第一章 早晨

1.1 起床

●　鬧鐘

“嗶嗶，嗶嗶，嗶嗶……”鬧鐘無情地履行著它每天的職責(zé)。現(xiàn)在是早上六點(diǎn)半，該起床了。你下意識地伸出手去關(guān)掉這煩人的鬧鈴聲。輕輕一按，又重回安靜的早晨。如果能在床上多躺一會兒就好了，可惜你得起床啦。

床頭柜上那個(gè)像惡魔一樣可怕的鬧鐘是姨媽送給你的，多年來它一直默默地履行著自己的使命。它總是沉默，直到那設(shè)定的時(shí)刻到來，那時(shí)，它會竭盡全力叫你起床。執(zhí)行這討厭的任務(wù)，它不需要其他什么，只要每隔一段時(shí)間更換電池就行。這其實(shí)是一個(gè)石英鬧鐘，坦白地說，你應(yīng)該從來沒想過石英和鬧鐘計(jì)時(shí)有什么關(guān)系，更不用說在大早上的這個(gè)點(diǎn)兒去想這個(gè)問題。你也幾乎不知道石英是什么，但也許多了解一下這個(gè)討厭的裝置的工作原理，會讓你不那么討厭它。

●　石英晶體

從化學(xué)角度來看，石英被稱為硅石，因?yàn)樗闹饕煞质嵌趸瑁⊿iO₂）。它是整個(gè)地殼中儲量非常豐富的一種物質(zhì)（約占地殼體積的12%）。“石英（quarz）”這個(gè)名稱似乎源于一個(gè)翻譯錯(cuò)誤。有一篇拉丁文寫道，有些巖石在德國用術(shù)語“querz erz”（字面意思是“穿過巖石的礦物”）來表示。1550年，威尼斯印刷商米歇爾·特拉梅佐諾（Michele Tramezzino）在翻譯該文本時(shí)，將“querz erz”謄寫成了“quarz”。這個(gè)詞隨后也傳到了其他語言中。

二氧化硅是許多沉積巖的主要成分，其中最為大家熟知的肯定就是由微小的二氧化硅晶體組成的沙子了。二氧化硅也可以形成一種尺寸比較大的晶體，也就是石英。石英有多種類型，根據(jù)所含雜質(zhì)的不同，會呈現(xiàn)出不同的顏色。其中珠寶店里比較有名，受人喜歡的一類石英是紫水晶，又名“阿梅蒂斯塔（Ametista）”。紫水晶這個(gè)名字源于希臘神話，而這個(gè)故事也非常值得我們?nèi)チ私狻?/p>

阿梅蒂斯塔是一個(gè)仙女，也就是希臘神話中的一個(gè)小神靈。這些小神靈主要是一些年輕的少女，她們是宙斯（Zeus）或?yàn)趵Z斯（Urano）的女兒。阿梅蒂斯塔的美麗使完全處于醉酒狀態(tài)下的酒神巴克斯（Bacco）失去了理智。為了得到她，他開始追求阿梅蒂斯塔。為了躲避酒神的追求，阿梅蒂斯塔向狩獵女神、處女的守護(hù)神狄安娜（Diana）求助。女神見阿梅蒂斯塔陷入危險(xiǎn)，就將她變成了一塊水晶石。之后酒神將一杯葡萄酒倒在上面，水晶石便呈現(xiàn)出具有代表性的紫羅蘭色。根據(jù)這個(gè)傳說，從此之后紫水晶就有了讓人飲酒不醉的功效。在一些富裕的古羅馬人中，流行在喝葡萄酒之前，將一顆紫水晶浸入酒杯中，而后再飲用。但很少有人能維持這種奢侈的習(xí)慣，紫水晶因此也就成了權(quán)力的象征。天主教的主教使用紫水晶戒指也是順應(yīng)了這一傳統(tǒng)。

●　壓電效應(yīng)

能讓石英晶體帶動指針運(yùn)動，使你討厭的鬧鐘工作起來的是它的壓電特性（piezoelectricity）。很多材料都具有壓電性，可以產(chǎn)生壓電效應(yīng)（piezoelectric effect）。其原理就是：如果晶體受到的外力引起晶體機(jī)械變形，它便會產(chǎn)生電位差，稱為正壓電效應(yīng)（direct piezoelectric effect）；反之向晶體外部施加電壓，便會引起晶體機(jī)械變形，稱為逆壓電效應(yīng)（inverse piezoelectric effect）或李普曼效應(yīng)（Lippmann effect）。

