原子与元素
除了原子和空虚的空间，不存在任何东西，刚的说法都只是意见而已。
——德谟克利特（Democritus，约公元前460—前370）
当道尔顿沿着曼彻斯特周围的小山坡进行每天的散步时，他戴的宽沿黑帽和穿的深色衣服，与北英格兰的灰暗天空形成强烈对比。随着工业化进程的推进，城市烟囱里冒出来的烟和荒野阴湿的雾相混合，道尔顿发展原子理论，而首先提出原子论的是古希腊哲人德谟克利特。道尔顿对原子概念的重新审视为19世纪科学家打开了许多前行通道。道尔顿小心翼翼地测量了这一天气现象，并且注意到兰开夏郡气候发生的连续变化，他不仅对大气作研究，而且完成了许多实验。在他的邻居看来，他似乎是一个奇怪而孤独的人。但是对于科学来说，这位几乎没受过什么教育、离群索居、特立独行的贵格会信徒却是19世纪初伟大的人物之一，他提出了近代科学最基本的理论之一，这个理论将成为近代化学和近代物理学的基础。
道尔顿享有重建古代原子论的盛誉，他是在1803年一篇论文的结尾时首次提及这一理论，到1826年，他的名声已经广为传扬。这一年，在英国颇负声望的科学家学会——皇家学会——的会议上，化学家、物理学家戴维（我们将在本章后面提到他）声称：
“道尔顿先生的不朽荣誉在于，他发现了普遍适用于化学事实的简单原理……从而奠定了未来工作的基础……他的功绩将与开普勒在天文学的功绩并辉。”
然而，道尔顿并非第一个提出这一思想的人。
自然界的基本单位
古人曾经猜测，所有物质都是由几种基本元素构成的。希腊人认为是四种基本物质，他们称之为元素：空气、火、水和土。信仰阿育吠陀哲学的印度人从希腊引进了四元素理论，古中国的道家则提出了相生相克的五行理论，五行者，金、木、水、火、土也。
但是，大多数古代哲学并没有包括原子思想。公元前5世纪有一位希腊思想家名叫留基伯，想知道如果把物质分成尽可能小的粒子会是怎样。例如，如果把一块石头一分为二，然后再一分为二，依次进行，很快（比你想象的要快）就分成了碎屑。你还能把碎屑一分为二吗？能，留基伯回答（尽管据我们所知，他并没有再分）。你究竟能分到什么程度？留基伯想，最终你也许会得到最小粒子，而这一假想的微小物体，小到无法看见，他称之为原子（atom），这是一个希腊字，表示“不能分的”。
他的学生德谟克利特，在留基伯的基础上继续发展原子论，坚持认为原子之间除了虚空没有任何东西，所有事物，包括人的意识，都是原子组成的，原子根据自然定律机械地运动。这些想法今天听起来似曾相识，但是，留基伯和德谟克利特得出这一结论，不是靠实验，而是像希腊人经常做的那样，靠的是推理。后来的阿拉伯科学家拉泽斯也持类似于德谟克利特的原子理论，并且主张是原子构成了四种元素。到了11世纪，印度的科学家发展了一种独特的原子理论，可以两个原子结合成一组，也可以三个结合成一组。
17世纪，胡克认为，容器（如气球）的器壁受到的气体压力，也许是周围原子的随机碰撞引起的。他的同代人波义耳早就认识到，气体也许是理解原子的关键所在（他喜欢把原子叫做“微粒”）。他用一支U形管做的著名实验证明空气可以被压缩。他认为对此的恰当解释可以是这样：气体中的原子平常被虚空远远分开，然而在压力作用下却彼此靠近了。然而，它并没有证明原子的存在，因为其他各种解释对此也能成立。
后来18世纪的科学家发现，水是由氢和氧这两种元素组成（因此水不是元素）。他们还发现了我们现在称之为氧、氮和二氧化碳的气体，他们称之为不同类型的“空气”。当时还发现了其他一些元素，因此古代的元素观（包括元素的数目以及特性）似乎不再有效。但是所有物质都是由数目相对较少的元素组成这一基本观念仍然有效。
然而，原子论起初不被大多数科学家看好。因为两位有影响的希腊思想家柏拉图和亚里士多德并不同意留基伯和德谟克利特的思想。虽然存在少数持异议者，但他们并没有拿出令人信服的实验证据来证明原子的存在。
“新化学”
因此，早在道尔顿出场之前，原子论已经存在很长的时间，但从未有人找到一条途径来提供实验事实，证明这一不可见的基本单元确实存在。也从未有人找到一种方法来解释迄今已知不同物质所具有的不同化学特性。
然而，来自其他方面的途径为化学奠定了基础。拉瓦锡、普里斯特利和布莱克证明，化学也和物理学一样，测量方法至关重要。主要通过在实验前后的称重，他们得到了定量的实验结果，并且证明在定量分析的基础上可以建立完善的理论和结论。
