化学家和物理学家道尔顿
约翰·道尔顿(1766-1844),英国化学家、物理学家、英国皇家学会会员、柏林科学院名誉院士、慕尼黑科学院名誉院士、莫斯科科学协会名誉院士、现代原子能理论的提出者理论,发现色盲,主要著作有两卷本《化学哲学新体系》。
1766 年 9 月 6 日,约翰·道尔顿出生于坎伯兰县伊格尔斯菲尔德的一个贫穷的贵格会织工家庭。
父亲是一位农民和工匠。他年轻时,家里很穷,没有钱上学。此外,他还是一名红绿盲患者。他的生活很困难,只能就读贵格会学校。然而,凭借惊人的毅力,他自学成才。
富有的老师罗宾逊很喜欢道尔顿,并允许他阅读他的书籍和日记。 1778年罗宾逊退休后,12岁的道尔顿接替他在学校担任教师,薪水微薄。后来他又回到务农。
1781年,肯德尔15岁时,他受表弟邀请到肯德尔镇担任中学教师。道尔顿遇到了盲人哲学家高夫,在他的帮助下,他自学了拉丁语、希腊语、法语、数学和自然哲学。他还开始观察自然并记录气象数据。从此,他的知识有了长足的进步。 1785年,远房亲戚退休,道尔顿和他的兄弟成为学校的董事之一。
1787年3月24日,道尔顿记录了第一个气象观测记录物理学家与化学家,成为他随后科学发现的实验基础。道尔顿对这种情况很不满意。他希望在爱丁堡大学学习医学物理学家与化学家,以便成为一名医生。后来,他开始公开演讲,以改善自己的经济状况,提高自己的学术声誉。詹姆斯·焦尔就是学生之一。
道尔顿于 1793 年至 1799 年担任曼彻斯特新学院数学和自然哲学教授; 1794年,担任曼彻斯特文学和哲学学会会员。这个社团是由普里斯特利的学生创立的,旨在探索神学和英国政治以外的各种主题。问题。 1790年,道尔顿开始做植物学研究,发现自己的色觉与常人不同。他可以识别白色、黄色或绿色,但认为紫色、粉色、深红色和花斑颜色大致相同。 1792年,道尔顿在观察一朵花时,发现这朵花白天在阳光下呈现蓝色留学之路,晚上在烛光下变成红色。然而,其他人认为这朵花总是粉红色的。更令人惊讶的是,只有他和他的兄弟观察到了“变色”现象。当时别人不理解他,认为他很可笑,但道尔顿并没有放开这种现象。他孜孜不倦地工作,经过讨论最终得出这是色盲现象,成为第一个发现色盲的人。 1794年10月31日,他在学会阅读了《色觉的特殊例子》。在这篇文章中,他对色盲这种视觉缺陷进行了最早的描述,并总结了他自己和许多人的观察结果。色盲的特点是除了蓝色和绿色之外,他只能看到黄色。
“在我看来,图像中被其他人称为红色的部分只不过是阴影或缺乏光线。此外,橙色、黄色和绿色似乎是一种颜色,只是从强烈的黄色均匀地下降到对我来说,它们只是不同深浅的黄色。”
图1 论文《色觉的特殊例子》
这篇论文发表在 1798 年曼彻斯特文学和哲学学会的纪念刊上
道尔顿推测颜色感知的缺乏是由眼睛的液体介质(称为房水)变色引起的。根据他的研究,他认为房水是蓝色的,因此过滤掉了所有颜色。他的观察和著作构成了最早关于色盲的讨论。后人为了纪念他,也将色盲称为“道尔顿病”。
图2 色盲测试
1800年,道尔顿担任学会秘书,随后进行了气体压力的研究。 1801年,道尔顿在干燥空气中加入水蒸气,发现混合气体中某种成分的压力与其他成分的压力无关,总压力等于两种压力之和,即道尔顿分压定律。同年,道尔顿最亲密的朋友威廉·亨利发现不溶于水的气体量与压力成正比,这就是亨利定律。后来亨利还观察到混合气体也存在同样的关系,只不过压力被气体的分压代替。从这次讨论中,道尔顿得出结论,溶解是一个纯粹的物理过程。
