Top10:
1.Young's-slittotheof
2.'son(1600s)
3.'soil-drop(1910s)
4.'sofwithaprism(1665-1666)
5.Young'slight-(1801)
6.'s-bar(1798)
7.'oftheEarth's(3rdBC)
8.'swithballsdown(1600s)
9.'softhe(1911)
10.'s(1851)
科学实验是数学学发展的基础,又是检验化学学理论的唯一手段,非常是现代数学学的发展,更和实验有着密切的联系。现代实验技术的发展,不断地阐明和发觉各类新的化学现象,日渐加深人们对客观世界规律的正确认识,进而促进数学学的往前发展。
令人惊奇的是十大精典化学实验的核心是她们都捉住了化学学家眼里最美丽的科学之魂:由简单的仪器和设备,发觉了最根本、最单纯的科学概念。十大精典化学实验如同十座历史壮歌,扫开人们长久的苦恼和含混,开辟了对自然界的崭新认识。从十大精典化学实验推选本身,我们也能清楚地看出2000年来科学家们最重大的发觉轨迹,如同我们“鸟瞰”历史一样。
排行第一:托马斯·杨的双缝演示应用于电子干涉实验
在20世纪初的一段时间中,人们渐渐发觉了微观客体(光子、电子、质子、中子等)既有波动性,又有粒子性,即所谓的“波粒二象性”。“波动”和“粒子”都是精典数学学中从宏观世界里获得的概念,与我们的直观经验较为相符。但是,微观客体的行为与人们的日常经验虽然相差很远。怎样根据现代量子化学学的观点去确切认识、理解微观世界本身的规律,电子双缝干涉实验为一典型实例。
杨氏的双缝干涉实验是精典的波动光学实验,玻尔和爱因斯坦企图以电子束取代光束来做双缝干涉实验,借此来讨论量子化学学中的基本原理。而且,因为技术的缘由,当时它只是一个思想实验。直至1961年,约恩•孙制做出长为50mm、宽为0.3mm、缝宽度为1mm的双缝,并把一束电子加速到50keV,之后让它们通过双缝。当电子撞击萤光屏时显示了可见的图样,并可用照像机记录图样结果。电子双缝干涉实验的图样与光的双缝干涉实验结果的类似性给人们留下了深刻的印象,这是电子具有波动性的一个实证。更有甚者,实验中虽然电子是一个个地发射,仍有相同的干涉图样。并且,当我们企图决定电子到底是通过那个缝的,不论用何手段,图样都立刻消失,这实际告诉我们,在观察粒子波动性的过程中,任何企图研究粒子的努力都将破坏波动的特点,我们没法同时观察两个方面。要设计出一种仪器,它既能判定电子通过那个缝,又不干扰图样的出现是绝对做不到的。这是微观世界的规律,并非实验手段的不足。
排行第二:伽利略的自由落体实验
伽利略(1564—1642)是近代自然科学的奠基者,是科学史上第一位现代意义上的科学家。他首先为自然科学成立了两个研究法则:观察实验和量化方式,成立了实验和物理相结合、真实实验和理想实验相结合的方式,进而创造了和往年不同的近代科学研究方式,使近代数学学自此走上了以实验精确观测为基础的公路。爱因斯坦高度评价道:“伽利略的发觉以及他所应用的科学推理方式是人类思想史上最伟大的成就之一”。
16世纪曾经,西班牙最知名的思想家和哲学家亚里斯多德是第一个研究化学现象的科学巨人,他的《物理学》一书是世界上最早的化学学著作。并且亚里斯多德在研究化学学时并不借助实验,而是从原始的直接经验出发,用哲学思辨取代科学实验。亚里斯多德觉得每一个物体都有回到自然位置的特点,物体回到自然位置的运动就是自然运动。这些运动取决于物体的本性,不须要外部的作用。自由落体是典型的自然运动,物体越重,回到自然位置的倾向越大,因此在自由落体运动中,物体越重,下落越快;物体越轻,下落越慢。
伽利略当时在汉堡学院任职,他大胆地向亚里斯多德的观点挑战。伽利略构想了一个理想实验:让一重物体和一轻物体禁锢在一起同时下落。根据亚里斯多德的观点,这一理想实验将会得到两个推论。首先最早提出量子概念的物理学家,因为这一连结,重物遭到轻物的牵涉与制约,下落速率将会减弱,下落时间将会延长;其次,也因为这一连结,连结体的重量之和小于原重物体;因此下落时间会更短。其实这是两个迥然相反的推论。
