科学家在探索物质结构方面取得的成就

【专家解说】：在20世纪之前，物理学家对于物质结构的认识还只是观念性的。20世纪前夕的1897年，人类才发了第一个基本粒子——电子。在那以后，物理学家才真正开始了探索微观物质世界的进程。1900年，普朗克提出量子假说，量子论就此诞生。其后，爱因斯坦用光量子理论解了光电效应。1913年，玻尔提出了原子光谱理论，建立了现代意义上的原子模型。在20世纪20年代，矩阵力学、薛定谔方程、泡利不相容原理、海森伯不确定原理和狄拉克电子方程相继提出，为量子力学奠定了基础。这是20世纪物理学史上一场名副其实的革命。 与量子革命几乎同时，爱因斯坦发动了20世纪物理学的另一场革命。1905年，他提出了狭义相对论，把自牛顿以来一直根深蒂固的绝对时空观从物理学中驱逐出去了。1915年，他又提出了广义相对论，从而建立起引力的科学理论。相对论和量子理论一起，成为20世纪物理学的两大基石。40年，量子电动力学诞生，它利用相对论和量子理论对电磁力进行了极为深入的阐述。50年代，发现了弱相互作用的宇称不守恒现象。60年代，夸克模成功建立。60年代末到70年代初，电弱统一理论和量子色动力学相继提出，标准模型正式形成。标准模型是人类认识微观世界的进程中一个重要的分水岭，堪称20世纪物理学的又一场革命 构成物质的最基本的组分。这是一个历史性的名词。随着物理学的进展，在近一世纪内基本粒子的概念经历了几次重大的改变。在20世纪初，随着实验上对原子论的证实，人们认为原子是物质的基本的组分。但随着原子核在1911年的发现及其后中子在1932年的发现，人们认识到原子是由质子、中子和电子构成的，原子不再是物质的基本的组分。在这以后，把光子、电子、中微子、质子、中子和陆续大量发现的介子和共振态粒子称为基本粒子。基本粒子数目的大增加，使人们认识到它们也不可能是最基本的组分。对其中的强子，强子结构模型能很好地统一予以描述。目前认为它们是由夸克构成的。 近来，物理学界倾向于把以前称作基本粒子的物质，统称为粒子（或亚原子粒子）。越来越多的物理学家认为，基本粒子的提法是不正确的，物质结构在不同的能量尺度上有不同的层次，最终的层次很可能不存在。 泛指比原子核小的物质单元，包括电子、中子、质子、光子以及在宇宙射线和高能原子核实验中发现的一系列粒子。已经发现的基本粒子有30余种。一般按其质量大小以及其他性质上的差异基本粒子可分为光子、轻子、介子、重子四类。基本粒子的概念是随着人们对物质结构认识的进展而不断发展的，绝不能把它们看成是物质最后的、最简单的组成单元，实验结果已经显示基本粒子也还有它的内部结构。所以说“基本”只是相对的。但当我们研究讨论有关分子、原子及其结构时还必须从其相关的总体结构及其不可分割的内在联系角度上考虑问题。恩格斯曾指出：“新的原子论和所有以往的原子论的区别，在于它不主张物质只是非连续的，而主张各个不同阶段的各个非连续部分是各种不同的关节点，这些关节点决定一般物质的各种不同质的存在形式”。（《自然辩证法》人民出版社1971年版269页）这句话充分道明了从基本粒子、原子、分子、物体到天体……都各自具有其存在的关节点（或“度”）。唯物辩证法认为，世界一切事物既包含相对的方面（即有条件的、特殊的、有限的方面），又包含有绝对方面（即无条件的、普遍的、无限的方面）。相对和绝对永远是辩证的统一。 二十世纪的化学化学是一门建立在实验基础上的科学，实验与理论一直是化学研究中相互依赖、彼此促进的两个方面。进入20世纪以后，由于受到自然科学其他学科发展的影响，并广泛地应用了当代科学的理论、技术和方法，化学在认识物质的组成、结构、合成和测试等方面都有了长足的进展，而且在理论方面取得了许多重要成果。在无机化学、分析化学、有机化学和物理化学四大分支学科的基础上产生了新的化学分支学科。 近代物理的理论和技术、数学方法及计算机技术在化学中的应用，对现代化学的发展起了很大的推动作用。19世纪末，电子、X射现和放射性的发现为化学在20世纪的重大进展创造了条件。 在结构化学方面，由于电子的发现开始并确立的现代的有核原子模型，不仅丰富和深化了对元素周期表的认识，而且发展了分子理论。应用量子力学研究分子结构，产生了量子化学。 从氢分子结构的研究开始，逐步揭示了化学键的本质，先后创立了价键理论、分子轨道理论和佩位场理论。化学反应理论也随着深入到微观境界。应用X射现作为研究物质结构的新分析手段，可以洞察物质的晶体化学结构。测定化学立体结构的衍射方法，有X射线衍射、电子衍射和中子衍射等方法。