科學發(fā)現(xiàn)的方法及意義

肖 婷 葉云招 劉永桃

摘要本文回顧門捷列夫元素周期表的發(fā)現(xiàn)過程,分析元素周期律發(fā)現(xiàn)過程中所運用的主要科學方法,并以此為基礎(chǔ),研究門捷列夫的科學發(fā)現(xiàn)所具有的哲學現(xiàn)實意義及啟示。

關(guān)鍵詞科學發(fā)現(xiàn) 元素周期律 哲學意義

中圖分類號:O6-64文獻標識碼:A

1 周期表理論思想的由來

十九世紀,最早提出元素分類問題的是德國科學家德貝萊納,他對元素的原子量和化學性質(zhì)之間關(guān)系進行研究,提出三元素組的分類方法。其中每組內(nèi)三元素間化學性質(zhì)相似,最外層電子數(shù)相同,中間一個原子量數(shù)與化學性質(zhì)介于前后兩元素之間。德貝萊納的這個發(fā)現(xiàn),盡管存在許多局限性,但可以肯定的是,他能以量和質(zhì)兩方面將元素原子量和化學性質(zhì)聯(lián)系起來,此舉措對后來的研究指明了方向。

此后,化學家們對德貝萊納的發(fā)現(xiàn)進行了補充和完善,并提出各類觀念。1850年德國藥物學家培頓科弗提出了各元素原子量值之差,常常為8或8的倍數(shù)。1860年,弗蘭克蘭等提出了原子價的概念,為人們在尋找化學元素之間內(nèi)在聯(lián)系創(chuàng)造有利的條件。1865年,英國人紐蘭茲編排了按原子量大小順序變化的“八音律”表,該表每隔8個元素,元素的化學性質(zhì)就近似重復一次,呈類似音樂八音度般的規(guī)律變化。

不同時期的發(fā)現(xiàn),從德貝萊納的三元素組到紐蘭茲的“八音律”化學家們逐漸對化學性質(zhì)與元素原子量間的聯(lián)系做探索研究,為化學元素周期律的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ),終于在1869年2月17日,俄國化學家門捷列夫的元素周期表問世,在題為《元素屬性和化學原子量的關(guān)系》文中系統(tǒng)闡述了元素周期律的基本論點。

2 元素周期律發(fā)現(xiàn)的過程和主要方法

著名的原蘇聯(lián)哲學家、化學家、科技史家鮑·米·凱德洛夫說過:“門捷列夫元素周期律的主要發(fā)現(xiàn)被公認為是自然科學發(fā)展中的轉(zhuǎn)折點。這絕不單純是改變了元素之間相互聯(lián)系的概念,而且有某種更大的意義即它為四分之一世紀之最后 ‘爆發(fā)的自然科學最新革命做好了準備,其更大的意義在于,它摧毀了科學家特別是化學家固有的思維方式,為自然領(lǐng)域研究開辟了一條全新的途徑。”①

作為自然科學發(fā)展的里程碑,門捷列夫究竟是運用怎樣的方法發(fā)現(xiàn)這一規(guī)律的?發(fā)現(xiàn)的過程又是怎樣的?恩格斯曾做過以下論述:“門捷列夫不自覺的運用黑格爾的量變轉(zhuǎn)化為質(zhì)變的規(guī)律,完成了科學上的一個勛業(yè),這個勛業(yè)可以和勒維烈計算的尚未知道的行星海王星的軌道的勛業(yè)居于同等地位”。②門捷列夫自己也明確表示,在研究化學物質(zhì)的同時,特別注重其質(zhì)量和特征兩方面。物質(zhì)的質(zhì)量集中在原子的原子量中。因而,門捷列夫?qū)⒃恿颗c化學性質(zhì)結(jié)合起來并尋找其中的聯(lián)系,用聯(lián)系發(fā)展的觀念看待問題,主張元素的性質(zhì)和它們的原子量之間存在著必然聯(lián)系和客觀規(guī)律。尋找元素的性質(zhì)及其相似性與原子量間的關(guān)系必然是最直觀、最簡捷的方法。

掌握正確的科學方法對揭露元素間的規(guī)律聯(lián)系至關(guān)重要。此后,門捷列夫應(yīng)用以往的相似元素分類的方法,試著按原子量遞增遞減規(guī)律,將已發(fā)現(xiàn)的63種元素進行排序,再把化學性質(zhì)相似的元素上下對齊。由此發(fā)現(xiàn),每一橫行的化學性質(zhì)相似,每一縱行的化學性質(zhì)從金屬過渡到非金屬,整個元素呈周期性變化。但對于當時所發(fā)現(xiàn)的全部元素而言,并不能按照原子量大小順序簡單地加以排序,門捷列夫便嘗試著對不符合周期規(guī)律的原子量作修改,有些元素間跳躍性太大,他直覺對這種變化產(chǎn)生疑惑,并肯定在這其中一定存在某種缺漏元素,且大膽的對尚未發(fā)現(xiàn)的化學元素進行預(yù)言,精確估算其原子量的數(shù)值、化學性質(zhì)等,并給這些未知元素留下空位。