伽利略借助理想实验和科学推理,巧妙地阐明了亚里斯多德运动理论的内在矛盾,打开了亚里斯多德运动理论的缺口,造成了数学学的真正诞生。
人们传说伽利略从汉堡斜塔上同时扔下一轻一重的物体,让你们看见两个物体同时落地,因而向世人展示了他尊重科学,不畏权威的可贵精神。
排行第三:罗伯特·密立根的油滴试验
很早曾经,科学家就在研究电。人们晓得这些无形的物质可以从天上的闪电中得到,也可以通过磨擦毛发得到。1897年,美国化学学家托马斯早已得悉怎么获取负电荷电压。1909年英国科学家罗伯特·密立根(1868—1953)开始检测电压的电荷。
他用一个香射手的喷嘴向一个透明的小袋子里喷油滴。小袋子的底部和顶部分别放有一个通正电的电极和一个通负电的电极。当小油滴通过空气时,就带了一些静电,它们下落的速率可以通过改变电极的电流来控制。当除去电场时,检测油滴在重力作用下的速率可以得出油滴直径;加上电场后,可测出油滴在重力和电场力共同作用下的速率,并由此测出油滴得到或丧失电荷后的速率变化。这样,他可以一次连续几个小时检测油滴的速率变化,虽然工作因故被打断,被电场平衡住的油滴经过一个多小时也不会跑多远。
经过反复试验,密立根得出推论:电荷的值是某个固定的常量,最小单位就是单个电子的带电量。他觉得电子本身既不是一个假想的也不是不确定的,而是一个“我们这一代人第一次听到的事实”。他在诺贝尔奖得奖讲演中指出了他的工作的两条基本推论,即“电子电荷总是元电荷的确定的整数倍而不是分数倍”和“这一实验的观察者几乎可以觉得是听到了电子”。
“科学是用理论和实验这两只脚前进的”,密立根在他的得奖演说中讲道,“有时这只脚先迈出一步,有时是另一只脚先迈出一步,并且前进要靠两只脚:先构建理论之后做实验,或则是先在实验中得出了新的关系,之后再迈出理论这只脚并促进实验前进,这么不断交替进行”。他用特别形象的比喻说明了理论和实验在科学发展中的作用。作为一名实验化学学家,他不但注重实验,也极为注重理论的指导作用。
排行第四:牛顿的棱镜分解太阳光
对光学问题的研究是牛顿(1642—1727)工作的重要部份之一,亦是他最后未完成的课题。牛顿1665年结业于剑桥学院的三一大学,当时你们都觉得白光是一种纯的没有其他颜色的光;而有色光是一种不知何故发生变化的光(亚里斯多德的理论)。1665—1667年间,年青的牛顿只身做了一系列实验来研究各类光现象。他把一块三棱镜置于阳光下,透过三棱镜,光在墙壁被分解为不同颜色,后来我们将其比作波谱。在他的手里首次使三棱镜弄成了波谱仪,真正阐明了颜色起源的本质。1672年2月,牛顿怀着揭发大自然奥秘的激动和喜悦,在第一篇即将的科学论文《白光的结构》中,探讨了他的颜色起源学说,“颜色不像通常所觉得的那样是从自然物体的折射或反射中所导入的光的性能,而是一种原始的、天生的性质”。“通常的白光确实是每一种不同颜色的光线的混和,波谱的伸长是因为玻璃对这种不同的光线折射本领不同”。
牛顿《光学》著作于1704年问世,其中第一节专门描述了关于颜色起源的棱镜分光实验和讨论,肯定了白光由七种颜色组成。他还给这七种颜色进行了命名,直至现今,全世界的人都在使用牛顿命名的颜色。牛顿强调,“光带被染成这样的彩条:红色、蓝色、青色、绿色、黄色、橙色、红色,还有所有的中间颜色,连续变化,次序联接”。正是这种红、橙、黄、绿、青、蓝、紫基础色不同的色谱才产生了表面上颜色单一的蓝色光,假如你深入地瞧瞧,会发觉白光是十分美丽的。
这一实验后人可以不断地重复进行,并得到与牛顿相同的实验结果。从此之后七种颜色的理论就被人们普遍接受了。通过这一实验,牛顿为光的色散理论奠定了基础,并使人们对颜色的解释甩掉了主观视觉印象,因而走上了与客观量度相联系的科学轨道。同时,这一实验开创了波谱学研究,不久,波谱剖析就成为光学和物质结构研究的主要手段。
排行第五:托马斯·杨的光干涉试验