正壓電效應(yīng)是1880年左右由法國物理學(xué)家居里兄弟，也就是皮埃爾·居里（Pierre Curie， 1859—1906）和哥哥雅克·居里（Paul-Jacques Curie， 1856—1941）兩人發(fā)現(xiàn)的。皮埃爾·居里是著名的瑪麗·斯可羅多夫斯卡（Maria Sk?odowska，居里夫人，1867—1934）的丈夫，而雅克·居里也是一位杰出的化學(xué)家和礦物學(xué)家。逆壓電效應(yīng)則由法國物理學(xué)家加布里埃爾·李普曼（Gabriel Lippmann， 1845—1921）首次從理論上進(jìn)行了預(yù)測，并在幾年后由居里兄弟通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

晶體要表現(xiàn)出壓電的特性，就必須不具有對稱中心。這意味著它的組成粒子（原子、分子或離子）必須在所謂的晶胞（unit cell），也就是晶體的最小單位內(nèi)不對稱排列，從其重復(fù)排列中形成完整的晶體。這種不對稱性意味著晶體的變形會引起電荷的不同分布，從而產(chǎn)生電極化。研究表明，從變形的發(fā)生到產(chǎn)生電位差的瞬間，平均只需要1×10-8秒，也就是一億分之一秒的時(shí)間。

石英鐘表，包括你的鬧鐘，就是利用了逆壓電效應(yīng)這一原理。由電池供電的電路會產(chǎn)生交流電壓，對石英晶體施加該電壓，晶體就會產(chǎn)生相同頻率的機(jī)械振動，這是一種強(qiáng)制振蕩機(jī)制。當(dāng)電壓的頻率足以在晶體中產(chǎn)生駐波時(shí)，振幅就會達(dá)到最大。在這些條件下，我們說晶體處于共振狀態(tài)，其相對的頻率取決于晶體的幾何性質(zhì)。而這個(gè)頻率值是非常穩(wěn)定的，因此可以非常精確地測量時(shí)間的推移。通常，在常見的石英鐘表中，我們運(yùn)用的并不是基本共振頻率，而是一種諧波，其頻率值一般設(shè)定為32 768赫茲。這就意味著石英在一秒鐘內(nèi)振動了32 768次，或者換句話說，在晶體振蕩這么多次數(shù)之后，正好就經(jīng)過了一秒鐘。在32 768次振蕩后，設(shè)計(jì)電路會向一個(gè)微小的機(jī)芯發(fā)出電脈沖信號，推動相應(yīng)的指針前進(jìn)一秒（鬧鐘也是此原理）。如果鐘表上有日歷的話，則由一個(gè)齒輪系統(tǒng)來調(diào)節(jié)分輪、時(shí)輪和撥日輪的轉(zhuǎn)動。

如果是數(shù)字鬧鐘的話，電脈沖會被發(fā)送至顯示器，從而使顯示器上的時(shí)間前進(jìn)一秒。復(fù)雜的電路不僅推動著分、時(shí)、日的前進(jìn)，還調(diào)節(jié)著現(xiàn)在數(shù)字手表所具備的所有其他功能（秒表、計(jì)時(shí)器、時(shí)區(qū)、鬧鐘等）。

鬧鐘和數(shù)字手表現(xiàn)在已經(jīng)非常普遍，我們已經(jīng)習(xí)慣了看它們有數(shù)字的顯示屏。但你有沒有想過顯示屏是什么原理呢？顯示屏有下面的兩種類型。

●　LED顯示器

在老式的數(shù)字手表中，數(shù)字通常顯示為明亮的紅色或綠色。這就是所謂的LED（Light Emitting Diode），即發(fā)光二極管。二極管是一種特殊的電路元件，由兩個(gè)半導(dǎo)體構(gòu)成的PN結(jié)組成。半導(dǎo)體是指導(dǎo)電性能介于金屬（優(yōu)良的導(dǎo)電體）與絕緣體之間的材料。對于金屬來說，其電導(dǎo)率會隨著溫度的升高而減小，而半導(dǎo)體則相反。典型的半導(dǎo)體材料有硅（Si）和鍺（Ge）。

