【正文】 現(xiàn)了庫侖定律。這個定律指出，兩個靜止的點電荷間作用力的大小與它們所帶電量的乘積成正比，與它們之間距離的千方成反比，可用代數(shù)式表示為： 這里f表示兩電荷之間的作用力，q1和q2分別表示兩點電荷的電量，r為它們之間的距離，稱為介電常數(shù)，其值因電荷間介質(zhì)的不同而異。電池的發(fā)明和電流及其效應(yīng)的研究 1780年，意大利醫(yī)生伽伐尼(Luigi Galvani，1737～1789)在實驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩種不同金屬分別與蛙腿的肌肉和神經(jīng)相接觸，金屬的另外兩端又相連時，便有電從那里流過，蛙腿的肌肉因此而不斷地抽搐。他誤以為電是生物體產(chǎn)生的。伽伐尼的工作引起了意大利科學(xué)家伏打(Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta，1745～1827)的注意。伏打經(jīng)過反復(fù)實驗后指出，電流的產(chǎn)生是由于兩種不同的金屬同時插入液態(tài)導(dǎo)體中造成的，不論這種導(dǎo)體是否是生物體都會產(chǎn)生電流。根據(jù)他的發(fā)現(xiàn)，伏打于1800年制成了名為“伏打電堆”的最早的電池。有了電池，人們就可以獲得持續(xù)的電流，使電學(xué)研究推向了新的階段。英國人尼科爾森(William Nicholson，1753～1815)在得知制成伏打電堆后，立即與他的朋友卡萊爾(Authong Carlisle，1768～1840)組裝自己的電池組，一個月后便制成。他們用自己的電池組進行實驗，把從兩電極引出的金屬絲置于水中并保持一定的距離，發(fā)現(xiàn)電流使水分解為氫和氧。這就是電解現(xiàn)象。1826年，原先是一名中學(xué)教師的德國人歐姆(Georg Simon Ohm，1787～1854)報告了他發(fā)現(xiàn)的、后來以他的名字命名的歐姆定律。他引入子電動勢、電流強度、電阻等等這些現(xiàn)在常用的概念，并給出了精確的定義。歐姆定律現(xiàn)在通常表示為：這里I代表電流，通常以“安培”為單位；V代表加于電阻兩端的電壓，通常以“伏特”為單位；R則代表電阻。通常以“歐姆”為單位。歐姆定律是電學(xué)的基本定律之一。歐姆定律的發(fā)現(xiàn)是科學(xué)史上的重要事件，但當(dāng)時它并未引起科學(xué)界的重視，甚至受到一些人的非難，十多年以后人們才認(rèn)識到它的意義?？孔詫W(xué)成才的書籍裝訂工出身的英國科學(xué)家法拉第(Michael Faraday，1791～1867)于1833～1834年間對電解現(xiàn)象進行了深入的研究，他發(fā)現(xiàn)子電化學(xué)當(dāng)量定律，即電解定律，這是電學(xué)研究的又一項重要成果。它表達(dá)了電運動與化學(xué)運動間的關(guān)系，在理論上和實用上都有重要意義。上述一系列重要發(fā)現(xiàn)以及上文已經(jīng)述及的焦耳發(fā)現(xiàn)的電能轉(zhuǎn)化為熱能的焦耳定律等等，表明電學(xué)已經(jīng)逐漸形成了自己的學(xué)科體系。不過，電學(xué)在19世紀(jì)更重要的進展還在于人們弄清楚了電和磁之間的關(guān)系。電磁關(guān)系的研究 上文說到，把電和磁現(xiàn)象區(qū)別開來有助于認(rèn)識的深入，但它們之間確有太多相似之處，人們自然還是要思考它們之間的關(guān)系。