高中生物学教材中的科学家 第二十八期 | 道尔顿

人物简介

约翰·道尔顿（John Dalton，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会员，近代原子理论的提出者，发现了色盲症，主要著作有《化学哲学的新体系》两册。

生平经历

1766年9月6日，约翰·道尔顿生于坎伯兰郡伊格斯非尔德一个贫困的贵格会织工家庭。道尔顿幼年家贫，只能参加贵格会的学校，富裕的教师鲁宾孙很喜欢道尔顿，允许他阅读自己的书和期刊。1778年鲁宾孙退休，12岁的道尔顿接替他在学校里任教，工资微薄，后来他重新务农。1781年在肯德尔一所学校中任教时，道尔顿结识了盲人哲学家高夫，并在他的帮助下自学了拉丁文、希腊文、法文、数学和自然哲学。1785年远亲退休，道尔顿和他哥哥成为学校负责人之一。

1787年3月24日，道尔顿记下了第一篇气象观测记录，这成为他以后科学发现的实验基础。道尔顿不满足于如此的境遇，他希望前往爱丁堡大学学习医学，以便成为医生，后来他开始进行公开授课以改善经济情况和提高学术声望。詹姆斯·焦耳就在学生当中。1793～1799年道尔顿在曼彻斯特新学院任数学和自然哲学教授；1794年任曼彻斯特文学和哲学学会会员，这个学会由普利斯特里的学生创建，讨论神学和英国政治之外的各种问题。

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。他能分辨白色、黄色或绿色，但认为人们说的紫色、粉红色、深红色和花斑色差不多。1792年，道尔顿在观察一朵花时，发现这朵花白天在日光下呈现蓝色，晚上在烛光下则变成了红色，但其他人认为花始终是粉红色。更加奇怪的是，只有他和他的弟弟观察到了“变色”现象。当时其他人都不理解他，认为他很可笑，但是道尔顿没有放过这个现象，他不懈努力，终于经过研究得出这是一种色盲现象的结论，成为第一个发现色盲的人。1794年10月31日他在学会宣读了《关于颜色视觉的特殊例子》，在这篇文章中，他给出了色盲这一视角缺陷的最早描述，总结了从他自身和很多人身上观察到的色盲症的特症，如他自己除了蓝绿方面的颜色，只能再看到黄色。

“在我看来，图像中其他人称之为红色的部分只不过是一种阴影或光线不足。此外，橙色、黄色和绿色似乎是一种颜色，只不过从一种强烈的黄色均匀地下降到少见的黄色。在我看来，它们不过是不同色调、不同深浅度的黄色而已。”

图1 论文《关于颜色视觉的特殊例子》

该论文刊登在1798年的曼彻斯特文学和哲学学会纪念刊上

道尔顿推测，颜色感知不足是由于眼球液体介质（称为房水）变色引起的。根据他的研究，他认为房水是蓝色的，因此过滤掉了所有的颜色。他的观察和写作形成了关于色盲的最早论述，后人为了纪念他，又将色盲症称为“道尔顿症”。

图2 色盲测试

1800年道尔顿任学会秘书，随后进行气体的压强研究。1801年道尔顿将水蒸汽加入干燥空气中，发现混合气体中某组分的压强与其他组分压强无关，且总压强等于两者压强和，即道尔顿分压定律。同年道尔顿最亲密的朋友威廉·亨利发现了难溶于水的气体在水中的溶解数量与压强成正比，即亨利定律。随后亨利也观察到对于混合气体也存在同样关系，只不过压强换成了气体的分压值。道尔顿从这一研究成果得出溶解是纯物理过程的结论。

亨利在原子论的创立过程中给予道尔顿很大的帮助。亨利曾说过：“每一种气体对于另一种气体来说，等于是一种真空。”当时这句话引起许多科学家的反对，道尔顿却用实验证明了它的正确性，同时也为道尔顿的气体分压定律建立了坚实的基础。亨利经常有新奇而深刻的想法，但他缺乏勇气将它们系统起来并公之于众。 1802 年，在道尔顿的鼓励下，亨利在英国皇家学会（不是皇家学院）详细说明了气体溶解度与其分压的关系——一种气体在水中的溶解度（不发生化学反应）正比于这种气体的分压强。这条定律后来被尊为“亨利定律”。道尔顿受亨利的启发，在其后的研究中注意到，在相同的压强下不同气体的溶解度差别很大，于是他设想：“一系列气体的溶解度取决于这些粒子的重量。其中最轻的、最简单的必是最难溶解的。气体粒子的溶解度随其重量与复杂程度而增加。终极粒子（原子）本身的相对重量是我的研究课题。这是一个全新的课题。”这大概就是他格外强调相对原子质量（原子量）的最初想法。