牛顿在其《光学》的专著中觉得光是由微粒组成的,而不是一种波。因而在其后的近百年间,人们对光学的认识几乎停滞不前,没有取得哪些实质性的进展。1800年美国化学学家托马斯·杨(1773—1829)向这个观点提出了挑战,光学研究也获得了飞越性的发展。
杨在“关于声和光的实验与研究提纲”的论文手指出,光的微粒说存在着两个缺点:一是既然发射出光微粒的力量是多种多样的,这么,为何又觉得所有发光体发出的光都具有同样的速率?二是透明物体表面形成部份反射时,为何同一类光线有的被反射,有的却透过去了呢?杨觉得,假如把光看成类似于声音那样的波动,上述两个缺点都会避开。
为了证明光是波动的,杨在论文中把“干涉”一词引入光学领域,提出光的“干涉原理”,即“同一光源的部份光线当从不同的渠道,刚好由同一个方向或则大致相同的方向进人耳朵时,光程差是固定宽度的整数倍时最亮,相干涉的两个部份处于均衡状态时最暗,这个宽度因颜色而异”。杨氏对此进行了实验,他在百叶窗上开了一个小洞,之后用厚纸片遮住,再在纸片上戳一个很小的洞。让光线透过,并用一面穿衣镜反射透过的光线。之后他用一个厚约1/30英寸的纸片把这束光从中间分成两束,结果见到了相交的光线和阴影。这说明两束光线可以像波一样互相干涉。这就是知名的“杨氏干涉实验”。
杨氏实验是数学学史上一个特别知名的实验,杨氏以一种特别巧妙的方式获得了两束相干光,观察到了干涉粉色。他第一次以明晰的方式提出了光波叠加的原理,并以光的波动性解释了干涉现象。随着光学的发展,人们至今仍能从中提取出好多重要概念和新的认识。无论是精典光学还是近代光学,杨氏实验的意义都是非常重大的。爱因斯坦(1879—1955)强调:光的波动说的成功,在牛顿数学学体系上打开了第一道缺口,揭露了现在所谓的场数学学的第一章。这个试验也为一个世纪后量子学说的成立起到了至关重要的作用。
排行第六:卡文迪许扭力实验
牛顿的万有引力理论强调:两个物体之间的吸引力与它们质量的乘积成反比,与它们距离的平方成正比。并且万有引力究竟多大?
18世纪末,法国科学家亨利·卡文迪什(1731—1810)决定要找到一个估算方式。他把两头带有金属球的6公尺长的铁棒用金属线悬吊上去。再用两个350磅重的皮球分别置于两个悬挂着的金属球足够近的地方,以吸引金属球转动,进而使金属线摇动,之后用自制的仪器检测出微小的转动。
检测结果惊人的确切,他测出了万有引力的引力常数G。牛顿万有引力常数G的精确检测除了对化学学有重要意义,同时也对天体热学、天文观测学,以及月球数学学具有重要的实际意义。人们在卡文迪什实验的基础上可以确切地估算月球的密度和质量。
排行第七:埃拉托色尼检测月球圆周
埃拉托色尼(约公元前276一约前194)公元前276年生于西非城市塞里尼(今阿富汗的沙哈特)。他兴趣广泛,博学多才,是唐代仅次于亚里斯多德的百科全书式的学者。只是由于他的专著全部失传,明天才对他不太了解。
埃拉托色尼的科学工作极为广泛,最为知名的成就是测定月球的大小,其方式完全是几何学的。假设月球是一个圆球,这么同一个时间在月球上不同的地方,太阳线与地平面的倾角是不一样的。只要测出这个倾角的差以及两地之间的距离,月球边长就可以估算下来。他据说在土耳其的塞恩即明天的阿斯旺,冬至那天早晨的阳光悬在头上,物体没有影子,光线可以直射到井底,表明这时的太阳恰好垂直塞恩的地面,埃拉托色尼意识到这可以帮助他检测月球的圆周。他测出了塞恩到亚历山大城的距离,又测出冬至正中子时亚历山大城垂直杆的杆长和影长,发觉太阳光线有稍微偏离,与垂直方向大概成7°角。剩下的就是几何问题了。假定月球是球形,这么它的圆周应是360°。若果两座城市成7°角(7/360的圆周),就是当时5000个法国运动场的距离,因而月球圆周应当是25万个法国运动场,约合4万千米。明天我们晓得埃拉托色尼的检测偏差仅仅在5%以内,即与实际只差100多千米。
排行第八:伽利略的加速度试验
