让·佩兰——原子论之争的调停者

张瑞云 李 维

(天津师范大学教师教育学院,天津 300387)

·物理学家与物理学史·

让·佩兰
——原子论之争的调停者

张瑞云 李 维

(天津师范大学教师教育学院,天津 300387)

阿伏伽德罗常数是中学物理中的一个重要常量,是联系宏观世界与微观世界的一条纽带．不仅如此,在早期的科学研究中,阿伏伽德罗常数更是证实“原子论”的最有力证据．在现今,分子和原子的存在已是一个不容置疑的事实,但原子论从诞生到被人们接受认可却经历了漫长而曲折的道路．尤其是在19世纪末,受到了来自科学界各派的诘难与质疑,其中以奥斯特瓦尔德为代表的“唯能论”对“原子论”的挑战尤为激烈．“原子论”与“唯能论”之争持续了20多年．直到1908年,法国物理学家佩兰通过大量的实验测得了一系列数值高度一致的NA值,证实了原子分子的存在,为微观世界的研究开辟了一条崭新的道路．佩兰的名字可能没有像爱因斯坦一样被人熟知,但这个伟大的科学家所做的贡献却是可以永载史册的．鉴于佩兰是中学物理教学中可以涉及到的重要物理学家,通过对佩兰科学研究工作的展示,可以使学生体会实验研究的智慧与艰辛．本文简单介绍佩兰的生平和他的主要学术成就．

1 生平简介

图1 佩兰(1870—1942)

让·佩兰(Jean Baptiste Perrin,1870—1942)(图1),1870年9月30日生于法国里尔的一个普通家庭,父亲也是一名物理学家,可惜英年早逝,母亲含辛将其抚养成人．高中时,佩兰就读于法国里昂的公立男中,1890年毕业考入巴黎高等师范学院,1891年在导师布里渊的引导下开始了新的学习生涯．1895年佩兰担任物理助教,开始对阴极射线和X射线进行研究．通过研究,他洞察出了原子结构存在不连续性的可能,并于1901年提出了他称之为“太阳系”的核行星原子结构模型,这个提法早于卢瑟福发现原子结构模型(1911年)之前．1896年佩兰因对阴极射线和X射线的研究获得伦敦皇家学会焦耳奖,并于1897年完成了X射线和伦琴射线的研究论文,获得了“科学博士”学位．同年,佩兰应聘到巴黎大学神学院任教,教授物理化学,于1903年编写了对物理化学教学有着重要意义的《物理化学规律——原理》一书．在教学备课过程中,佩兰开始对胶体粒子产生了兴趣,而对胶体粒子的研究又引发了佩兰对布朗运动的研究．佩兰对布朗运动的研究开始于1906年,通过研究他发现了沉降平衡定律,证明了物质结构的不连续性,并因此于1926年获得了诺贝尔物理学奖．佩兰还曾在1912年获得博洛尼亚的瓦劳利奖,在1913年获得巴黎科学院的莱开译奖．

1913年,佩兰在总结了其他科学工作者以及自己对原子分子研究成果的基础上,编著了《原子》一书．这本书一经出版便受到了广大读者的青睐,在科学界有着很高的影响力．1914年第一次世界大战爆发,佩兰放下手边的工作毅然投身于保卫祖国的战斗之中．战后,他又开始从事荧光在化学反应中的作用的研究,发现了荧光是由粒子跃迁产生的．此外,他还进行了核物理方面的研究,并于1918年正式提出了轻核聚变的观点．1921年以后,佩兰主要致力于法国科学的复兴以及科学的社会普及工作,并于1927年建立了生物物理化学研究所,1939年建立了法国国家科学研究中心．佩兰对法国科学普及最大的贡献莫过于1937年创建了“发明宫”．1940年德国入侵法国,佩兰被迫背井离乡,逃往美国．1942年4月17日于异国他乡的纽约辞世,1948年遗体运回法国葬于巴黎伟人祠．

2 主要学术成就

2.1 发现沉降平衡定律

佩兰受其导师布里渊的影响,是原子论的主要支持者之一．但佩兰对原子论研究的突出贡献在于,用实验方法检验了原子论的正确性,平息了长久以来的“原子论”之争．其实早在研究X射线与阴极射线性质的时候,佩兰就已经预见到原子结构的不连续性,他甚至还构想了原子结构的模型,认为原子结构可以分为不等大的两部分,较大的部分带正电,另一部分则是带负电的微小颗粒物质．但在1897年以后,他不得不将大量精力投入到教学工作中去,从而放慢了研究的步伐．但佩兰善于发现以及潜心钻研的精神是他走向成功的最宝贵财富．即便在教学中,他对每一个科学问题也保持着极高的敏感性,力求真知．在一次备课过程中,他发现了胶体粒子的一些有趣特性．通过实验,佩兰发现电解液中的多价离子超过某一限度时就会发生胶体粒子的不可逆性凝结,它影响着胶体溶液的平衡．

