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氢的史诗：普鲁特假说

文章来源：admin发布日期：2022-05-09 11:27浏览次数：

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世界是多样还是统一，要我说，答案自然是既多样又统一，关键就看你如何理解这一问题。而对于哲学家与科学家来说，在多样性中寻求统一，也是许多人毕生所追求的目标，他们认为，如此一来，世界才能达到真正的美且和谐。早在2400年前，古希腊的泰勒斯便提出：水是不同形态的所有物质的基础。这个观点是对是错这不重要，重要的是，在这一漫长的探索过程中，泰勒斯迈出了至关重要的第一步。一个世纪之后，在泰勒斯思想的基础上，德谟克利特等古希腊先贤，又进一步提出了朴素的原子论，将这一理性的探索继承并发扬下去，继续寻找物质世界背后的统一。如今千百年已经过去了，直到今天，这一探索也依然在进行着。而我们今天的主人公、英国化学家威廉-普鲁特，便是在这一探索中，承前启后的一位关键人物。他的观点是，世界的统一正是以氢原子为基础的。

1811年，普鲁特在爱丁堡大学获得了医学学位，当时，大多数化学家们对原子这个概念还不屑一顾，毕竟没有人亲眼见过原子，也没有人知道原子的性质，甚至连原子到底存不存在，人们在心里都要打一个大大的问号。不过另一方面，化学家在实验中认识到，某些物质具有着特定的属性，他们将这些具有特定属性的物质称为“元素”。那么一种元素，为什么会有着特定的属性呢？关于这一点，人们还不明所以。最终搞定这一问题的，是与普鲁特同时代的，伟大的英国化学家约翰-道尔顿，道尔顿将哲学上的原子论，转化成了科学上的原子实验，通过这些实验，道尔顿提出了现代的原子论，认为万物皆由原子构成，而一种化学元素之所以具有特定的性质，原因正在于构成它的是相同的原子。

具体来看，道尔顿的原子论有以下三个要点：首先，化学元素由不可分的微粒，也就是原子构成，原子在一切化学变化中是不可再分的最小单位。其次，同种元素的原子性质和质量都相同，不同元素原子的性质和质量各不相同，原子质量是元素基本特征之一。最后，不同元素化合时，原子以简单整数比结合。如果一种元素的质量固定时，那么另一元素在各种化合物中的质量一定成简单整数比。

道尔顿的理论一经提出，无异于在欧洲的科学界投下了一颗重磅炸弹，虽然这一理论在一开始的时候，也遭受到了很多质疑，但随着实验的不断进行，人们最终还是不得不接受了道尔顿的理论。这下就妥了，对这一理论的发展开始纷纷登场了，有些人开始寻找不同的元素，并测量构成该元素原子的质量，先甭管能不能有进一步的发现，至少还是挺好玩的。而普鲁特则走上了另一条路，那就是在众多的元素中，寻找构成他们的基本单位。

事实上，当时的很多大神，比如麦克斯韦、法拉第等，都认为原子带有被制造的痕迹，但问题的关键就是，制造出这些原子的材料究竟是什么呢？普鲁特认为，这个基本材料就是氢。这哥们的想法其实非常简单，前面说过，同种元素的原子都具有相同的质量，不同元素的原子具有不同的质量，有的重一些，有的轻一些，而在当时所发现的40多种元素中，氢是最轻的，于是普鲁特便产生了这样的想法，那就是所有元素的原子量，都应该是氢原子量的整数倍，换言之，氢原子便是所有原子的基本组成单元。

有了这个想法之后，普鲁特便开始着手进行实验，来证明这个结论。他先后确定了碘、磷、钠、铁、锌、钾和铍的原子质量，而至于其他的元素，他则接受了那些他认为值得信任的科学家们的测量结果。至于氢的原子质量是多少，普鲁特果断地相信电解狂魔汉弗莱-戴维的测量结果。结果果不其然，碳原子量是氢原子量的12倍，氮原子量是氢的14倍，钾原子量是氢的40倍，碘原子量是氢的124倍，其他试过的元素，也无一不是如此。妥了，大新闻已经尽在掌握了，于是在1816年，普鲁特将自己的这一发现形成了论文。