半導(dǎo)體的特性歸因于其特殊的電子結(jié)構(gòu)。由瑞士物理學(xué)家費(fèi)利克斯·布洛赫（Felix Bloch， 1905—1983）提出的一個(gè)固體物理學(xué)理論——能帶理論表明，區(qū)分金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的是一個(gè)特殊的參數(shù)，即能隙（energy gap）[14]。能隙表示所謂的價(jià)帶（valence band）和導(dǎo)帶（conduction band）之間的能量差。價(jià)帶和導(dǎo)帶代表了由固體結(jié)構(gòu)內(nèi)電子占據(jù)的能級（energy level）組成的能帶（energy band）。金屬的能隙為零（當(dāng)價(jià)帶和導(dǎo)帶相鄰時(shí)）甚至為負(fù)（當(dāng)價(jià)帶和導(dǎo)帶交疊時(shí)）。這使得電子可以自由地從價(jià)帶進(jìn)入導(dǎo)帶，這也是其導(dǎo)電性好的原因。相反，絕緣體的能隙很大，電子不能從價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶。半導(dǎo)體的能隙介于金屬和絕緣體之間，這就說明半導(dǎo)體的電導(dǎo)率雖然不為零，但絕對是低于金屬的（圖1）。

圖1　絕緣體、半導(dǎo)體和金屬的電子能帶示意圖

A電子伏特（eV）為能量單位，1eV = 1.60×10-19J（焦耳）。——編者注

對于半導(dǎo)體，如果溫度升高，電子就會獲得更多的能量，這就增加了部分電子躍遷至導(dǎo)帶的可能性，從而增加物體的電導(dǎo)率。另外，半導(dǎo)體還有一個(gè)重要的特點(diǎn)：如果在它們的晶體結(jié)構(gòu)中摻入少量其他元素作為雜質(zhì)，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能就會大大增加。這個(gè)過程在技術(shù)上稱為摻雜（doping）。如果作為雜質(zhì)引入的外來元素相比于原來的半導(dǎo)體有一個(gè)多余的電子（如硅類半導(dǎo)體中摻入磷元素），則稱為N型摻雜（N-type doping），因?yàn)榘雽?dǎo)體中引入了帶負(fù)電荷的電子。反之，如果引入的外來元素缺少一個(gè)電子（比如摻入硼元素），則稱為P型摻雜（P-type doping）。這是因?yàn)槿鄙賻ж?fù)電荷的電子，就相當(dāng)于引入了正電荷。

這個(gè)由于缺少電子而表現(xiàn)出正電性的空位被稱為電子空穴（electron hole）。如果把一個(gè)P型半導(dǎo)體和一個(gè)N型半導(dǎo)體連接起來，就會得到一個(gè)PN結(jié)（PN junction），即二極管。這種結(jié)具有單向?qū)щ娦裕簿褪侵辉试S電流向一個(gè)方向流動。而電流通常是指電荷的定向移動。在固體導(dǎo)體中，移動的電荷一般是電子。在PN結(jié)中，電子只能從N型區(qū)流向P型區(qū)，而不能反過來。如果將PN結(jié)二極管插入交流電路（以一定頻率周期性改變電流方向的電路）中，只有當(dāng)電流方向“正確”時(shí)，電流才會流通，反之則不會通過。最終，交流電流將轉(zhuǎn)化為脈沖電流（pulse current）。如果再加上其他器件（如電容器），就可以獲得與直流電（電流的方向始終不變）非常相似的電流。因此，二極管主要應(yīng)用于電流整流器（rectifier）中，將交流電轉(zhuǎn)換成直流電。我們?nèi)粘Ｆ毡槭褂玫母鞣N設(shè)備（手機(jī)、平板電腦、筆記本等）的充電器就是由整流器和變壓器（改變電壓）組合而成的。

LED是一種特殊的PN結(jié)二極管，由一層薄薄的半導(dǎo)體材料組成。在LED中，電流的通過決定了導(dǎo)帶中的電子與價(jià)帶中的空穴的結(jié)合。這種結(jié)合在可見光范圍內(nèi)以電磁輻射的形式釋放能量。因此，LED是一種將電能轉(zhuǎn)化為光能的電-光換能器。1962年，美國電氣工程師和發(fā)明家尼克·何倫亞克（Nick Holonyak Jr，出生于1928年）發(fā)明了第一種發(fā)光二極管，為半導(dǎo)體技術(shù)做出了很大貢獻(xiàn)。

在老式的數(shù)字手表中（也包括在老式計(jì)算器和其他設(shè)備中），數(shù)字的顯示由一個(gè)七段式顯示器來完成，顯示器中的發(fā)光二極管通常會發(fā)出紅光或綠光，從而顯示出數(shù)字。

LED發(fā)出的光（與輻射頻率有關(guān)）的顏色取決于電子與空穴復(fù)合時(shí)釋放出的能量的不同，這種不同又取決于構(gòu)成半導(dǎo)體的材料。最常用的LED材料有砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）、磷砷化鎵（GaAsP）、碳化硅（SiC）和銦鎵氮（GaInN）。

