朗克常數、波茲曼常數、電子的電荷、銫-133 超精細分裂頻率、以及發光強度單位。因此,亞佛加厥的概念在他活著時幾乎沒人認同,卻在幾世紀後成了現代科學的支柱之一。

 

參考:

1. Avogadro, Journal de Physique73, 58-76 [1811]. (An English translation is available by searching on “Alembic Club Reprint No. 4”)
2. Jean Baptiste Perrin,Nobel Lecture in Physics: 1926.
3. Svante Arrhenius,Nobel Lecture in Chemistry: 1903.
4. D. B. Newell,Physics Today, July, 35-41 [2014].

 

 

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