從1807年起，丹麥科學(xué)家奧斯特(Hans Christian Oersted，1777～1851)就開始這個問題的研究，經(jīng)多年的努力，他在1820年發(fā)現(xiàn)，若在通電導(dǎo)線近旁平行放置一磁針，磁針會因電流通過導(dǎo)線而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這就表明電流具有某種磁效應(yīng)。法國物理學(xué)家安培(AndreMarie Ampere，1755～1836)得知上述發(fā)現(xiàn)后，隨即進行了一系列實驗，僅僅四個多月的時間里又有了許多新的發(fā)現(xiàn)。他于同年就報告了他的研究成果：(1)電流方向與磁針轉(zhuǎn)動方向的關(guān)系服從右手定則。(2)兩條平行載流導(dǎo)線之間的相互作用為：電流同向則兩導(dǎo)線相吸，反向則相斥。他經(jīng)過反復(fù)實驗和思考，更進一步揭示出兩導(dǎo)線間的作用力與它們的距離的平方成反比，這就是著名的安培定律。(3)用導(dǎo)線繞成的線圈通過電流時就像磁石那樣呈現(xiàn)出兩極磁性。法拉第又從另一個角度來思考，既然電流有磁效應(yīng)，那么磁會不會也有電效應(yīng)?磁能不能產(chǎn)生電?經(jīng)過10年的努力。也終于有了答案。他發(fā)現(xiàn)，如果在一塊軟鐵上纏繞兩個線圈，當(dāng)其中一個線圈上的電流發(fā)生變化時(即接通或斷開電路時和電流大小發(fā)生變化時)，另一個線圈就會出現(xiàn)瞬間電流；又如果使放置于線圈中的條形磁鐵與線圈發(fā)生相對運動，線圈也會出現(xiàn)瞬間電流。這兩個實驗都表明，線圈產(chǎn)生感生電流的原因在于線圈附近的電流或磁場發(fā)生變化。如果電流或磁場的變化是短暫的，所感生的只是瞬間電流，要是設(shè)法使電流或磁場持續(xù)地變化，我們就能得到持續(xù)的感生電流。這正是發(fā)電機的工作原理。他根據(jù)這個想法設(shè)計制造的第一臺試驗裝置終于在1831年10月產(chǎn)生出了持續(xù)的電流。數(shù)年之后可供實用的發(fā)電機問世，隨后依據(jù)同樣的原理人們又制成了電動機。發(fā)電機和電動機的發(fā)明是人類歷史上的重大事件，它標(biāo)志著電氣時代的來臨。場的概念的形成 上文所述都是實驗所取得的成果，并未涉及其中的機理，法拉第經(jīng)過多年的思索，于1851年提出了場和力線的概念來加以解釋。早年牛頓提出萬有引力的概念時，他想象引力是一種超距作用力，就是說引力的作用并不需要媒質(zhì)的傳遞，并且是即時發(fā)生的，這與牛頓崇尚古希臘原子論思想直接相關(guān)。對電學(xué)和磁學(xué)作出過重要貢獻(xiàn)的富蘭克林、庫侖、安培等人與牛頓的思路一致，也都深信電力和磁力是超距作用力。但是法拉第的思路不同，他認(rèn)為宇宙間應(yīng)當(dāng)充滿介質(zhì)，電和磁的作用是通過介質(zhì)在空間里傳遞而發(fā)生的。他把電和磁發(fā)生作用的空間稱為“場”。電有電場，磁有磁場。他更想象電場和磁場都由“力線”所組成。他說場的作用是沿著力線的方向發(fā)生的，電力線出發(fā)于正電荷而終止于負(fù)電荷，磁力線則出發(fā)于北極而終止于南極。異名電荷(或磁極)之間的力線有橫向拉緊縱向擴張的趨勢，同名電荷(或磁極)之間的力線的情形恰恰相反。異名電荷或磁極的相吸，是力線把它們拉在一起：同名電荷或磁極的相斥，是力線使它們相互推開。一根通電導(dǎo)線周圍的磁力線是在垂直于電流的平面內(nèi)形成的，它是一組以電流為中心的環(huán)形力線，力線的方向與電流方向服從右手定則。