非常有意思的是，LED也可以反過來工作。如果被適當(dāng)頻率的光輻射，LED其實(shí)可以像光電模塊一樣，吸收輻射并產(chǎn)生電能。這種功能可應(yīng)用于不同的設(shè)備中，如距離傳感器、顏色傳感器、觸覺傳感器等。

●　液晶顯示器

不過，如今大多數(shù)數(shù)字手表都不再使用LED顯示器了，而是使用LCD，也就是液晶顯示器（Liquid Crystal Display）。其主要優(yōu)點(diǎn)是功耗低，因此，如果電子設(shè)備由電池供電的話，液晶顯示器會讓設(shè)備的續(xù)航能力更強(qiáng)。

這里向大家簡單介紹一下什么是液晶[15]。在晶體中，組成粒子（原子、離子或分子）按照一定的幾何形狀在空間中有序排列，而這個(gè)幾何形狀就決定了晶體特定的對稱性。其結(jié)構(gòu)的對稱性會使晶體在不同的方向上具有不同的物理性質(zhì)（如電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)或機(jī)械性質(zhì)）。這種特性被稱為晶體的各向異性（anisotropy）。當(dāng)固體熔化時(shí)，其幾何秩序和對稱性一般會被破壞，得到的液體會呈現(xiàn)出完美的各向同性，即在各個(gè)方向上呈現(xiàn)出相同的性質(zhì)。液晶是一種特殊的物質(zhì)，與其他物質(zhì)不同，它不能直接從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，但它可以產(chǎn)生同時(shí)具有固態(tài)和液態(tài)特征的中間相（intermediate phase），從而保持一定的各向異性。

1888年，奧地利植物學(xué)家和化學(xué)家弗里德里希·萊尼茲（Friedrich Reinitzer， 1857—1927）發(fā)現(xiàn)了具有這種特性的物質(zhì)。在研究一種特殊的物質(zhì)——膽固醇苯甲酸酯（Cholesteryl benzoate）時(shí)，他觀察到，在加熱到145℃后，這種物質(zhì)熔解為混濁狀的液體，但隨著溫度的升高，液體逐漸變得透明，直到在178.5℃的溫度下又呈現(xiàn)出原始的顏色。在冷卻下來時(shí)，液體又呈現(xiàn)出一種接近藍(lán)色的顏色并最終結(jié)晶變回固體。萊尼茲對這個(gè)獨(dú)特的現(xiàn)象很感興趣，于是向德國物理學(xué)家奧托·雷曼（Otto Lehmann， 1855—1922）請教。雷曼用偏光顯微鏡研究該物質(zhì)，并在一篇題為《論可流動的晶體》（On Flowing Crystals）（發(fā)表于《物理化學(xué)雜志》， Zeitschrift für Physikalische Chemie）的文章中說明了他的研究結(jié)果，而這篇文章也成為現(xiàn)代液晶科學(xué)的“基石”。“液晶”這一概念由雷曼提出，這位德國科學(xué)家是第一個(gè)嘗試對這些材料的獨(dú)特現(xiàn)象進(jìn)行解釋的人。液晶與一般液體不同，它保持著一定的分子組織。正常液體中存在大量的微觀無序現(xiàn)象，而液晶則表現(xiàn)出一定程度的有序性。且這種排列次序是可以通過調(diào)節(jié)溫度、施加電場或磁場來改變的。

能通過溫度的變化而形成液晶相（liquid crystalline phase）的物質(zhì)稱為熱致液晶。溶液中通過濃度變化而形成液晶相的物質(zhì)則稱為溶致液晶（lyotropic liquid crystal）。

若某種物質(zhì)想要表現(xiàn)得像液晶一樣，它就必須具有某些特性分子。首先，分子必須具有很強(qiáng)的各向異性。比如細(xì)長呈棒狀的分子會構(gòu)成棒形分子液晶（rodic liquid crystal）。如果分子扁平、薄且呈盤狀，則可得到盤形分子液晶（discotic liquid crystal）。其次，這些分子還必須能進(jìn)行一些分子間的相互作用。這些相互作用保證了即使在液體狀態(tài)下物質(zhì)也能產(chǎn)生一定的有序性和各向異性。

根據(jù)分子排列次序的不同也可以將熱致液晶分為不同的類型（圖2）。所謂向列相（nematic phase）液晶，其特征是分子質(zhì)心位置是無序的，但分子取向是有序的，沿某一從優(yōu)方向取向。在膽甾相（cholesteric phase）液晶中，分子間的相互作用使相鄰兩層的分子排列方向保持一定的角度錯(cuò)位，分子的取向在整個(gè)空間中不是恒定的，而是遵循一種螺旋式結(jié)構(gòu)。近晶相（smectic phase）液晶的特點(diǎn)是具有較高的秩序性，除了具有從優(yōu)取向方向，分子還排列成層狀結(jié)構(gòu)。