其中以X射线衍射法的应用所积累的精密分子立体结构信息最多。 研究物质结构的谱学方法也由可见光谱、紫外光谱、红外光谱扩展到核磁共振谱、电子自选共振谱、光电子能谱、射线共振光谱、穆斯堡尔谱等，与计算机联用后，积累大量物质结构与性能相关的资料，正由经验向理论发展。电子显微镜放大倍数不断提高，人们以可直接观察分子的结构。 经典的元素学说由于放射性的发现而产生深刻的变革。从放射性衰变理论的创立、同位素的发现到人工核反应和核裂变的实现、氘的发现、中子和正电子及其它基本粒子的发现，不仅是人类的认识深入到亚原子层次，而且创立了相应的实验方法和理论；不仅实现了古代炼丹家转变元素的思想，而且改变了人的宇宙观。 作为20世纪的时代标志，人类开始掌握和使用核能。放射化学和核化学等分支学科相继产生，并迅速发展；同位素地质学、同位素宇宙化学等交叉学科接踵诞生。元素周期表扩充了，以有109号元素，并且正在探索超重元素以验证元素“稳定岛假说”。与现代宇宙学相依存的元素起源学说和与演化学说密切相关的核素年龄测定等工作，都在不断补充和更新元素的观念。 在化学反应理论方面，由于对分子结构和化学键的认识的提高，经典的、统计的反应理论以进一步深化，在过渡态理论建立后，逐渐向微观的反应理论发展，用分子轨道理论研究微观的反应机理，并逐渐建立了分子轨道对称守恒定律和前线轨道理论。分子束、激光和等离子技术的应用，使得对不稳定化学物种的检测和研究成为现实，从而化学动力学已有可能从经典的、统计的宏观动力学深入到单个分子或原子水平的微观反应动力学。 计算机技术的发展，使得分子、电子结构和化学反映的量子化学计算、化学统计、化学模式识别，以及大规模术技的处理和综合等方面，都得到较大的进展，有的已经逐步进入化学教育之中。关于催化作用的研究，以提出了各种模型和理论，从无机催化进入有机催化和僧物催化，开始从分子微观结构和尺寸的角度核生物物理有机化学的角度，来研究酶类的作用和酶类的结构与其功能的关系。 分析方法和手段是化学研究的基本方法和手段。一方面，经典的成分和组成分析方法仍在不断改进，分析灵敏度从常量发展到微量、超微量、痕量；另一方面，发展初许多新的分析方法，可深入到进行结构分析，构象测定，同位素测定，各种活泼中间体如自由基、离子基、卡宾、氮宾、卡拜等的直接测定，以及对短寿命亚稳态分子的检测等。分离技术也不断革新，离子交换、膜技术、色谱法等等。 合成各种物质，是化学研究的目的之一。在无机合成方面，首先合成的是氨。氨的合成不仅开创了无机合成工业，而且带动了催化化学，发展了化学热力学和反应动力学。后来相继合成的有红宝石、人造水晶、硼氢化合物、金刚石、半导体、超导材料和二茂铁等配位化合物。 在电子技术、核工业、航天技术等现代工业技术的推动下，各种超纯物质、新型化合物和特殊需要的材料的生产技术都得到了较大发展。稀有气体化合物的合成成功又向化学家提出了新的挑战，需要对零族元素的化学性质重新加以研究。无机化学在与有机化学、生物化学、物理化学等学科相互渗透中产生了有机金属化学、生物无机化学、无机固体化学等新兴学科。 酚醛树脂的合成，开辟了高分子科学领域。20世纪30年代聚酰胺纤维的合成，使高分子的概念得到广泛的确认。后来，高分子的合成、结构和性能研究、应用三方面保持互相配合和促进，使高分子化学得以迅速发展。 各种高分子材料合成和应用，为现代工农业、交通运输、医疗卫生、军事技术，以及人们衣食住行各方面，提供了多种性能优异而成本较低的重要材料，成为现代物质文明的重要标志。高分子工业发展为化学工业的重要支柱。 20世纪是有机合成的黄金时代。化学的分离手段和结构分析方法已经有了很大发展，许多天然有机化合物的结构问题纷纷获得圆满解决，还发现了许多新的重要的有机反应和专一性有机试剂，在此基础上，精细有机合成，特别是在不对称合成方面取得了很大进展。 一方面，合成了各种有特种结构和特种性能的有机化合物；另一方面，合成了从不稳定的自由基到有生物活性的蛋白质、核酸等生命基础物质。有机化学家还合成了有复杂结构的天然有机化合物和有特效的药物。这些成就对促进科学的发展起了巨大的作用；为合成有高度生物活性的物质，并与其他学科协同解决有生命物质的合成问题及解决前生命物质的化学问题等，提供了有利的条件。 20世纪以来，化学发展的趋势可以归纳为：有宏观向微观、有定性向定量、有稳定态向亚稳定态发展，由经验逐渐上升到理论，再用于指导设计和开创新的研究。一方面，为生产和技术部门提供尽可能多的新物质、新材料；另一方面，在与其它自然科学相互渗透的进程中不断产生新学科，并向探索生命科学和宇宙起源的方向发展。