此時的門捷列夫從形式上“打破”傳統(tǒng)的按原子量大小遞增遞減順序排列的機械方法,應(yīng)用自己在研究元素排列位置中的卓越見識,通過相鄰兩個周期間既不能相同,又不能重復,而是由低級到高級、由簡單到復雜的發(fā)展過程,大膽預(yù)測未知元素等。突出表現(xiàn)了門捷列夫的智慧和把他的理論轉(zhuǎn)化為科學方法的驚人預(yù)見性。后來,由于科學家們的努力終于發(fā)現(xiàn)了這些未知元素的存在與先前門捷列夫所預(yù)言的完全吻合。

我們可以把門捷列夫的整個創(chuàng)造發(fā)現(xiàn)過程歸于三種思維方法,即上升法、綜合法、和比較法。在科學研究中,創(chuàng)造性思維過程是一個從簡單到復雜、從低級到高級、從抽象到具體的上升過程,并沿著正確的方法、嚴格的程序從已知通向未知,從熟悉過渡到不熟悉的領(lǐng)域。正確的思維方法才是門捷列夫走向成功的關(guān)鍵。門捷列夫應(yīng)用上升法首先以NaCl這個“細胞”為開端,從研究Na和Cl的關(guān)系出發(fā),進而研究Na組和Cl組的關(guān)系,再過渡到研究與之相鄰的Ca組,以及擴展到更外面的元素族的關(guān)系。并為建立新的元素體系提供理論基礎(chǔ)。他根據(jù)前人提出的以原子量的大小順序為依據(jù),試圖把兩種化學性質(zhì)不相似的元素靠近做比較研究。而后,門捷列夫還用此方法把金屬與非金屬連接起來。從最強的金屬Na組和最強的非金屬Cl組開始到最弱的非金屬O組,隨之到更弱的過渡元素N組,再到金屬元素Al組、Mg組等,使些沒安置的元素歸于其位。上升法確實是門捷列夫編制元素體系的重要手段,更是向未知領(lǐng)域進軍的關(guān)鍵所在。③

在對化學元素周期表的研究中,任何單個元素要列入一般體系都須預(yù)先組成自然組,否則元素周期律就不可能被發(fā)現(xiàn)。就是說門捷列夫在編制元素體系時首先做的工作就是對化學元素中的種種特性作比較分析,然后將相似同類元素加以組合形成各個元素組,進而在比較研究各個不相似的同類元素組的基礎(chǔ)上加以綜合考察,最后才能顯示出元素周期律的自然體系。門捷列夫的綜合法表明,只有對個別元素加以組合,認識了各族元素的特殊本質(zhì)才能進一步概括,認識元素的共同本質(zhì)。

門捷列夫借助比較法在周期律的發(fā)現(xiàn)中表現(xiàn)在三方面:首先使一組元素與相鄰另外兩組元素彼此之間能聯(lián)系起來,保證原子量很接近而且不能插入任何其他元素組的可能;其次是確保每組元素與上下組元素和相鄰組元素之間起著過渡作用;最后使相鄰各組元素的原子價數(shù)值處于1-4或4-1間的中間狀態(tài)。以此就能很清晰地看出某一元素在整個周期表中的位置,以及這種元素與相鄰(上下)的或某一周期的相鄰元素一切關(guān)系的綜合。④比較法最終的目的在于揭露毗鄰元素間的聯(lián)系以確定元素在周期表中的位置。

3 元素周期表的現(xiàn)實哲學意義

化學元素周期表在后來一次次的檢驗中向前發(fā)展,在原子結(jié)構(gòu)的研究中獲得了理論解釋,形成了一個完整的體系,其建立的偉大意義在于:門捷列夫并非把自然界中的各元素看成是單獨的、孤立的、互不相聯(lián)系的偶爾的堆積,而是把各元素通過尋找一定的內(nèi)在規(guī)律聯(lián)系起來,看作有機的統(tǒng)一整體。以此更強有力地說明了門捷列夫所具備的辯證唯物主義自然觀的思想。

恩格斯在《自然辯證法》中對人類歷史發(fā)展兩方面和思維本身一般規(guī)律。它們可以簡化為三個規(guī)律:量轉(zhuǎn)化為質(zhì)和質(zhì)轉(zhuǎn)化為量的規(guī)律;對立的相互滲透規(guī)律;否定的否定規(guī)律。⑤元素周期律以科學的事實論證了對立統(tǒng)一規(guī)律,質(zhì)量互變規(guī)律和否定之否定規(guī)律。下面就門捷列夫發(fā)現(xiàn)元素周期律的過程中三規(guī)律的應(yīng)用加以簡單分析。