據(jù)此我們便可以說明為什么電流可以使磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)并且知道磁針如何偏轉(zhuǎn)?？臻g中的場強以該處力線的密度來表示，場的方向以力線的方向來表示。他在一張紙上撒滿鐵粉，讓磁鐵在其下輕輕抖動，于是看到了鐵粉的有序排列，反映出磁場分布的狀況。法拉第還以場和力線的概念成功地描述了電磁感應(yīng)定律。他說，感生電流的產(chǎn)生在于該導(dǎo)線切割磁力線，感應(yīng)電流的強度正比于該導(dǎo)線單位時間內(nèi)切割磁力線的數(shù)目。場的概念的建立有重要的意義，最直接后果就是導(dǎo)致電磁波的發(fā)現(xiàn)。后來的科學(xué)實驗證明場的確是一種物理實在。法拉第所說力線雖然事實上并不存在，不過它也不失為一種可供實用的模型，利用它來考察電和磁的作用也有許多方便之處。過去人們只知道實物是物質(zhì)存在的形式，現(xiàn)在又知道場也是物質(zhì)存在的一種形式。這是關(guān)于物質(zhì)觀念的重大突破?，F(xiàn)代科學(xué)表明，自然界中不僅有電場、磁場，還存在著引力場等等許多與實物相聯(lián)系的場。電磁場理論的建立與電磁波的發(fā)現(xiàn) 法拉第雖然提出了場的概念，但是他的數(shù)學(xué)功底不太好，構(gòu)建嚴(yán)密的電磁理論的任務(wù)只能由其他人來完成，其中貢獻(xiàn)最大的是麥克斯韋。麥克斯韋吸收了許多人的研究成果，于1873年發(fā)表了他的名著《電磁通論》，終于建成了電磁學(xué)理論的基本框架。麥克斯韋的主要功績在于他把前人的電磁理論加以推廣，使之適應(yīng)變化著的電場和磁場，他列出了兩組表征變化著的電場和磁場的偏微分方程組，即通常所說的麥克斯韋方程組。從方程組所表征的物理含義進一步思考，他指出，不僅在導(dǎo)線中通過的電流可以在周圍產(chǎn)生磁場，在空間中變化著的電場也可以在其周圍產(chǎn)生變化的磁場。同樣，不僅變化著的磁場可以在導(dǎo)線中產(chǎn)生電流，即使沒有導(dǎo)線存在，在空間中變化著的磁場也可以在它的周圍產(chǎn)生變化的電場。不過這種電場的電力線與由點電荷所產(chǎn)生的電力線不同，它不是從一點向外發(fā)散的直線，而是在變化著的磁場周圍形成的漩渦狀的封閉曲線，與電流周圍的磁力線的情形相似。據(jù)此，麥克斯韋提出了電磁波的概念。他說，如果空間某處存在一個變化的電場，它將在周圍激發(fā)出一個變化的磁場，這個變化的磁場又在周圍激發(fā)出一個變化的電場，這樣一來，就會出現(xiàn)一連串交替產(chǎn)生，相互激發(fā)，連續(xù)出現(xiàn)的電場和磁場的振動，以原先的變化電場為中心向四面八方傳播，這就是電磁波。電磁波的傳播方向與電場的振動方向和磁場振動方向相互垂直。通過選取適當(dāng)?shù)膯挝?，麥克斯韋推算出電磁波的傳播速度等于光速，這個數(shù)值是一個常數(shù)。他還預(yù)言電磁波也具有如同光一樣的反射和折射等性質(zhì)，光在本質(zhì)上也就是電磁波。麥克斯韋從理論上預(yù)言了電磁波的存在，但那時一些科學(xué)家還不大習(xí)慣“場”這樣的物理圖像，也有一些科學(xué)家對此抱懷疑態(tài)度。德國人赫茲(Heinrich Rudolf Hertz，1857～1894)在他的老師的要求下對這個問題進行研究。經(jīng)過幾年的艱苦努力，終于在1888年初證實了電磁波的存在，表明麥克斯韋的理論完全正確，這時麥克斯韋已離開人世將近十年了。麥克斯韋的工作使電、磁和光這些從前看來相異的現(xiàn)象得到了理論上的統(tǒng)一，實現(xiàn)了人類知識的又一次偉大的綜合，他因此被譽為牛頓以后最偉大的數(shù)學(xué)物理學(xué)家。