科學(xué)家在探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)方面取得的成就

【專家解說(shuō)】：在20世紀(jì)之前，物理學(xué)家對(duì)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)還只是觀念性的。20世紀(jì)前夕的1897年，人類才發(fā)了第一個(gè)基本粒子——電子。在那以后，物理學(xué)家才真正開(kāi)始了探索微觀物質(zhì)世界的進(jìn)程。1900年，普朗克提出量子假說(shuō)，量子論就此誕生。其后，愛(ài)因斯坦用光量子理論解了光電效應(yīng)。1913年，玻爾提出了原子光譜理論，建立了現(xiàn)代意義上的原子模型。在20世紀(jì)20年代，矩陣力學(xué)、薛定諤方程、泡利不相容原理、海森伯不確定原理和狄拉克電子方程相繼提出，為量子力學(xué)奠定了基礎(chǔ)。這是20世紀(jì)物理學(xué)史上一場(chǎng)名副其實(shí)的革命。 與量子革命幾乎同時(shí)，愛(ài)因斯坦發(fā)動(dòng)了20世紀(jì)物理學(xué)的另一場(chǎng)革命。1905年，他提出了狹義相對(duì)論，把自牛頓以來(lái)一直根深蒂固的絕對(duì)時(shí)空觀從物理學(xué)中驅(qū)逐出去了。1915年，他又提出了廣義相對(duì)論，從而建立起引力的科學(xué)理論。相對(duì)論和量子理論一起，成為20世紀(jì)物理學(xué)的兩大基石。40年，量子電動(dòng)力學(xué)誕生，它利用相對(duì)論和量子理論對(duì)電磁力進(jìn)行了極為深入的闡述。50年代，發(fā)現(xiàn)了弱相互作用的宇稱不守恒現(xiàn)象。60年代，夸克模成功建立。60年代末到70年代初，電弱統(tǒng)一理論和量子色動(dòng)力學(xué)相繼提出，標(biāo)準(zhǔn)模型正式形成。標(biāo)準(zhǔn)模型是人類認(rèn)識(shí)微觀世界的進(jìn)程中一個(gè)重要的分水嶺，堪稱20世紀(jì)物理學(xué)的又一場(chǎng)革命 構(gòu)成物質(zhì)的最基本的組分。這是一個(gè)歷史性的名詞。隨著物理學(xué)的進(jìn)展，在近一世紀(jì)內(nèi)基本粒子的概念經(jīng)歷了幾次重大的改變。在20世紀(jì)初，隨著實(shí)驗(yàn)上對(duì)原子論的證實(shí)，人們認(rèn)為原子是物質(zhì)的基本的組分。但隨著原子核在1911年的發(fā)現(xiàn)及其后中子在1932年的發(fā)現(xiàn)，人們認(rèn)識(shí)到原子是由質(zhì)子、中子和電子構(gòu)成的，原子不再是物質(zhì)的基本的組分。在這以后，把光子、電子、中微子、質(zhì)子、中子和陸續(xù)大量發(fā)現(xiàn)的介子和共振態(tài)粒子稱為基本粒子?；玖Ｗ訑?shù)目的大增加，使人們認(rèn)識(shí)到它們也不可能是最基本的組分。對(duì)其中的強(qiáng)子，強(qiáng)子結(jié)構(gòu)模型能很好地統(tǒng)一予以描述。目前認(rèn)為它們是由夸克構(gòu)成的。 近來(lái)，物理學(xué)界傾向于把以前稱作基本粒子的物質(zhì)，統(tǒng)稱為粒子（或亞原子粒子）。越來(lái)越多的物理學(xué)家認(rèn)為，基本粒子的提法是不正確的，物質(zhì)結(jié)構(gòu)在不同的能量尺度上有不同的層次，最終的層次很可能不存在。 泛指比原子核小的物質(zhì)單元，包括電子、中子、質(zhì)子、光子以及在宇宙射線和高能原子核實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的一系列粒子。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的基本粒子有30余種。一般按其質(zhì)量大小以及其他性質(zhì)上的差異基本粒子可分為光子、輕子、介子、重子四類?