不过我们可以发现，到此为止，普鲁特的发现，其实还只是一种归纳总结，他并没有方法来确定是不是氢原子组成了各种各样不同的原子，所以这一发现也只能被称为“普鲁特假说”，或是“普鲁特猜想”。于是，面对这一还无法确定的结论，反对者和支持者们，都开始设计各种实验来验证普鲁特假说的正确性。只要一发现新的元素，人们立马就要看看这哥们的原子质量是不是与氢原子量呈整数比。没想到的是，普鲁特假说那是异常坚挺，直到一战前夕，普鲁特假说是既没有被否定也没有被肯定。虽然某些新发现的元素的原子质量，与氢原子量的整数倍之间存在着微小的差异，但人们也将其认为是实验的误差，所以渐渐的，欧洲科学界也认为，各种元素与氢之间的关系，或许并不是偶然，氢有可能真的是构成所有原子的基本单位。

但是暗流也正在悄无声息的涌动。1896年，法国物理学家亨利-贝克勒尔发现了放射性，这一发现彻底动摇了一直以来的原子不变性。而在接下来的十多年中，许多物理学家分析了原子的衰变产物，1911年，物理学家发现了当时所谓的“继承元素原子”，这哥们与衰变之前的“母原子”拥有完全相同的化学性质，但原子量却截然不同。1913年，英国化学家弗雷德里克-索迪将这种原子命名为“同位素”。

于是新的问题又出现了，那就是不具备放射性的原子，是不是也存在各种同位素呢？现在我们知道，答案是肯定的，而这便是所谓的“稳定同位素”。事实上，也正是稳定同位素的发现，最终对普鲁特假说形成了致命一击。当时为了寻找同位素，大物理学家约翰汤姆逊发明了一种能够以前所未有的精度来测量原子质量的仪器，这东西就是质谱仪，利用这一原始的质谱仪，1912年汤姆逊发现，氖原子具有两种不同的原子质量，一种是20，另一种是22。而在一战之后，汤姆逊的同事弗朗西斯-阿斯顿又对质谱仪进行了改进，这下精度就更加无可比拟了，最终阿斯顿证明了汤姆逊的发现，稳定同位素由此便被发现了。

不过，阿斯顿还不满足于此，有道是手里拿个锤子，看什么都是钉子，有了质谱仪这个神器之后，阿斯顿就开始对各种元素一通疯狂地测量它们的原子质量。最终的结果显示，较重元素的原子质量，并不恰好是氢原子质量的整数倍，迷人的的普鲁特假说就这样被彻底推翻了。

那么万物的基本单元究竟是什么呢？泰勒斯的水不是，赫拉克利特的火不是，古希腊的四元素都不是，现在，普鲁特的氢也被否定了。看来路还得走下去。事实上，就在刚才故事发生的期间，1897年，约翰-汤姆逊发现了电子，这是构成原子材料的第一个线索。1911年，欧内斯特-卢瑟福发现了原子核，在此之后，原子由一个带正电的实心核与带负电的电子所构成的理论，被普遍接受。1918年，卢瑟福又进一步地在原子核中发现了质子，1930年，查德威克发现了中子。再后来，更加基础的夸克与胶子，也纷纷闪亮登场。但我们相信，这还远不是微观世界的终点，更不是物理学大统一的终章。或许，我们永远也无法得到答案，但这并不重要，因为无论是泰勒斯，还是普鲁特，抑或是卢瑟福，正是在一次次的寻求中，人类文明才得以走到今天。更加神奇的是，自近代以来，氢都在不断的寻求中扮演着重要角色，正如物理学家克莱普纳所说：氢一向具有王者风范，就好像它对宇宙的光辉历史有所了解一般。