電磁波原先完全只是理論上的推測，后來才由實驗證實它是客觀的存在，這又一次證明了科學(xué)理論對于認(rèn)識客觀世界的重要意義。電磁理論的建立和電磁波的發(fā)現(xiàn)為無線電技術(shù)奠定了堅實的基礎(chǔ)，使人類社會生活的各個方面都進入了一個新的時代。這也充分表明這時科學(xué)已經(jīng)大大地走在技術(shù)的前頭，成為推動技術(shù)進步的主要杠桿。第四節(jié) 化學(xué)的確立和長足進步在科學(xué)的化學(xué)理論建立之前，人們早已提出過關(guān)于物質(zhì)組成的種種學(xué)說，例如古希臘的四根說、原子論、亞里士多德的元素說等等。在漫長的歷史歲月中，煉金術(shù)士們也積累了不少材料。不過直至16世紀(jì)，人們的化學(xué)知識仍然處于很低的水平，理論上還沒有脫出古代的框架，依然籠罩在煉金術(shù)的迷霧之中。近代化學(xué)的奠基者玻意耳 玻意耳(Robert Boyle，1627～1691)是英國著名科學(xué)家，在物理學(xué)和化學(xué)上都有重要貢獻(xiàn)。他在物理學(xué)方面最重要的貢獻(xiàn)，是他于1662年發(fā)現(xiàn)一定量的氣體在保持溫度不變時它的壓強與體積的變化成反比。因1676年法國科學(xué)家馬略特(Kdm233。 Mariotte，1620～1684)也獨立地發(fā)現(xiàn)了同一定律，馬略特的表述更為完整，后來這個定律就被稱為玻意耳——馬略特定律。在化學(xué)方面，他作了許多實驗研究，提出了關(guān)于物質(zhì)構(gòu)成的學(xué)說和化學(xué)元素的概念。玻意耳的工作使化學(xué)走上了科學(xué)的軌道。過去人們只是把化學(xué)當(dāng)作一種“煉金”或者制藥和冶金的工藝技術(shù)。玻意耳指出，化學(xué)應(yīng)當(dāng)是一門理性科學(xué)，其目標(biāo)在于發(fā)現(xiàn)化學(xué)變化的一般原理，他還認(rèn)為科學(xué)化學(xué)的基礎(chǔ)是實驗和觀察?！翱照劅o濟于事，實驗決定一切?！边@是他的名言。既重視理性思維，又強調(diào)科學(xué)實驗，正是那個時代的科學(xué)精神。1661年玻意耳發(fā)表了科學(xué)史上的名著《懷疑的化學(xué)家》，這部書仿效伽利略的著作以對話的方式寫成。玻意耳所懷疑的不是別的，就是亞里士多德的四元素說和帕拉切爾蘇斯(Paracelsus，1493～1541)的三要素說。玻意耳深受古希臘原子論思想的影響，相信世界上所有物質(zhì)都由一種細(xì)小致密的、不可分割的“原初物體”組成，這些“原初物體”結(jié)合成各種“微?！保缓笪⒘Ｓ忠圆煌男问浇Y(jié)合成各種物質(zhì)，微粒的運動、形狀和配置的狀況決定這些物質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)，微粒是這些物質(zhì)參加化學(xué)反應(yīng)的基本單位。他認(rèn)為沒有必要認(rèn)定某幾種物質(zhì)為“元素”或“要素”。他在這部著作中所表述的元素概念對于化學(xué)成為科學(xué)起了重要的作用。他寫道：“……我現(xiàn)在所談的元素，如同那些談吐最為明確的化學(xué)家所談的要素，是指某些原始的、簡單的物體，或者說完全沒有混雜的物體，它們由于既不能由其他任何物體混成，也不能由它們自身相互混成，所以它們只能是我們所說的完全結(jié)合物的組分，是它們直接復(fù)合成完全結(jié)合物，而完全結(jié)合物最終也將分解成它們?！