圖2　液晶分子排列示意圖

正如我們所說，液晶內(nèi)部分子的有序程度對外部應(yīng)力，如電場產(chǎn)生的應(yīng)力作用非常敏感。從外部施加的電場可以誘導(dǎo)分子沿著一個(gè)方向移動。這種方向取向可以改變材料的光學(xué)特性，尤其是可能會使該材料對偏振光（polarized light）照射的反應(yīng)有所不同。偏振光（見本章第3節(jié)）由在某一優(yōu)先平面（偏振面，plane of polarization）中振蕩的電磁波組成，這與在無固定方向平面中發(fā)生振蕩的普通光不同。只有當(dāng)偏振光的偏振面與晶體分子的取向方向一致時(shí)，偏振光才能穿過液晶（此時(shí)液晶呈透明狀態(tài)）。相反，如果它們的方向垂直，光就不能通過，晶體就不透明。液晶顯示器的原理就是利用了這一特點(diǎn)。電路（如鬧鐘中的電路）將信號發(fā)送至電極，以改變封閉在兩片透明玻璃之間的液晶分子的方向。這個(gè)方向決定了偏振光是否能通過，并使相應(yīng)的顯示元素（像素，pixel）呈現(xiàn)出亮或暗的狀態(tài)，如果是鬧鐘的話，這樣就構(gòu)成了鬧鐘上表示時(shí)間的數(shù)字。另外，根據(jù)光線的來源也可以將顯示屏分為多種類型：如果光線是來自屏幕背面，則為透射式液晶顯示屏（transmissive screen）；如果是利用環(huán)境中的光線，通過放置在屏幕背面的鏡子反射出來，則為反射式液晶顯示屏（reflective screen）。在某些情況下，上面兩種情況兼有，就有了所謂的透反式液晶顯示屏（transreflective screen）。

如前面所述，液晶分子的排列次序也可以取決于溫度（如熱致性液晶）。特別是在膽甾相液晶中，它特有的螺旋結(jié)構(gòu)的螺距就與溫度的高低有關(guān)。螺距的大小與可見光的波長相當(dāng)。因此，隨著溫度的變化，液晶會選擇性地反射光線。實(shí)際上溫度的不同還會使液晶發(fā)生顏色變化，這使得液晶可以當(dāng)作溫度計(jì)應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

職責(zé)所在得上班呀。你得離開舒適的被窩，迎接漫長的一天啦！再看一眼你的鬧鐘。你絕對想象不到吧，這個(gè)看似簡單，我們又再熟悉不過的日常用品中竟然包含了這么多的知識，這都是科學(xué)家們潛心研究的成果啊！

拓展：原子、分子和原子結(jié)構(gòu)

也許在25個(gè)世紀(jì)之前，在神海之濱，詩人的吟唱聲剛剛消逝的地方，已經(jīng)有哲學(xué)家教導(dǎo)我們，不斷變化的物質(zhì)是由不斷運(yùn)動且不可被摧毀的顆粒，也就是原子組成的。在命運(yùn)的安排下，在世紀(jì)長河里，原子聚集，形成我們所熟悉的形態(tài)以及我們的身體[16]。

偉大的法國化學(xué)家和物理學(xué)家讓·巴蒂斯特·佩蘭（JeanBaptiste Perrin， 1870—1942）就是用這樣幾句詩意的話語，概述了思想史上首次誕生原子觀念的環(huán)境。留基伯（Leucippo di Mileto）和德謨克利特（Democrito di Abdera，約公元前5—前4世紀(jì)）是這一觀點(diǎn)的創(chuàng)始人，他們認(rèn)為物質(zhì)是由微觀且不可分割的粒子組成的。“原子（atomo）”一詞來源于希臘語?τομο?（àtomos），意為“不可分割”。“不可分割”的含義則來自其單詞的組成字母：?表示“不”，是希臘語的第一個(gè)字母；τ?μο?（tómos）表示“分割，碎片”。