拉瓦锡还发展了后来所谓的物质守恒定律——意思是物质不可能创生，也不可能消灭，仅仅可以转变。他还提出，化学元素就是用化学方法不能再细分的物质。18世纪末，化学家又发现了一大堆以前从不知道的新元素。
但是，只有道尔顿的原子理论才能为这些现象背后的结构提供解释。
道尔顿的原子
年轻时的道尔顿，似乎并未显示出他有震撼科学界的能力。他不是一位伟大的实验家，既无出众才华，也不善辞令，因而他没有机会上“最好”的学校。小学时上的是只有一间教室的学校，但令人惊讶的是，12岁时他接管了这所学校的整个教学。在空余时间，他自学过牛顿和波义耳的书。此后不久，道尔顿开办了自己的学校，但是他讲课欠佳，3年后就关闭了，因为所有的学生都离开了。
道尔顿和当时的许多科学家不一样，他在演讲方面很少取得成功。他带有粗俗的乡村口音，生硬的表达方式少有魅力，因此无法以演讲谋生，只能靠辅导和教学维持生活，同时把所有业余时间都放在科学兴趣上。（每当有人问他为什么不结婚时，他总是冷淡地回答：“我没有时间，我的头脑全是三角形、化学过程和电学实验，哪有时间去想其他事情。”）
他是贵格会教徒，严格遵守穿着简单的宗教习惯，这也许和他的色盲症有关，他只能选暗色服装。
道尔顿毅力非凡，做事有条不紊，具有百折不挠的精神和强烈的好奇心。他从1787年起写气象日记，毕生坚持，他对气体的研究作出了好几项贡献，他第一次对原子理论作出了清晰的叙述，这一切都是为了坚持不懈地钻研自然奥秘。
到18世纪末，空气的本质和它的组成仍然有许多未解之谜，道尔顿对此极感兴趣。就在他一生的日常散步中，他就作了几乎200000次气象观察，最后一次是在他78岁去世的那天。可以说，对气象的研究导致他涉及气体及其组成的研究。
空气大体上是由氧、氮和水蒸气组成的，这已经知道，但是为什么这一混合物有时很难分离呢？为什么更重的气体氮，不沉在容器的底部，或同样，沉在大气更低的区域呢？道尔顿用一个简单的自制装置，称量了组成空气的不同元素，得出了重要结论。
道尔顿发现，气体混合物的重量等同于各个成分单独测量时重量之和。他这样解释：
“当分别标记为A和B的两种弹性流体（气体）混合在一起时，它们的粒子相互间没有排斥力；A粒子之间互相排斥，但不排斥B粒子。因此，作用于任一粒子上的压力或总重，完全来自与它相同的粒子。”
这就是所谓的道尔顿分压定律（1801年发表），这一说法基本上可以归结为如下的思想：混合物中的不同气体相互不受影响。或者：气体混合物的总压强是每种气体单独存在时的压强之和。道尔顿当然知道波义耳对气体的工作，这一新的信息显然更明确地指向这样的想法：气体是由看不见的微粒组成的。
但是他继续往下想这个问题。是不是所有的物质——不只是气体——都是由这样的粒子组成的呢？普鲁斯特（Joseph Louis Proust，1754—1826）在1788年曾经指出，物质往往以整的单元组合。也就是说，化合物能够以4：3或者以8：1的比例结合。但是，化学反应却不会按，比如，8673克氧和117克氢的比例进行。一种方式可以解释这一所谓的定比定律，就是假设每种元素都是由微粒组成，为了尊重德谟克利特，道尔顿把这种微粒称为“原子”。（这个名称有点混淆，因为我们现在知道，道尔顿当然不会知道，原子并不真是“不可分的”。它们也是由看似不可分的更微小的粒子组成的。正因为这个原因，现在许多科学家宁可把道尔顿的原子称为“化学原子”。）道尔顿还建议，不同化学物质的原子是不一样的，某些早期原子论者也有这样的看法。但是并不像德谟克利特认为的那样，不同物质的原子只是形状上的差别。道尔顿注意到，它们的差别在于重量，他还确定了一个事实，即每种元素都有自己特定的重量。
Dalton"s 1808 symbols and formulaeHydrogenSodaAmmoniaNitrogenPot AshOlefiantCarbonOxygenCarbonic OxideSulphurCopperCarbonic AcidPhosphorusleadAluminaWaterSulphuric Acid
道尔顿给每一个元素设计了一个新符号，按原子量的上升次序排列，原子量是他自己根据以氢原子的原子量为1的概念计算的。
1803年9月，道尔顿以氢的重量为1作为基础，其他所有元素都是这个重量的倍数，提出第一份原子量表。后来，他又对此表进行扩充，使之包括21个元素。
由于道尔顿的工作，化学家开始认识到存在不同类型的原子，任何一种元素的原子都是相似的，具有与其他元素的原子不同的特殊性质和相对重量。