只有赋予原子以相对质量（原子量）的意义，道尔顿的原子论才不同于以往哲学臆测的原子论而具有了现代科学定量实验的特征。

1803年，道尔顿继承古希腊朴素原子论和牛顿微粒说，提出原子论。其要点为：（1）化学元素由不可分的微粒—原子构成，他认为原子在一切化学变化中是不可再分的最小单位。（2）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。（3）不同元素化合时，原子以简单整数比结合。推导并用实验证明倍比定律。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。

1808年道尔顿最重要的著作《化学哲学新体系出版》出版了，他在书中阐述了原子学说及其实验根据，还设计出一套符号来表示各种原子，用这些符号的组合表示化合物中原子的排列。这次道尔顿建立了科学原则论，他给整个科学创造了一个中心，科学家们开始用原子论解释实验现象，又将实验结果归结到原子论，从原子论出发，人们建立了一个又一个科学的理论，推动了化学乃至整个自然科学的向前发展。

图3 道尔顿设计的原子符号

道尔顿原子学说为近代化学和原子物理学奠定了基础，是科学史上一项划时代的成就。道尔顿提出原子论后名震英国乃至整个欧洲，各种荣誉纷至沓来，1816年，道尔顿被选为法国科学院院士；1817年，道尔顿被选为曼彻斯特文学哲学会会长，同时继续进行科学研究，他使用原子理论解释无水盐溶解时体积不发生变化的现象，率先给出了容量分析法原理的描述。1826年，英国政府授予他金质科学勋章；1828年，道尔顿被选为英国皇家学会会员；此后，他又相继被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，还得到了当时牛津大学授予科学家的最高荣誉——法学博士称号。

在荣誉面前，道尔顿开始时是冷静的、谦虚的，但是后来荣誉越来越高，他逐渐变得有些骄傲和保守，并走向了思想僵化、固步自封，他拒绝接受盖·吕萨克的气体分体积定律，坚持采用自己的原子量数值而不接受已经被精确测量的数据，反对永斯·雅各布·贝采利乌斯提出的简单的化学符号系统，不过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；1835～1836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日道尔顿使用颤抖的手写下了他最后一篇气象观测记录。1844年7月27日，他从床上掉下，服务员发现他已然去世。道尔顿希望在他死后对他的眼睛进行检验，以找出他色盲的原因。他认为可能是因为他的水样液是蓝色的。去世后的尸检发现眼睛正常，但是1990年对其保存在皇家学会的一只眼睛进行DNA检测，发现他缺少对绿色敏感的色素。为纪念道尔顿，他的肖像被安放于曼彻斯特市政厅的入口处。很多化学家使用道尔顿作为原子量的单位。

道尔顿是用来衡量原子质量和分子质量的化学单位，又叫做统一原子质量单位。国际上通常采用一个原子的质量单位为基准，将碳十二元素原子质量的十二分之一定义为一个原子质量单位，也就是说一个碳十二元素的原子质量就是12道尔顿。道尔顿的英文全称为Dalton(简称为Dal或者Da，D)。

人物评价

道尔顿没有对自己的色盲而自怨自艾，一生都在努力地生活和工作，从来无畏任何艰难困苦，把自己毕生精力献给科学事业，终生未婚，而且在生活穷困条件下，从事科学研究，英国政府只是在欧洲著名科学家的呼吁下，才给予养老金，但是道尔顿仍把它积蓄起来，奉献给曼彻斯特大学用作学生的奖学金。

道尔顿曾说“如果说我比其他人获得了较大成功的话，完全是靠不断勤奋的学习钻研而来的”。他提出的原子论是继拉瓦锡的氧化学说之后理论化学的又一次重大进步，他揭示出了一切化学现象的本质都是原子运动，明确了化学的研究对象，对化学真正成为一门学科具有重要意义，此后，化学及其相关学科得到了蓬勃发展。在哲学思想上，原子论揭示了化学反应现象与本质的关系，继天体演化学说诞生以后，又一次冲击了当时僵化的自然观，为科学方法论的发展、辩证自然观的形成及整个哲学认识论的发展具重要意义。

道尔顿一生，正如恩格斯所指出的：化学新时代是从原子论开始的，所以道尔顿应是近代化学之父。