任何事物內(nèi)部都包含對立與統(tǒng)一,即相互排斥和相互依賴兩方面,只有這樣才能構(gòu)成事物運動推動事物發(fā)展。在元素周期律中也無不例外的存在矛盾的對立與統(tǒng)一。即兩組元素之間的金屬性與非金屬性;還原性與氧化性;核外正電荷的得失電子的能力等都表現(xiàn)在相互對立面,當然這其中也包含著統(tǒng)一面,金屬與非金屬間,氧化性與還原性間相互作用后由一種元素變化成另一種元素,兩者間既相互聯(lián)系又相互排斥,二者缺一不可。

質(zhì)量互變規(guī)律認為客觀存在的一切事物是質(zhì)和量的統(tǒng)一,事物由于自身內(nèi)部矛盾發(fā)生質(zhì)變和量變,量變引起質(zhì)變,質(zhì)變引起新的量變,如此循環(huán)往復?？v觀元素周期律的發(fā)現(xiàn)可知,元素的性質(zhì)取決于該原子核外電荷數(shù),隨著電荷數(shù)的不斷增加,元素化學性質(zhì)發(fā)生周期性變化。如:核外每增加1個電荷數(shù)就會出現(xiàn)不同性質(zhì)的另一種元素,從金屬、非金屬最后止于惰性氣體,從左至右金屬性逐漸減弱,非金屬性逐漸增強……一系列性質(zhì)的變化充分證明了量變所引起的質(zhì)變的飛躍。

否定之否定規(guī)律指自然界中任何事物既有肯定面也有否定面?？隙ㄊ鞘挛锉３执嬖?否定是推翻事物的存在。起初,肯定處于比較穩(wěn)定的主導位置,否定處于非主導位置,經(jīng)過系列變化否定則占據(jù)了主導位置,事物發(fā)生了質(zhì)的變化?？隙ㄅc否定間不斷的自身否定,從而達到否定之否定狀態(tài)。從化學元素周期表的第一族金屬元素鋰可看出,隨著核外電荷數(shù)的不斷增加,第一族元素則變成了氣體元素氧,物理性質(zhì)發(fā)生改變,核外電荷數(shù)增加就又變成了下一族的鈉元素了,盡管和鋰元素屬同一族但還存在著化學性質(zhì)的不同,即比鋰更強的金屬性。以此類推否定前者肯定后者,周而復始。波浪式、螺旋式、周期性向前發(fā)展,這種變化趨勢正是辯證唯物主義中的否定之否定規(guī)律所揭示的內(nèi)容。更深入地論證了門捷列夫發(fā)現(xiàn)化學元素周期律的正確性。

總之,化學元素周期律的發(fā)現(xiàn)具有很大的現(xiàn)實科學意義。元素周期表的發(fā)現(xiàn)促進了無機化學的重新興起,它的建立使化學研究把各有機的零散的元素有機的結(jié)合形成統(tǒng)一整體,從本質(zhì)上揭示各種化學元素間的區(qū)別、聯(lián)系,實現(xiàn)了無機化學從感性到理性的飛躍;元素周期律的發(fā)現(xiàn)是元素學說和整個物質(zhì)學說的根本的變革,對整個化學的發(fā)展起不可估量的作用,它將是化學上的一顆明珠永遠照亮科學進步的道路。

注釋

①鮑·米·凱德洛夫.科學發(fā)現(xiàn)—以門捷列夫元素周期表為例.社會科學文獻出版社,2002.

②恩格斯.自然辯證法.于光遠等,譯.人民出版社,1984.10:81.

③錢時惕.重大科學發(fā)現(xiàn)個例研究.科學出版社,1987.8:195.

④錢時惕.重大科學發(fā)現(xiàn)個例研究.科學出版社,1987.8:197.

⑤恩格斯.自然辯證法.于光遠等,譯.人民出版社,1984.10:75.

參考文獻

[1] 趙春艷.從元素周期表的發(fā)現(xiàn)過程探討科學與哲學的關(guān)系.克山師專學報,2003.3.

[2] 玄兆坤.對化學元素周期律中哲學問題的思考.承德民族師專學報,2003.5.

[3] 韓福芹.元素周期表蘊含的教育功能.邊疆經(jīng)濟與文化,2008.11.

[4]鐘才寧.元素周期律的發(fā)現(xiàn)史及其哲學意義和現(xiàn)實意義.黔南民族師專學報(哲社版),1995.2.

[5] 劉建統(tǒng).科學技術(shù)史.國防科技大學出版社,1986.

[6] 顧越嶺.科學發(fā)現(xiàn)的奧秘.科學出版社,2007.

[7] 趙樹智,宋漢閣.科學的突破.科學出版社,1998.11.