中外科学家发明家丛书:法拉第_2-第4节
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六、电解定律的创立
发现电磁感应定律后,法拉第又对电现象进行了大量广泛而深入的研
究。他有一个坚定的信念——大自然是统一的、和谐的。
大自然中万物纷呈,变化无穷。电,能生光、生热、生磁,引起各种化
学反应;反过来化学作用也能产生电,磁也能产生电。法拉第以为,所谓的
电、光、热、磁,以及化学亲和力、万有吸引力——这些无所不在、千变万
化的力,实质上是源于大自然的同一的力。它们只不过是名称不同、表现形
式各异罢了。
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根据这个认识,法拉第开始研究电的统一性。到那时候为止,除了雷电
之外,已经发现的有五种不同来源的电——摩擦电、伏打电、热电、动物电
和磁感应电。这五种电有相同的地方,也有不相同的地方。有人认为它们是
同一种东西,有人则认为不是。众说纷纭,莫衷一是。法拉第对这五种电进
行了全面的考察。将电的效应归纳为静电的与电流的两大类;电流的效应又
分为发热、磁、化学分解、生理效应、电火花五种。法拉第根据自己的实验
结果,证明了前三种电有静电与电流的全部效应;动物电显示了生理、磁、
化学等三种效应;热电只显示生理效应和磁效应。他把这几种电间的差别归
因于“电量”和“强度”的不同,而不是本质的不同。于是,法拉第得出了
结论“不论电的来源如何,它们的本性都是相同的。”法拉第用电的同一性
为他的信念——“自然是统一的”提供了有力的论据。
电的同一性研究直接导致法拉第发现了电解定律。
今天我们都知道,物质都是由分子组成的,而分子则由原子组成 (也有
一些单原子分子)。分子是保持物质化学性质的最小颗粒。原子是由带正电
的原子核与带负电的电子组成的,原子间之所以能够化合,就是靠着电的引
力。以上的结论,现在听起来很简单,但却是几代科学家(法拉第就是其中
的一员)耗尽心血,研究、实验、探索,最终才认识到的。
19世纪初,人类对电的研究还很粗浅,对于物质结构与电的关系,更是
茫然无知。电是什么?物质是什么?电、物质结构与化学变化之间又有何关
系?对于这些问题,各国科学家争论不休。有人认为,电就是一种微粒,构
成了物质;有人认为,电是物质微粒的一种振动,就像热那样;有人则提出:
电是流体。德国科学家格罗图斯提出一种假说,认为产生伏打电的伏打电池
实际上是块电磁铁。戴维则主张,电是与分子不可分离的一部分。安培提出
有分子电流存在,并用分子电流来解释了磁铁的磁性,但认为分子电流的电
量是“组成分子的原子分解以后的产物”。德拉里弗却又主张:电和物质是
两种不同的东西,是可以各自独立存在的……
电、分子、化学变化的内部机制,这些都是微观现象,是无法直接观察
到的,要从人们能够观察的宏观现象去推断微观的结构,是相当困难的事,
难免会出现种种混乱与错误。
1832年,法拉第开始从事电化学研究的时候,面临的正是这样的各种理
论纠缠在一起、难以分辨真理与谬误的局面。针对这种情况,法拉第首先了
解各种意见,进行鉴别比较。对每家的理论学说,分别实验,检验其正确与
否和实用价值。对于自己的种种设想,法拉第也是用实验来验证。
走过了许多的弯路、碰了一次又一次的钉子后,法拉第最后终于找到了
研究电化学规律的办法——称量出电极上析出的物质重量,把它与流过电极
的电量进行比较。于是,法拉第试图发明一种能够测量“电”量的大小的仪
器,以确定各种电之间量的关系。但用什么方法来制造这样一种仪器呢?