原子論觀點(diǎn)被伊壁鳩魯（Epicuro，公元前341—前270）采用，而關(guān)于他對原子論的想法，我們可以在一部拉丁文學(xué)杰作，提圖斯·盧克萊修·卡魯斯（Tito Lucrezio Caro，公元前98—前55）的《物性論》（De rerum natura）中找到清楚詳盡的闡述。原子學(xué)說早在古代就有許多反對者，其中影響力最大的就是亞里士多德（約公元前384—前322）。他對西方思想的影響使原子論觀點(diǎn)在很多個(gè)世紀(jì)都不被支持和接受。但原子觀念從來都沒有消失過，它偶爾還會被不同時(shí)期的學(xué)者重新提出來。一直到17世紀(jì)，原子論都在哲學(xué)家的討論范疇。隨著科學(xué)思想的誕生及其與哲學(xué)思想的逐步分化，關(guān)于原子是否存在的爭論引起了自然科學(xué)家的注意[17]。弗朗西斯科·培根（Francesco Bacone）、丹尼爾·塞內(nèi)特（Daniel Sennert）、約阿希姆·容吉烏斯（Joachim Jungius）、羅伯特·波義耳（Robert Boyle）、尼古拉斯·雷姆利（Nicolas Lmery）、艾薩克·牛頓（Isaac Newton）、米哈伊爾·瓦西里耶維奇·羅蒙諾索夫（Michail V. Lomonosov）、魯格羅·朱塞佩·博斯科維奇（Ruggero G. Boscovich）和丹尼爾·伯努利（Daniele Bernoulli）等人就在他們的作品中經(jīng)常提到原子或者類似的想法。

17世紀(jì)到18世紀(jì)，化學(xué)取得了飛速的發(fā)展。安托萬·洛朗·拉瓦錫（Antoine-Laurent Lavoisier， 1743—1794）對此做出了重要貢獻(xiàn)（見第三章第2節(jié)）。到了19世紀(jì)初，元素、化合物、混合物和化學(xué)反應(yīng)的概念已經(jīng)得到了清楚的解釋。此外，對氣體的研究和重量定律[1]（legge ponderale）的發(fā)現(xiàn)，表明了物質(zhì)狀態(tài)的特殊規(guī)律性。因此這些逐步被收集起來的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和原子理論等待著一個(gè)天才的想法將它們聯(lián)系起來，而這個(gè)想法就誕生在英國化學(xué)家和物理學(xué)家約翰·道爾頓[2]的頭腦中。

道爾頓首先利用原子假說對氣體的一些狀態(tài)進(jìn)行合理的解釋。后來他又嘗試運(yùn)用他的假說來說明化合物的形成機(jī)制。各種不同元素的原子結(jié)合在一起形成一個(gè)“復(fù)雜原子（compound atom）”，而復(fù)雜原子的質(zhì)量就等于所含的各種元素原子質(zhì)量之和。有了這些假設(shè)，道爾頓對普魯斯特的定比定律和拉瓦錫的質(zhì)量守恒定律給出了正確的解釋。此外，他還成功計(jì)算出許多元素的原子質(zhì)量與氫原子質(zhì)量（相對原子質(zhì)量）的比值。在他假設(shè)的基礎(chǔ)上，道爾頓從理論上預(yù)測出了另一個(gè)重量定律的存在：也就是他通過實(shí)驗(yàn)證明的倍比定律。

1808年，道爾頓發(fā)表了《化學(xué)哲學(xué)新體系》（New System of Chemical Philosophy）的第一冊，他在書中概述了原子理論的特點(diǎn)。他又于1810年和1827年分別出版了該書的后兩冊，進(jìn)一步完善了該理論。盡管道爾頓的實(shí)驗(yàn)觀測都很合理，但他的理論還是遭到了很多人的反對。包括法國的克勞德·路易斯·貝托萊（Claude-Louis Berthollet， 1748—1822）在內(nèi)的權(quán)威化學(xué)家提出了各種批評，特別是不同意道爾頓關(guān)于原子絕對不可分割的觀點(diǎn)（對于這一點(diǎn)，今天我們知道那些化學(xué)家是對的）。而且，“原子”這個(gè)詞“嚇”到這么多人，是因?yàn)樗€帶有形而上學(xué)的意味。但不管怎么說，隨著時(shí)間的推移，原子理論已經(jīng)成為理解化學(xué)物質(zhì)組合的通用參考模型。

在當(dāng)時(shí)的化學(xué)界，新的原子理論推動了一系列的科學(xué)研究，引入了一些現(xiàn)代化學(xué)最重要的概念。除此之外，它還在化學(xué)語言中引入了化學(xué)符號、化學(xué)式和化學(xué)方程式的使用。道爾頓本人是第一個(gè)采用常規(guī)符號系統(tǒng)來表示元素的人。道爾頓的符號系統(tǒng)雖然沒有被廣泛采用，卻影響到了永斯·雅各布·貝采利烏斯（J?ns Jacob Berzelius， 1779—1848）。他在1813年發(fā)表了一個(gè)更完善的元素符號系統(tǒng)，與我們現(xiàn)在使用的元素符號系統(tǒng)幾乎一樣。后來人們發(fā)現(xiàn)道爾頓計(jì)算出的相對原子質(zhì)量是不準(zhǔn)確的。這也是因?yàn)楫?dāng)時(shí)的分析方法存在局限性，在沒有其他人反對的情況下，根據(jù)道爾頓提出的原子假說，復(fù)雜原子所含的元素原子的比例為1∶1。這種“最簡原則”使道爾頓認(rèn)為：水的化學(xué)式是HO（而不是H₂O），氨氣的化學(xué)式是NH（而不是NH₃），甲烷的化學(xué)式是CH（而不是CH₄），等等。

