科学的科普（16）微观物理（2）前传

2024年10月6日星期日

19世纪，对电的研究如火如荼，但是人们却不知道电到底是什么。

1808年，原子的概念的（重新）提出，给了人们一条“电是什么”的线索，即从电和原子的关系来着手。

电和原子的关系

伏打电池发明以后，人们立即进行了各种物质的导电实验，在液体导电方面，首先发现了水的电解并促成了原子论和化学的建立。化学家戴维(Davy, 1778-1829)、法拉第(Faraday, 1791-1867)、格罗特斯(Grotthuss, 1785-1822)、希托夫(Hittorf, 1824-1914)、拉乌尔(Raoult, 1830-1901)和克劳胥斯(Clausius, 1822-1888)等人就陆续开展了电化学和溶液理论的研究，

电解的方法被用来发现新的元素。1807年，英国化学家戴维用电解氢氧化钾和氢氧化钠的方法得到了钾和钠金属单质。随后，他又制出了钙、钡、镁、锶等金属物质。成为发现元素最多（12种）的人。

当时，人们认为电是电流current，有东西从金属线的一端流入，从另一端流出。

1832年，英国科学家法拉第基于其电解实验阐述了法拉第电解定律，这个定律适用于一切电极反应的氧化还原过程，是电化学反应中的基本定量定律。

法拉第认为溶液导电是因为溶液在通电的情况下，电解质形成了离子，溶液中的离子是在电流的作用下产生的。

第一定律即为在电极界面上发生化学变化的物质的质量与通入的电量成正比。第二定律即为通电于若干个电解池串联的线路中，当所取的基本粒子的荷电数相同时，在各个电极上发生反应的物质，其物质的量相同，析出物质的质量与其摩尔质量成正比。法拉第电解定律曾启发物理学家形成电荷具有原子性的概念，这对于导致基本电荷e的发现以及建立物质的电结构理论具有重大意义。在R.A.密立根测定电子的电荷e以后，曾根据电解定律的结果计算阿伏伽德罗常数No。

爱尔兰物理学家George Johnstone Stoney (1826-1911)对这个问题进行了思考，提出了如下的假设，既然物质的最小构成单位是原子，那些流动的东西应该是原子的一部分，因为原子是独立存在的，所以那些流动的东西也是一个一个独立存在的，否则就不能存在于原子中，这些独立存在的电的单位，被Stoney称为电子electron。在不经意间，Stoney已经站到了量子力学的门口。

如果Stoney停留在提出电子的概念，那么他的工作还是处于古希腊哲学思辨的范畴。但是1874年，Stoney利用当时的知识，计算出电子的电量为10^-20库伦，比现在的数值要低一个数量级。（后来证明Stoney的逻辑是正确的，这个错误的数值是因为当时的知识和参数不准确造成的）。有了具体的数值（和数学的结合），Stoney的工作就是科学工作了。

1881年，Stoney在Belfast举行的British Association for the Advancement of Science的学术会议上报告了他的研究。

1881年，Herman von Helmholtz独立得出“存在一种像原子一样独立存在的基本电量单位”。

1897年，Joseph John Thomson提出发现了电子，其有一定的电量和质量比值，但是他用了另外一个名字corpuscles微粒。

液体导电---电离

在较长时期内，科学界普遍赞同法拉第的观点，认为溶液中“离子是在电流的作用下产生的”。

1822年，年仅23岁的青年学者阿伦尼乌斯，在前人成果的基础上进行了溶液导电性的研究。他在实验中发现，氨气本身虽然并不导电，然而其水溶液却可导电，继续加入水，溶液体积增加，而浓度变稀，但是导电性越强。

1883年，他对这一现象进行了深入的理论分析。他认识到要想得到解释，就必须打破流行的传统观念，假定溶液中的电解质在无外界电流的作用下，就可以存在两种形态，即非活性（分子）态和活性（离子）态。当溶液稀释时就可以使前者更多地转化为后者，从而使导电度增强。

他指出当溶液稀释时导电性增加的原因是：“要解释电解质水溶液在稀释时导电性的增强，必须假定电解质在溶液中具有两种不同的形态，非活性的——分子形态，活性的——离子形态。实际上，稀释时电解质的部分分子就分解为离子，这是活性的形态；而另一部分则不变，这是非活性的形态……”他又说：“当溶液加水稀释时，活性形态的数量（注意不是浓度）增加，所以溶液导电性增强”。伟大的发现！

他并依此撰写出科学论文，准备进行博士学位的答辩。1884年，他在此基础上发表了题为《电解质的导电性研究》的论文，公开提出了电离学说。

1901年，开始首届评选诺贝尔奖的时候，阿累尼乌斯是物理奖的11个候选人之一，可惜落选了。1902年他又被提名诺贝尔化学奖，他也没有被选上。

1903年，评奖委员会很多人都推举阿累尼乌斯，但是，对于他应获得物理奖还是化学奖发生分歧。诺贝尔化学奖委员会提出给他一半物理奖，一半化学奖，这一方案过于奇特，被否定了。又提出他获奖问题延期至第二年，也被否决。电离学说在物理学和化学两个学科都具有很重要的作用，人们一时很难确定他应该获得哪一个奖项。

最终，阿累尼乌斯获得了1903年诺贝尔化学奖。电离学说说明电子不仅存在于原子之内，还能从一个原子中逃逸并加入到其他原子中。

奇怪的获奖原因

1899年，Thomson在British Association 会议上宣读了“存在比原子还要小的物质On the existence of masses smaller than the atoms”，原子是最小物质组成单位的观点正式被推翻，人类进入了微观世界。

1906年汤姆孙获得诺贝尔奖，获奖原因是“气体导电方面的理论和实验研究”，对他证实电子存在和发现电子一事只字不提。有人推测这是因为科学界对“原子是物体构成的最小单位，就像实心玻璃球一样”的理论深信两千多年，而电子理论太过先进，诺奖委员会没胆量也没必要冒这个风险。