；玖Ｗ拥母拍钍请S著人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的進(jìn)展而不斷發(fā)展的，絕不能把它們看成是物質(zhì)最后的、最簡(jiǎn)單的組成單元，實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)顯示基本粒子也還有它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。所以說(shuō)“基本”只是相對(duì)的。但當(dāng)我們研究討論有關(guān)分子、原子及其結(jié)構(gòu)時(shí)還必須從其相關(guān)的總體結(jié)構(gòu)及其不可分割的內(nèi)在聯(lián)系角度上考慮問(wèn)題。恩格斯曾指出：“新的原子論和所有以往的原子論的區(qū)別，在于它不主張物質(zhì)只是非連續(xù)的，而主張各個(gè)不同階段的各個(gè)非連續(xù)部分是各種不同的關(guān)節(jié)點(diǎn)，這些關(guān)節(jié)點(diǎn)決定一般物質(zhì)的各種不同質(zhì)的存在形式”。（《自然辯證法》人民出版社1971年版269頁(yè)）這句話充分道明了從基本粒子、原子、分子、物體到天體……都各自具有其存在的關(guān)節(jié)點(diǎn)（或“度”）。唯物辯證法認(rèn)為，世界一切事物既包含相對(duì)的方面（即有條件的、特殊的、有限的方面），又包含有絕對(duì)方面（即無(wú)條件的、普遍的、無(wú)限的方面）。相對(duì)和絕對(duì)永遠(yuǎn)是辯證的統(tǒng)一。 二十世紀(jì)的化學(xué)化學(xué)是一門建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的科學(xué)，實(shí)驗(yàn)與理論一直是化學(xué)研究中相互依賴、彼此促進(jìn)的兩個(gè)方面。進(jìn)入20世紀(jì)以后，由于受到自然科學(xué)其他學(xué)科發(fā)展的影響，并廣泛地應(yīng)用了當(dāng)代科學(xué)的理論、技術(shù)和方法，化學(xué)在認(rèn)識(shí)物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、合成和測(cè)試等方面都有了長(zhǎng)足的進(jìn)展，而且在理論方面取得了許多重要成果。在無(wú)機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)和物理化學(xué)四大分支學(xué)科的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了新的化學(xué)分支學(xué)科。 近代物理的理論和技術(shù)、數(shù)學(xué)方法及計(jì)算機(jī)技術(shù)在化學(xué)中的應(yīng)用，對(duì)現(xiàn)代化學(xué)的發(fā)展起了很大的推動(dòng)作用。19世紀(jì)末，電子、X射現(xiàn)和放射性的發(fā)現(xiàn)為化學(xué)在20世紀(jì)的重大進(jìn)展創(chuàng)造了條件。 在結(jié)構(gòu)化學(xué)方面，由于電子的發(fā)現(xiàn)開(kāi)始并確立的現(xiàn)代的有核原子模型，不僅豐富和深化了對(duì)元素周期表的認(rèn)識(shí)，而且發(fā)展了分子理論。應(yīng)用量子力學(xué)研究分子結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了量子化學(xué)。 從氫分子結(jié)構(gòu)的研究開(kāi)始，逐步揭示了化學(xué)鍵的本質(zhì)，先后創(chuàng)立了價(jià)鍵理論、分子軌道理論和佩位場(chǎng)理論。化學(xué)反應(yīng)理論也隨著深入到微觀境界。應(yīng)用X射現(xiàn)作為研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的新分析手段，可以洞察物質(zhì)的晶體化學(xué)結(jié)構(gòu)。測(cè)定化學(xué)立體結(jié)構(gòu)的衍射方法，有X射線衍射、電子衍射和中子衍射等方法。其中以X射線衍射法的應(yīng)用所積累的精密分子立體結(jié)構(gòu)信息最多。 