約瑟夫·路易·蓋-呂薩克（Joseph-Louis Gay-Lussac，1778—1850），貝托雷的學(xué)生，后在巴黎綜合理工學(xué)院（école Polytechnique）[18]任安東萬·弗朗索瓦（Antoine-Franc?ois， comte de Fourcroy， 1755—1809）的助手。他在1808年發(fā)表了一條關(guān)于氣體的定律（蓋-呂薩克定律），對相互反應(yīng)的氣體元素的狀態(tài)進(jìn)行了說明。蓋-呂薩克觀察到，參加反應(yīng)的各種氣體的體積總是呈簡單的整數(shù)比。雖然道爾頓的原子理論在用重量定律解釋時(shí)很合理，但蓋-呂薩克得到的這些比值卻與他的假說預(yù)測的并不一致。

都靈的阿梅代奧·阿伏加德羅（Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro conte di Quaregna e di Cerreto， 1776—1856）成功地解決了這一難題[19]。在學(xué)習(xí)了哲學(xué)和法律之后，阿伏加德羅致力于自然科學(xué)的研究。他曾在維切利皇家學(xué)院擔(dān)任物理學(xué)教授，后在都靈大學(xué)擔(dān)任物理學(xué)教授一職。

阿伏加德羅在1811年用一個(gè)看似簡單、但實(shí)際上非常天才的理論成功地解決了蓋-呂薩克定律的棘手問題（蓋-呂薩克與道爾頓的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不一致的問題）。他假設(shè)在相同的溫度和壓強(qiáng)下，相同體積的任何氣體所含的分子數(shù)目相同。這個(gè)假說今天被稱為“阿伏加德羅定律”。在此定律下，氣體體積之比與氣體所含的分子數(shù)目之比有直接的比例關(guān)系。因此我們就可以在某些時(shí)候用相互作用的分子數(shù)目之比來解釋參加反應(yīng)的氣體體積的比例。此外，阿伏加德羅還將道爾頓的原子理論解釋為一種數(shù)學(xué)模型，而非物理模型。在這種想法下，他承認(rèn)氣體元素中相互作用的分子可以分割為更多的基本粒子。今天我們知道，蓋-呂薩克所認(rèn)為的氣體元素并不像道爾頓所認(rèn)為的那樣由單個(gè)原子構(gòu)成，而是由一對一對相連的原子，也就是雙原子分子（diatomic molecules，“分子melecola”一詞來源于拉丁語moles，意為“少量”）構(gòu)成。因此阿伏加德羅的想法是正確的。

構(gòu)成阿伏加德羅分子理論的簡單假說不僅能夠有效地解釋蓋-呂薩克的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)還修正了道爾頓理論存在的問題，使他的原子理論更加完善。正如阿伏加德羅自己所說：“當(dāng)不同氣體以簡單的整數(shù)體積比進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，就相當(dāng)于以同樣的分子數(shù)目比進(jìn)行反應(yīng)，因此說分子數(shù)目比和體積比是相等的。”他還說：“由氣體的質(zhì)量與體積之比可以得到密度，因此氣體的密度與分子的質(zhì)量成正比。”后面這句話暗示，我們可以用一種實(shí)用的方法，即氣體密度法，來測定氣態(tài)下各種物質(zhì)的相對分子和原子質(zhì)量。以克為單位表示的分子量現(xiàn)在我們用摩爾（mole）來表示，1mol任何物質(zhì)中含有的微粒數(shù)稱為“阿伏加德羅常數(shù)”（Avogadro constant），其值約為6.022×1023（1908年由讓·巴蒂斯特·佩蘭首次提出）。

阿伏加德羅的分子論花了50年的時(shí)間才最終在化學(xué)界站穩(wěn)腳跟。1860年9月3日至5日，在卡爾斯魯厄（Karlsruhe）舉行了第一次國際化學(xué)會議（The International Chemistry Conference）。化學(xué)家斯坦尼斯勞·坎尼扎羅（Stanislao Cannizzaro， 1826—1910）是熱那亞大學(xué)的教授，他在會議上明確表示：“考慮到分子是物質(zhì)進(jìn)入化學(xué)反應(yīng)時(shí)的最小粒子，也是保持物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的最小粒子，而原子是化合物分子組成的最小粒子，建議對分子和原子采用不同的概念。”