伽利略借助理想实验和科学推理巧妙地否定了亚里斯多德的自由落体运动理论。这么正确的自由落体运动规律应是如何的呢?因为当时检测条件的限制,伽利略难以用直接检测运动速率的方式来找寻自由落体的运动规律。为此他构想用斜面来“冲淡”重力,“放慢”运动,并且把速率的检测转化为对路程和时间的检测,并把自由落体运动看成为夹角为90°的斜面运动的特例。在这一思想的指导下,他做了一个6米多长,3米多宽的光滑直木板槽,再把这个木板槽倾斜固定,让铜球从木槽顶端沿斜面滚下,之后检测铜球每次滚下的时间和距离的关系,并研究它们之间的物理关系。亚里斯多德曾预言滚动球的速率是均匀不变的:铜球滚动两倍的时间就走出两倍的路程。伽利略却证明铜球滚动的路程和时间的平方成比列:两倍的时间里,铜球滚动4倍的距离。他把实验过程和结果详尽记载在1638年发表的知名的科学专著《关于两门新科学的对话》中。
伽利略在实验的基础上,经过物理的估算和推理,得出假定;之后再用实验加以检验,由此得出正确的自由落体运动规律。这些研究方式后来成了近代自然科学研究的基本程序和技巧。
伽利略的斜面加速度实验还是把真实实验和理想实验相结合的标杆。伽利略在斜面实验中发觉,只要把磨擦降低到可以忽视的程度,小球从一斜面滚下以后,可以滚上另一斜面,而与斜面的夹角无关。也就是说,无论第二个斜面伸展多远,小球总能达到和出发点相同的高度。假如第二斜面水平放置,但是无限延长,则小球会仍然运动下去。这实际上是我们现今所说的惯性运动。为此,力不再是亚里斯多德所说的维持运动的缘由,而是改变运动状态(加速或减速)的诱因。
把真实实验和理想实验相结合,把经验和理智(包括物理论证)相结合的方式,是伽利略对近代科学的重大贡献。实验不是也不可能是自然观象的完全重现,而是在人类理智指导下的对自然现象的一种简化和纯化,因此实验必须有理智的参与和指导。伽利略既注重实验,又注重理智思维,指出科学是用理智思维把自然过程加以纯化、简化,进而找出其物理关系。为此最早提出量子概念的物理学家,是伽利略开创了近代自然科学中经验和理智相结合的传统。这一结合除了对化学学,并且对整个近代自然科学都形成了深远的影响。正如爱因斯坦所说:“人的思维创造出仍然在改变的宇宙图景,伽利略对科学的贡献就在于毁灭直觉的观点而用新的观点来替代它。这就是伽利略的发觉的重要意义”。
排行第九:卢瑟福散射与原子的有核模型
卢瑟福(1871—1937)在1898年发觉了a射线。1911年卢瑟福在格拉斯哥学院做放射能实验时,原子在人们的印象中就似乎是“葡萄干布丁”,即大量正电荷集聚的胶状物质,中间包含着电子微粒,而且他和他的助手发觉向金箔发射带正电的a射线微粒时有少量被弹回,这使她们十分气愤。通过估算证明,只有假定正电球集中了原子的绝大部份质量,但是它的半径比原子半径小得多时,就能正确解释这个不可想像的实验结果。因此卢瑟福提出了原子的有核模型:原子并不是一团块状物质,大部份物质集中在一个中心的小核上,称之为核子,电子在它周围环绕。
这是一个开创新时代的实验,是一个引起原子化学和原子核化学发轫的具有里程碑性质的重要实验。同时他推表演一套可供实验验证的卢瑟福散射理论。以散射为手段研究物质结构的方式,对近代化学有相当重要的影响。一旦我们在散射实验中观察到卢瑟福散射的特点,即所谓“卢瑟福影子”,则可意料到在研究的对象中可能存在着“点”状的亚结构。据悉,卢瑟福散射也为材料剖析提供了一种有力的手段。依据被靶物质大角散射回去的粒子能谱,可以研究物质材料表面的性质(如有无杂质及杂质的种类和分布等),按此原理制成的“卢瑟福质谱仪”已得到广泛应用。
排行第十:米歇尔·傅科钟摆试验
1851年,英国知名化学学家傅科(1819—1868)为验证月球自转,当街做了一个实验,用一根历时67m的钢丝吊着一个重28kg的摆锤《摆锤半径0.30m),摆锤的身上带有铅笔,可观测记录它的摆动轨迹。傅科的演示说明月球是在围绕地轴旋转。在伦敦的经度上,钟摆的轨迹是顺秒针方向,30小时一周期;在南半球,钟摆应是逆秒针转动;而在赤道中将不会转动;在北极,转动周期是24小时。
这一实验装置被后人称为傅科摆,也是人类第一次拿来验证月球自转的实验装置。该装置可以显示因为月球自转而形成科里奥利力的作用效应,也就是傅科摆震动平面绕铅垂线发生偏转的现象,即傅科效应。实际上这等同于观察者观察到月球在摆下的自转。