研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的譜學(xué)方法也由可見(jiàn)光譜、紫外光譜、紅外光譜擴(kuò)展到核磁共振譜、電子自選共振譜、光電子能譜、射線共振光譜、穆斯堡爾譜等，與計(jì)算機(jī)聯(lián)用后，積累大量物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能相關(guān)的資料，正由經(jīng)驗(yàn)向理論發(fā)展。電子顯微鏡放大倍數(shù)不斷提高，人們以可直接觀察分子的結(jié)構(gòu)。 經(jīng)典的元素學(xué)說(shuō)由于放射性的發(fā)現(xiàn)而產(chǎn)生深刻的變革。從放射性衰變理論的創(chuàng)立、同位素的發(fā)現(xiàn)到人工核反應(yīng)和核裂變的實(shí)現(xiàn)、氘的發(fā)現(xiàn)、中子和正電子及其它基本粒子的發(fā)現(xiàn)，不僅是人類的認(rèn)識(shí)深入到亞原子層次，而且創(chuàng)立了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法和理論；不僅實(shí)現(xiàn)了古代煉丹家轉(zhuǎn)變?cè)氐乃枷耄腋淖兞巳说挠钪嬗^。 作為20世紀(jì)的時(shí)代標(biāo)志，人類開(kāi)始掌握和使用核能。放射化學(xué)和核化學(xué)等分支學(xué)科相繼產(chǎn)生，并迅速發(fā)展；同位素地質(zhì)學(xué)、同位素宇宙化學(xué)等交叉學(xué)科接踵誕生。元素周期表擴(kuò)充了，以有109號(hào)元素，并且正在探索超重元素以驗(yàn)證元素“穩(wěn)定島假說(shuō)”。與現(xiàn)代宇宙學(xué)相依存的元素起源學(xué)說(shuō)和與演化學(xué)說(shuō)密切相關(guān)的核素年齡測(cè)定等工作，都在不斷補(bǔ)充和更新元素的觀念。 在化學(xué)反應(yīng)理論方面，由于對(duì)分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的認(rèn)識(shí)的提高，經(jīng)典的、統(tǒng)計(jì)的反應(yīng)理論以進(jìn)一步深化，在過(guò)渡態(tài)理論建立后，逐漸向微觀的反應(yīng)理論發(fā)展，用分子軌道理論研究微觀的反應(yīng)機(jī)理，并逐漸建立了分子軌道對(duì)稱守恒定律和前線軌道理論。分子束、激光和等離子技術(shù)的應(yīng)用，使得對(duì)不穩(wěn)定化學(xué)物種的檢測(cè)和研究成為現(xiàn)實(shí)，從而化學(xué)動(dòng)力學(xué)已有可能從經(jīng)典的、統(tǒng)計(jì)的宏觀動(dòng)力學(xué)深入到單個(gè)分子或原子水平的微觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得分子、電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)反映的量子化學(xué)計(jì)算、化學(xué)統(tǒng)計(jì)、化學(xué)模式識(shí)別，以及大規(guī)模術(shù)技的處理和綜合等方面，都得到較大的進(jìn)展，有的已經(jīng)逐步進(jìn)入化學(xué)教育之中。關(guān)于催化作用的研究，以提出了各種模型和理論，從無(wú)機(jī)催化進(jìn)入有機(jī)催化和僧物催化，開(kāi)始從分子微觀結(jié)構(gòu)和尺寸的角度核生物物理有機(jī)化學(xué)的角度，來(lái)研究酶類的作用和酶類的結(jié)構(gòu)與其功能的關(guān)系。 分析方法和手段是化學(xué)研究的基本方法和手段。一方面，經(jīng)典的成分和組成分析方法仍在不斷改進(jìn)，分析靈敏度從常量發(fā)展到微量、超微量、痕量；另一方面，發(fā)展初許多新的分析方法，可深入到進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，構(gòu)象測(cè)定，同位素測(cè)定，各種活潑中間體如自由基、離子基、卡賓、氮賓、卡拜等的直接測(cè)定，以及對(duì)短壽命亞穩(wěn)態(tài)分子的檢測(cè)等。