为了研究粒子大小不同的胶体溶液如何达到平衡,以及溶液浓度与胶体粒子大小之间有着怎样的关系,佩兰于1906年开始着手研究胶体粒子的布朗运动．与许多研究布朗运动的前辈一样,佩兰对布朗运动的研究也始于观察．通过用不同放大倍数的显微镜长时间的观察,他发现胶体微粒越小,它的布朗运动就越剧烈,而且各微粒的运动相互独立,互不影响．这些现象说明胶体粒子的布朗运动不是由于碰撞或温差引起的,而很可能是由组成物质的原子或分子的运动所造成的,这使他更加坚信物质结构的不连续性．

对于ρ的测量,佩兰采用了两种方法,第1种是将乳浊液放入干燥箱进行干燥处理,待乳浊液干燥成黏性液体时取出,自然冷却,使其凝固成透明胶状物质,再将胶状固体粉碎,投入到一定浓度的溴化钾水溶液中,形成悬浊液,这样,测出溴化钾悬浊液的密度便可知道颗粒物质的密度．佩兰利用转换法,很巧妙地将难以直接测量的颗粒物质密度转化为测量溴化钾溶液的密度．第2种方法是使用比重瓶法,通过测量同体积水和乳浊液的质量,再测得乳浊液干燥成透明胶状固体物质时的质量,便可根据水的密度推导得出乳浊液中颗粒物质的密度ρ.

图2 测量n、n0、h的实验装置图

丰度n和高度差h的测量又是一个难题．佩兰设计的实验装置如图2，将一个厚度为0.1mm中心有圆孔的玻璃片放在载玻片上,制成了一个小的圆柱形容器．将乳浊液滴入圆孔,然后快速盖上盖玻片,再用石蜡或漆进行密封,就制成了具有一定厚度的乳浊液玻片．使用放大倍数很高但景深很小的显微镜去观察,便可看到某一深度的一薄层颗粒．但由于微粒在做无规则布朗运动,视野中的微粒就如同上百只到处乱飞的小蜜蜂,是很难直接计数的．于是佩兰想到了用拍照的方法来多次统计求平均值,这个方法对于确定微粒的位置确实有效,但却无法看清直径小于0.5μm的微粒,无法准确计数．对此,佩兰又想到了将不透明的箔片扎一个小孔放在显微镜焦面上来限制视场,记录观察瞬间从显微镜中看到的粒子数．每隔一定时间计数一次,多次计数求出平均值,便可得到n0,然后移动显微镜观察另一层,记录下物镜移动的高度,便可以根据折射率算出两层间的高度差h,再用同样的计数法计算出这一层的平均粒子数,便得到了n．

最后,佩兰将通过上述方法求得的各量代入公式便求得了NA．佩兰用藤黄和乳香,通过控制颗粒物质的质量、密度、温度、溶液种类等,制备出不同的乳浊液,进行了大量实验研究,所求得NA的值都在1023量级,且NA的平均值约为6.8×1023．这个结果不仅成为检验“原子论”真实性的有力证据,而且从实验角度解释了布朗运动的真正原因是由分子热运动所引起的．佩兰也因此项伟大的实验成果于1926年冠冕诺贝尔物理学奖．

2.2 对爱因斯坦公式的验证

佩兰通过不同途径的实验测量,得到了一系列的NA值,最终通过计算求得的平均值约为6.4×1023．佩兰得到的NA值在误差允许范围内竟非常惊人的一致,这使学术界一直以来不置可否的原子问题得到了实质性的解决,为后来物理和化学微观方面的研究奠定了坚实的基础．

3 对法国科学及社会发展的贡献

佩兰不仅是一个伟大的科学家,更是一个赤诚的爱国主义人士．他在追求真理专注科研的同时,还为法国的科学事业做出了永载史册的贡献,为法国科学发展铺设了新的道路．佩兰有着一颗火红的爱国之心,在1914年第一次世界大战爆发后,他主动请缨加入了保卫祖国的战斗,并担任某一工程部队的军官．

关于佩兰对法国科学的贡献更是不胜枚举．他在1927年说服了艾德蒙德罗斯柴尔德男爵成立了生物物理化学研究所,在1939年创立了法国国家科学研究中心．国家科学研究中心是面向没有受过高等教育而却最有希望成为科学家的普通公民创办的,它为像弗里德里克·约里奥这样有着科学才能的人提供了很好的机会,使得他们能够完成伟大的研究,为科学做出贡献．此外,佩兰还负责创办了巴黎物理天文研究所和普罗旺斯天文台．佩兰最伟大的贡献在于他创建了举世闻名的发明宫,使得法国科学社会化、大众化不再是遥不可及的梦想,为更多热爱科学的人们提供了发明创造的机会．

1 郭奕玲,沈慧君.诺贝尔物理学奖1901—2010[M].北京:清华大学出版社,2012:113-117.

2 王媛媛.让·佩兰在19—20世纪之交对物理学发展的贡献[D].北京:首都师范大学,2005:3,7,21-25.

3 吕一民.20世纪法国知识分子的历程[M].杭州:浙江大学出版社,2001:78-81.

4 阎康年.原子论与近现代科学[M].北京:高等教育出版社,1993:44-57.

2016-12-26)