道尔顿进一步论证道，看来，两个元素可以化合成不止一种化合物。例如，碳和氧可以化合成今天我们所谓的一氧化碳，还可以化合成二氧化碳。但是，它们是以不同的比例化合，却仍然是整数（按重量，二氧化碳是3：4）。道尔顿猜测，一氧化碳也许正好是一个碳粒子与一个氧粒子化合（四个碳粒子的重量等于三个氧粒子的重量）。他估计，二氧化碳则是一个碳粒子与两个氧粒子结合（这个假说后来得到了验证）。这就是所谓的倍比定律，道尔顿于1804年发表。一位名叫希金斯（William Higgins，1763—1825）的科学家在1789年曾提出过这一思想，但是没有实验证据，直到道尔顿的出现。道尔顿的许多同事对这一定律感到兴奋，因为它使原子理论更容易被人们接受。
道尔顿敢于提出这一想法，是因为他注意到当元素组成化合物时，一种元素的一个或多个原子与来自另一元素的一个或多个原子结合形成一份化合物。例如，一份水总是由一份氧和两份氢组合而成。一份水的重量与两个氢原子加一个氧原子的重量相等。道尔顿测试了几十种化合物，总是得到同样的结果。
道尔顿的原子理论有可能解释各种元素是怎样形成化合物的。他说，原子集合在一起组成其他物质，在这一过程中，它们总是一个与一个，或者一个与两个或更多个，以整数的，而不是分离的方式化合——形成其他物质。
1808年，在《化学哲学新体系》（New System of Chemical Philosophy）一书中，道尔顿发表了这一思想。他声称，原子是化学元素的基本单元，每种化学原子都有自己的特定重量。
他写道：
“物体有三种不同的类型，或者三种状态，即所谓的弹性流体（即气体）、液体和固体，这已得到哲学化学家的注意。一个显著的例子就是水，水作为一种物体，在一定的条件下，就有这三种状态。我们认为，水蒸气是一种完全的弹性流体，水是完全的液体，而冰则是完全的固体。不言而喻，这些观察已经导致这一普遍被接受的结论，即：所有大小可感知的物体，不论是液体还是固体，都是由大量极小的粒子组成的，或者是被一种吸引力束缚在一起的原子所组成，吸引力的强弱视环境而定。……”
他继续解释，化学分解和合成只不过是这些粒子的重新组合——把它们相互分开，或者把它们结合在一起。正如拉瓦锡所说，在这一过程中，物质从不会被创生，也不会被消灭。道尔顿宣称：“我们可以产生的所有变化，仅仅在于把处于凝聚或者结合状态的粒子分开，以及把以前分开的再结合在一起。”这些见解就是今天仍然有效。
道尔顿的原子论正是在别人失败之处取得了成功，这是因为他提供了一种能够作出明确预言的模型。当然，他的理论中有些内容后来被抛弃了，但是，其核心内容保存了下来，这就是：每个原子都有特定的质量，在化学反应中元素的原子保持不变。
沿着这条路，道尔顿还引出了其他一些发现。他第一个发表这一结论：当一种气体与另一种气体在同样的温度下被加热至同一温度时，它们的膨胀率相等。他在1794年发表的文章中首次描述了色盲。
1833年，道尔顿的仰慕者和朋友们共同出资为道尔顿建立一座雕像。雕像坐落在曼彻斯特皇家研究所的前面。一些享有盛誉的学会给他荣誉，包括伦敦的皇家学会和巴黎的科学院。1832年，当他获得牛津大学的博士学位时，有幸晋见了英国国王。当时仪式上唯一的问题是要求他必须穿上宫廷服装，还要佩带一把剑，而这就直接违背了他所信奉的宗教的和平主义原则。但是最终他和英国的显贵人士达成了妥协，他可以穿牛津的外套，至于佩剑问题则不必强求。他或许知道，或许不知道，牛津的外套是鲜红色的——仍然与贵格会的习俗相违背。但是在这位色盲科学家看来，外套是灰色的。
道尔顿1844年去世，由于在原子理论和气体行为方面的工作，他受到了人们高度尊重。出殡那天，四万多人排列在街道两旁为他送行，他们再也不能作为学生进入他的课堂了。在道尔顿的一生中，他所取得的成就为19世纪物理学和化学的伟大进展提供了准备。足够幸运的是，他看到了人们对他贡献的认可。
电的连接
我们还会回到化学中原子和元素的传奇故事，不过，现在先到意大利，在博洛尼亚大学生物学教授伽伐尼（Luigi Galvani，1737—1798）的实验室作短暂停留。这是1771年的夏天，实验室里脏乱不堪，木桌上零乱地放着几十对青蛙腿（据某些记载，可能是用来做一盆汤）。
伽伐尼研究电如何影响动物神经和肌肉。伽伐尼是解剖学家和医生，不是物理学家。不知什么原因，伽伐尼突然想试试用起电机的火花来刺激蛙腿的肌肉。他发现这时蛙腿会发生痉挛。