才思敏捷的法拉第想到了电解方法。电解现象早已发现了,并已被科学
家们用来获取或提炼某些化学元素。法拉第想:电解时分离出来的物质的量
一定是与通电量的多少有关,比如水电解时产生了氢和氧两种气体,那么能
否根据电解时从电极上逸出的气体量的多少,来计算出通过水的电量呢?想
到这些,法拉第又进行了大量的实验。
经过大量实验证实了他的想法:电解时分离出来的物质数量与通电量两
者之间存在着严格的量的关系。于是,电量计创制出来了。同时,一个远比
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电量计更为重要的规律也随之问世了,这就是著名的“法拉第电解定律”。
电解定律是法拉第在研究与发明电量计过程中的意外收获,也可以说是
电量计的副产品,但其重要性却是电量计的千百倍。这如同一个进行潜水锻
炼的爱好者,在进行锻炼,达到了强健体魄目的同时,在水中发现了古代装
满贵重物品的沉船。
电解定律有两条:
一、电解的时候,在电极上析出的物质重量,与通过电极的电量成正比;
二、如果在同时间内通过的电量相同,那么析出的不同物质的化学“克
当量”数相等。(电解一个克当量物质的用电量,叫一个“法拉第”,等于
96484库仑。)
下面,我们就用法拉第实验最多的“水的电解”为例,来说明这两条定
律。
把两片铂做的电极插在水中,通上电流,负极上就会有氢气析出,正极
上则有氧气析出。根据第一定律,两个电极间通过的电流量越大,时间越长,
电极上所析出的氢气与氧气就越多。
为了理解第二定律,先要知道什么叫做当量、克当量、克当量数。再以
水为例。我们知道,每一个水分子是由两个氢原子与一个氧原子组成的,用
结构式表示,就是:H…O…H。而氢(H)的化合价是1,氧(O)的化合价为2;
那么,元素的原子量被化合价除,就是这个元素的当量。如:氢的原子量是
1、化合价也是1,那它的当量就是1;氧的原子量是16、化合价是2,那它
的当量就是8。1克氢称为1个克当量氢,它的克当量数是1;2克氢称为2
个克当量氢,它的克当量数是2;……元素化合成化合物或化合物分解成元
素时,每一元素的重量比等于当量比,所以它们的克当量数就相等。比如电
解9克水,一定得到1克氢与8克氧,氢与氧的克当量数都是1,是相等的。
有了这些关于当量的知识,我们就可以说明法拉第的第二电解定律了。
根据这条定律,要电解出1克当量的氢气(重1克)与1克当量的氧气(重
8克),两片铂电极之间就需要通过一个“法拉第”的电量,也就是96484
库仑。同样,比如铜的当量是31。8,氯的当量是35。5,那么电解氯化铜水溶
液的时候,要得到31。8克铜和35。5克氯气,也需要一个“法拉第”的电量。
生物进化论奠基者达尔文说过:“科学就是整理事实,以便从中得出普
遍的规律或结论。”法拉第电解定律的创立过程,非常清楚地印证了达尔文
的这句名言。电解定律完全是从大量的实验与浩如烟海的实验数据中发现
的,是通过实验数据的汇集、分析、整理和总结得出的规律。法拉第之所以
能够发现这个规律,除了他的坚韧毅力与极为细致、负责的工作态度外,还
缘于他的敏锐观察能力和他对电学与化学两门学科兼通的本领;而他在青少
年时期,在里博的订书铺,通过刻苦自学所打下的坚实的实验能力与电学、
化学知识的基础,无疑也是一个重要的成功因素。
在创立电解定律的过程中,法拉第还制订了一系列新的电化学术语——
电极、阳极、阴极、电解、电离、离子、电化当量……这些术语一直沿用到
今天。法拉第在电化学学科中取得了如此大的成绩,被公认为电化学的先驱。
两条电解定律是电化学的基础,直到今天仍在电解与电镀工业上广泛应用。
另外,法拉第电解定律还有更深一层的意义:它的光芒照亮了半世纪后