边@里需要注意的是，當(dāng)時人們還沒有“化合”的概念，玻意耳把“化合”稱為“復(fù)合”或者“混合”，把“化合作用”稱為“混成”，把“化合物”稱為“復(fù)合物”或“完全結(jié)合物”，這也反映廠他的機械論傾向。盡管玻意耳的說法有些含混也不完全正確，但這是第一次以比較明確的語言區(qū)分了化合物和構(gòu)成化合物的單質(zhì)，因此被認(rèn)為是化學(xué)元素概念的最早的科學(xué)表述。玻意耳的思想給了當(dāng)時的學(xué)術(shù)界以新鮮的氣息，不過他的粒子說并不都為那時的科學(xué)界所接受。只有同樣深受原子淪影響的牛頓全盤接受了他的看法。但是，即使是反對他的人也都受到了他的元素概念的影響。玻意耳既反對把化學(xué)當(dāng)作純粹的工藝技術(shù)來對待， 又反對以純粹思辨的方式研究化學(xué)，他強調(diào)要以科學(xué)實驗作為研究化學(xué)的手段，而且身體力行。他改進了許多當(dāng)時常用的化學(xué)儀器，一生設(shè)計和親自做了成百上千個化學(xué)實驗。玻意耳發(fā)現(xiàn)了提取磷的方法，研究過酸和堿的性質(zhì)。他試驗過多種動植物浸液對酸堿的顏色反應(yīng)，注意到所有酸都能使紫羅蘭汁液變成紅色，而所有堿都能將紫羅蘭的汁液變成綠色。由此，他引進了用有機試劑作化學(xué)定性分析的重要手段。他描述子許多檢驗物質(zhì)的方法，除了過去常用的火法檢驗之外，他更注重以物質(zhì)的水溶液來檢驗的方法，這就使化學(xué)分析以利用物質(zhì)的物理性質(zhì)為主向以利用物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)為主轉(zhuǎn)變。玻意耳被公認(rèn)為是化學(xué)定性分析方法的奠基人。燃燒現(xiàn)象雖早已為人所熟知，第一個以實驗方法研究燃燒現(xiàn)象的人則是玻意耳。他曾把金屬密封在玻璃瓶里煅燒，在金屬變成金屬灰(即金屬的氧化物)后開瓶稱量它的重量，發(fā)現(xiàn)金屬灰的重量大于原先的金屬。玻意耳錯誤地以為火也是一種微粒，金屬燃燒后增重是火透過玻璃壁進入金屬內(nèi)部所致。其實，在煅燒過程中，金屬與瓶內(nèi)空氣中的氧化合，因而金屬的氧化物比原先的金屬重。他雖然十分認(rèn)真地作他的實驗，也知道燃燒需要空氣，卻忽略了瓶中空氣對金屬的作用，因而沒能揭開燃燒現(xiàn)象的秘密?！肿訉W(xué)說的誕生從玻意耳到拉瓦錫，化學(xué)科學(xué)終于找到了正確的方向，并且使人們認(rèn)識到實驗方法和定量分析在化學(xué)研究中的重要意義，化學(xué)作為一門科學(xué)從此大踏步地前進了?；瘜W(xué)基本定律的建立 關(guān)于化學(xué)反應(yīng)中的物質(zhì)守恒思想，在拉瓦錫之前已有人提到過，一些化學(xué)家在思考他們的實驗時也在實際上運用，但是把它確立為一條普遍定律則應(yīng)歸功于拉瓦錫。他指出：“無論是人工的或是自然的作用都沒有創(chuàng)造什么東西，物質(zhì)在每一化學(xué)反應(yīng)前的數(shù)量等于反應(yīng)后的數(shù)量，這可以算是一個公理。”拉瓦錫不僅對此作出了明確的表述，而且以他的實驗令人信服地證明了這一定律的正確，從此，化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)守恒定律便被公認(rèn)為化學(xué)的一條基本定律。1792年，德國科學(xué)家里希特(Jeremias Benjamin Richter，1