分離技術(shù)也不斷革新，離子交換、膜技術(shù)、色譜法等等。 合成各種物質(zhì)，是化學(xué)研究的目的之一。在無(wú)機(jī)合成方面，首先合成的是氨。氨的合成不僅開(kāi)創(chuàng)了無(wú)機(jī)合成工業(yè)，而且?guī)?dòng)了催化化學(xué)，發(fā)展了化學(xué)熱力學(xué)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。后來(lái)相繼合成的有紅寶石、人造水晶、硼氫化合物、金剛石、半導(dǎo)體、超導(dǎo)材料和二茂鐵等配位化合物。 在電子技術(shù)、核工業(yè)、航天技術(shù)等現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的推動(dòng)下，各種超純物質(zhì)、新型化合物和特殊需要的材料的生產(chǎn)技術(shù)都得到了較大發(fā)展。稀有氣體化合物的合成成功又向化學(xué)家提出了新的挑戰(zhàn)，需要對(duì)零族元素的化學(xué)性質(zhì)重新加以研究。無(wú)機(jī)化學(xué)在與有機(jī)化學(xué)、生物化學(xué)、物理化學(xué)等學(xué)科相互滲透中產(chǎn)生了有機(jī)金屬化學(xué)、生物無(wú)機(jī)化學(xué)、無(wú)機(jī)固體化學(xué)等新興學(xué)科。 酚醛樹(shù)脂的合成，開(kāi)辟了高分子科學(xué)領(lǐng)域。20世紀(jì)30年代聚酰胺纖維的合成，使高分子的概念得到廣泛的確認(rèn)。后來(lái)，高分子的合成、結(jié)構(gòu)和性能研究、應(yīng)用三方面保持互相配合和促進(jìn)，使高分子化學(xué)得以迅速發(fā)展。 各種高分子材料合成和應(yīng)用，為現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事技術(shù)，以及人們衣食住行各方面，提供了多種性能優(yōu)異而成本較低的重要材料，成為現(xiàn)代物質(zhì)文明的重要標(biāo)志。高分子工業(yè)發(fā)展為化學(xué)工業(yè)的重要支柱。 20世紀(jì)是有機(jī)合成的黃金時(shí)代?；瘜W(xué)的分離手段和結(jié)構(gòu)分析方法已經(jīng)有了很大發(fā)展，許多天然有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)問(wèn)題紛紛獲得圓滿解決，還發(fā)現(xiàn)了許多新的重要的有機(jī)反應(yīng)和專一性有機(jī)試劑，在此基礎(chǔ)上，精細(xì)有機(jī)合成，特別是在不對(duì)稱合成方面取得了很大進(jìn)展。 一方面，合成了各種有特種結(jié)構(gòu)和特種性能的有機(jī)化合物；另一方面，合成了從不穩(wěn)定的自由基到有生物活性的蛋白質(zhì)、核酸等生命基礎(chǔ)物質(zhì)。有機(jī)化學(xué)家還合成了有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的天然有機(jī)化合物和有特效的藥物。這些成就對(duì)促進(jìn)科學(xué)的發(fā)展起了巨大的作用；為合成有高度生物活性的物質(zhì)，并與其他學(xué)科協(xié)同解決有生命物質(zhì)的合成問(wèn)題及解決前生命物質(zhì)的化學(xué)問(wèn)題等，提供了有利的條件。 20世紀(jì)以來(lái)，化學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)可以歸納為：有宏觀向微觀、有定性向定量、有穩(wěn)定態(tài)向亞穩(wěn)定態(tài)發(fā)展，由經(jīng)驗(yàn)逐漸上升到理論，再用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)和開(kāi)創(chuàng)新的研究。一方面，為生產(chǎn)和技術(shù)部門提供盡可能多的新物質(zhì)、新材料；另一方面，在與其它自然科學(xué)相互滲透的進(jìn)程中不斷產(chǎn)生新學(xué)科，并向探索生命科學(xué)和宇宙起源的方向發(fā)展。