电子论的发展道路,为发现原子的内部结构奠定了初步的理论基础。
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七、物理学的革命——场论
物理学中的场论思想也是起源于法拉第。1831年,法拉第作出了他最伟
大的发现——电磁感应。10年研究的愿望一旦实现,他固然感到极度兴奋,
但同时也感到了震惊。因为用当时在物理学界占绝对统治地位的牛顿力学,
已经无法解释电磁感应这个新现象了。
牛顿认为,宇宙空间除了粒子以外什么也没有,而没有粒子的地方则是
一无所有的真空。
“真是一无所有吗?”法拉第对牛顿的说法感到了怀疑。
直觉告诉法拉第,空间不可能真的像牛顿所说的那样,除了以超距作用
相互作用着的粒子以外,什么东西也没有。比如在一根磁棒周围撒一把铁屑,
铁屑就会描画出了一条条曲线。这是因为铁屑在磁棒周围被磁化,变成了无
数个小磁针。它们所指示的方向就是磁棒对小磁针作用力的方向,因为各点
方向不同,所以形成了曲线。法拉第把这些曲线叫做“力线”。他认为:磁
棒周围的空间存在着这种从宏观无法观测到的力线。
古希腊哲学家亚里士多德等人,在讨论磁铁的磁性时就使用过“力线”
这个名称。他们用力线解释磁力,但是并不把它当做实有的东西,也没有给
它下一个确切的定义。而法拉第给力线下了明确的定义,它不仅表示磁力的
方向,还可以表示磁力的大小。他把力线当作实实在在的东西,用力线来思
考问题、解决问题。
在实验中,法拉第使导线在两个磁极中间运动,由于电磁感应的存在,
导线所形成的闭合电路中就产生了感生电流。法拉第认为:如果两个磁极间
的空间真的是“一无所有”的真空,那么导线中的感生电流又是从何而来的
呢?显然,空间并不“空”。两个磁极之间的空间内充满了力线;它们是实
际存在,可以被切割的线。导线的运动如果切割了力线,导线所形成的闭合
电路中就会有感生电流出现;切割的导线越多、速度越快,感生电流就越大;
导线的运动如果不切割力线,电路中也就不会有感生电流产生。
所以,法拉第认识到,不仅磁铁周围的空间有力线,电流周围空间也存
在着力线。磁铁与电流周围的力线指示磁针的受力方向,所以应叫磁力线;
而充满了磁力线的空间应叫磁场。
就这样,法拉第的场论思想诞生了。他突破了牛顿力学的势框,开创了
一项完全不同于以往思想的新的分支学科。牛顿认为,宇宙空间就是一无所
有的真空;法拉第却认为,宇宙空间内充满了场,其中有磁力线、电力线,
如果再考虑到光、热、引力……那场的性质就更加丰富了。牛顿认为,物质
只有一种形态——实物,而实物则是由无数个弹性小球式的粒子构成的;法
拉第则认为,所谓的实物粒子就是力场的中心奇点。牛顿认为,空间与物质
无关;法拉第却“把物质化为‘力的中心’,又把物质有运动倾向的方向性
质化为 ‘物理上实有的力线’。”牛顿学派认为,万有引力、电力、磁力都
是超距作用;法拉第则认为,这些力量以物场为中介,像波一般传递的。牛
顿学派认为,有一种力的存在,就会对应着一种物质,各种力之间没有关系;
法拉第却认为,各种力是统一的,电、磁、光、热、引力都相互联系,可以
在场中相互作用,相互转化。
如果把苍茫的宇宙比做一场戏,那么牛顿所描述的宇宙就是一场古代戏
剧,表演是在空荡荡的广场上进行的,物质在空间运动就如同演员在广场上
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表演,演员与广场彼此间不发生任何关系;而法拉第所描述的宇宙却是一场
近代戏剧,表演是在有背景与道具的舞台上进行的,物质在空间运动就像演
员在舞台上表演,演员的各种表演要与场景的变化交相呼应、融为一