亨利在原子理论的创立过程中给了道尔顿很大的帮助。亨利曾说过:“每种气体都相当于另一种气体的真空”。当时,这句话引起了许多科学家的反对,但道尔顿用实验证明了其正确性,同时也为道尔顿气体分压定律奠定了坚实的基础。亨利经常有独到而深刻的想法,但他缺乏将它们系统化并公开的雄心。 1802年,受到道尔顿的启发,亨利在英国皇家学会(不是皇家学院)详细解释了白色气体的溶解度与其分压之间的关系——气体在水中的溶解度(不发生化学反应)与此成正比。气体的分压。该定律后来被称为“亨利定律”。受到亨利工作的启发,道尔顿在随后的讨论中注意到,在相同压力下,不同气体的溶解度差异很大,于是他想象:“一系列气体的溶解度取决于这些粒子的重量。其中最轻的、最简单的一定气体粒子的溶解度随着其重量和难度的增加而增加,最终粒子(原子)的相对重量对我来说是一个新课题。”特别强调相对原子质量(原子量)是他最初的想法。
只有赋予原子相对质量(原子量)的含义,道尔顿的原子论才能区别于以往哲学思辨的原子论,而具有现代科学定量实验的特征。
1803年,道尔顿继承了古希腊的简单原子论和牛顿的粒子论,提出了原子论。其要点是:(1)化学元素是由不可分割的粒子——原子组成的。他认为原子是所有化学变化中不可再分割的最小单位。 (2)同一元素的原子性质和质量相同,不同元素的原子性质和质量不同。原子质量是元素的基本特征之一。 (3)当不同元素结合时,原子以简单的整数比结合。推导并通过实验证明倍增定律。如果一种元素的质量固定,那么各种化合物中另一种元素的质量一定是简单的整数比。
1808年,道尔顿最重要的著作《化学哲学新体系》出版。在书中,他详细阐述了原子理论及其实验基础,还设计了一组符号来表示各种原子,用这些符号的组合来表示化合物中原子的排列。这次道尔顿建立了科学原理理论。他为整个科学创建了一个中心。科学家首先用原子论来解释实验现象,然后将实验结果归因于原子论。人们从原子论出发,建立了另外一个体系。科学理论推动化学乃至整个自然科学的发展。
图3 道尔顿设计的原子符号
道尔顿的原子理论奠定了现代化学和原子物理学的基础,是科学史上划时代的成就。道尔顿提出原子理论后,在英国乃至欧洲名声大噪,各种荣誉纷至沓来。 1816年,道尔顿当选为法国科学院院士; 1817年,道尔顿当选为曼彻斯特文学和哲学学会主席。同时,他继续进行科学讨论,他用原子理论解释了无水盐溶解时体积不变化的现象,并首先对体积分析的原理进行了描述。 1826年,英国政府授予他科学金质奖章; 1828年,道尔顿当选为英国皇家学会会员;此后,他先后当选为柏林科学院名誉院士、慕尼黑科学院名誉院士、莫斯科科学协会名誉会员。他还获得了法学博士学位,这是当时牛津大学授予科学家的最高荣誉。
面对荣誉,道尔顿起初冷静谦虚,但随着荣誉越来越高,他逐渐变得傲慢保守,变得刻板自以为是。他拒绝接受居伊·吕萨克的建议。气体部分体积定律,坚持采用自己的原子量值而不接受已经精确测量的数据,反对乔恩斯·雅各布·贝采利乌斯提出的简单化学符号系统,但道尔顿对科学的热爱始终如一。 1822年道尔顿当选为英国皇家学会会员; 1835年至1836年任英国学术协会化学分会副会长。
图4 道尔顿肖像
1844年7月26日,道尔顿用颤抖的双手写下了他最后的气象观测记录。 1844年7月27日,他从床上摔下来,被服务员发现死亡。道尔顿希望在他死后对他的眼睛进行测试,以找出他色盲的原因。他认为这可能是因为他的水样是蓝色的。尸检发现他的眼睛正常,但 1990 年,对英国皇家学会保存的他的一只眼睛进行 DNA 检测发现,他缺乏绿色敏感色素。为了纪念道尔顿,他的肖像被安装在曼彻斯特市政厅的入口处。许多化学家使用道尔顿作为原子量单位。
道尔顿是用于测量原子质量和分子质量的化学单位,也称为统一原子质量单位。国际上通常采用原子的质量单位作为基准,将碳十二元素原子质量的十二分之一定义为原子质量单位。也就是说,碳十二元素的原子质量为12道尔顿。道尔顿的英文全名(缩写为Dal或Da、D)。
道尔顿并没有因为自己的色盲而责怪自己。他一生都在努力生活和工作。他从来不畏惧任何艰难困苦。他将一生奉献给了科学。他一直未婚,在恶劣的生活条件下从事科学讨论。英国政府只是在欧洲著名科学家的呼吁下才发放养老金,但道尔顿仍然将其保存下来并捐赠给曼彻斯特大学进行研究。