原子和分子理論在今天代表了一種穩(wěn)定的思想，是所有物理化學(xué)科學(xué)的基礎(chǔ)。當(dāng)然不僅有雙原子分子，還有由數(shù)千個(gè)原子組成的更復(fù)雜的大分子（macromolecule）。“我們所說的分子是指相同或不同原子的最小集合體，能夠獨(dú)立存在，并具有分子構(gòu)成的物質(zhì)的所有化學(xué)和物理性質(zhì)”，阿伏加德羅這句對分子的定義至今仍有意義。

今天，通過一些特殊的技術(shù)，如掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope）或場離子顯微鏡（Field Ion Microscope），我們甚至能夠用肉眼看到原子和分子，并且能夠估計(jì)它們的大小。我們知道原子的數(shù)量級是10-8厘米（一億分之一厘米）。盡管“原子”一詞的詞源含義（不可分割）一直保留著，但19世紀(jì)末到20世紀(jì)初進(jìn)行的一系列研究也使我們認(rèn)識到原子是由其他更小的粒子組成的。

在同一時(shí)期，威廉·克魯克斯（William Crookes， 1832—1919）和約瑟夫·約翰·湯姆森（Joseph John Thomson， 1856—1940）的研究（見第四章第2節(jié)），讓人們發(fā)現(xiàn)了電子。電子是構(gòu)成原子的最小粒子，帶負(fù)電荷。1909年，新西蘭籍的物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford， 1871—1937）發(fā)現(xiàn)原子中含有一個(gè)原子核，也就是一個(gè)很小的帶有正電荷的中心區(qū)域，并且集中了原子的大部分質(zhì)量。而原子核又由另外兩種粒子構(gòu)成：帶正電荷的質(zhì)子和不帶電荷的中子。起初，盧瑟福認(rèn)為電子是圍繞著原子核運(yùn)轉(zhuǎn)的，就像行星圍繞太陽一樣，即原子行星模型（modello planetario dell’atomo）。實(shí)際上事情要復(fù)雜得多。量子力學(xué)（Quantum Mechanics）是20世紀(jì)前30年發(fā)展起來的一個(gè)物理學(xué)分支，它表明對于電子等微觀粒子來說，再談?wù)撥壍栏拍钜呀?jīng)沒有意義了。事實(shí)上，微觀粒子的行為與波相似，所以我們無法在空間中對粒子定位，但定位又是描述它們的軌跡所必需的。因此量子力學(xué)用概率的方式來描述電子在原子核周圍的運(yùn)動。我們可以通過軌函（orbital）做到這一點(diǎn)，軌函實(shí)質(zhì)上是一個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)，可以逐點(diǎn)計(jì)算空間中發(fā)現(xiàn)電子的概率。量子力學(xué)還能為每個(gè)原子軌道計(jì)算出相關(guān)的能量。由此我們發(fā)現(xiàn)，每個(gè)原子軌道上的電子的能量值不是任意的，只能是彼此不同的一些確定的（非連續(xù)的）值：這些能量值被稱為能級。圖3為兩種原子軌道示意圖。

圖3　兩種原子軌道示意圖

雖然這些描述很抽象，而且也看不見，但可以解釋原子所有明顯的特性。因此，軌函的應(yīng)用在現(xiàn)代化學(xué)中至關(guān)重要。通過對原子的電子構(gòu)型（electronic configuration，即原子中的電子在各個(gè)軌道上的分布）的認(rèn)識，可以解釋元素的所有化學(xué)性質(zhì)。門捷列夫（Mendeleev）的元素周期表上可以找到關(guān)于電子構(gòu)型的完美解釋。例如，屬于同一族（同一豎列）的元素有相似的化學(xué)性質(zhì)是因?yàn)樗鼈兊耐獠侩娮訕?gòu)型幾乎一樣。因此，稀有氣體（或稱惰性氣體：氦、氖、氬、氪、氙、氡和）之所以具有化學(xué)惰性，是因?yàn)樗鼈兊碾娮訕?gòu)型非常穩(wěn)定。所有其他（非惰性）元素都傾向于改變其構(gòu)型，以使其像稀有氣體一樣有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，這就是它們會結(jié)合形成分子的原因。我們將在下一節(jié)專門討論化學(xué)鍵（見第一章第2節(jié)）。