法拉第200年冥誕紀念

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1992年 1月265期｜上一篇｜下一篇＃發行日期：1992、01 ＃期號：0265 ＃專欄：＃標題：法拉第200年冥誕紀念＃作者：陳竹亭譯．假如他的時代有諾貝爾獎．參觀他的實驗室令人感動．唯一的著作──《化學操作》．他創立的新詞彙當時只是指觀念而已．很幸運地有一位物理學家來闡釋他的發現		法拉第200年冥誕紀念去年是麥可‧法拉第（M. Faraday）的兩百周年冥誕（生於1791年九月二十二日）。法拉第原是一位化學家，但他一生的科學成就卻多在物理學方面。蓋棺論定時，化學似乎只是他的副業，但普渡大學的化學歷史教授達文坡說：「就算是副業，也是夠精彩的了。」英國皇家學院的富勒講座教授湯瑪士爵士說：「從來沒有一個實驗家留給後代這麼豐碩的科學資產，而法拉第的科學發現對人類文明造成的深遠影響也是無與倫比的。想想法拉第十二歲就失學，靠著做小差和書房的裝訂工自學成功，竟爾成為一代科學巨擘。不僅如此，他一生秉持美好的德性，童稚的謙卑與好奇，追溯他的工作就像一幕驚人的成果展示，我們可以清楚看到一個獨特而傑出的偉人。假如他的時代有諾貝爾獎法拉第正是英國皇家學院第一位富勒講座教授，假如他的時代有諾貝爾獎，他會得到好幾個。法拉第劃時代的科學貢獻有下列諸項：一﹑發現電磁感應及製造第一個變壓器﹑發電機及電動馬達；二﹑馬克士威推崇法拉第奠立了電磁學及電磁場論的基礎；三﹑發現法拉第效應，就是光被磁場極化而轉動極化面的現象，開光磁學之先河；四﹑發現化合物的順磁性及逆磁性；五﹑電化學定律，奠立了整個電化學的基礎。法拉第也是個傑出的講員與示範者。他自己說，作一個講員的首要條件是懂得如何傳遞訊息，雖然哲學家們能欣賞科學與自然之美，但除非能把這條通往知識之路飾滿了花朵，人們可能無法和我們待上短短的一小時，聆聽我們的述說。也是為了增加皇家學院的財源和打開學院知名度，法拉第特地在每年歲末闢出「耶誕講堂」給年輕的觀眾作科學示範，這個傳統留存至今。參觀他的實驗室令人感動法拉第出生在鐵匠的家庭。根據法拉第自述：「十三歲那年起，我在一個書店工作，八年中，大部分時間我在裝訂書，但閒餘我就讀書，這開啟了我的知識之門。其中對我影響最大的，一是《大英百科全書》，教導了我有關電的初步知識；其二是瑪西夫人（Mrs. J. Marcet）的《化學對話》，為我建立了科學的基礎。」 1812年是法拉第一生的轉捩點，他得到一張皇家科學院化學演講的免費券。那天是有名的德維爵士（Sir H. Davy，註一）演講，法拉第作了詳盡的筆記，然後纏著德維爵士看他的筆記，請求給他一個科學院的工作。那時科學院沒有空缺，在當年年底，德維在一次實驗室的意外中視力受傷，就短期地僱了法拉第來幫忙。次年二月一位實驗室助理和同事口角被解聘，法拉第就得到了他夢寐以求的工作。他從替德維洗瓶子開始，最後終於成為德維的高足。直到現在，在科學院地下室實驗室中，尚留有他寫給德維的實驗報告和其他值得紀念的東西。最近，科學院已將其整修為一個小博物館。達文坡教授說，參觀法拉第的實驗室，對一個科學家是不可言喻的感動經驗。唯一的著作──《化學操作》當法拉第初替德維作助理時，都是協助一些普通的工作，如製造開礦用的燈，或研究用銅來包船底作保護，但是不久法拉第就開始接手重要的研究。1820年他發現了第一個用取代法合成的鹵化有機化合物如六氯化烷、四氯化烯。1825年在檢查路燈用的照明氣體筒底殘渣時，分離出「碳化氫氣」，後來改名作苯。1826年在為客戶作樣品分析時，分離出異戊二烯（註二）。法拉第提供了第一份文件紀錄，那是有關芳香族化合物的取代反應──光化學取代反應及加成、消除反應。這時期法拉第最重要的發現是，1821年展示所謂電磁轉動現象（electromagnetic rotation），就是在圍繞磁鐵的導線上可以看到連續的電流。這個發現直接向當時的電流理論及「電磁力」的性質挑戰，也使法拉第晉身歐洲第一流的科學家之林。在1825年之前，法拉第在科學院已建立了他的聲望，晉升為實驗室主任，旋即被一軍事學院（Woolwich）聘為兼任教授。 1827年，法拉第出版了他唯一的原著書──《化學操作》，對化學實驗技術有詳細的敘述，也包括了一些近代的裝置如試管、試管架、實驗撐架、架環、瓦斯燈（本生燈的先驅）等；其中一段法拉第稱為「試管化學」的，正是現代的「微量化學」。法拉第吹玻璃的技術一流，所以他使用自製的試管和裝置，很經濟地進行微量實驗，吻合了現代化學的技術和觀念。他創立的新詞彙當時只是指觀念而已在往後的幾年間，法拉第雖未完全脫離化學，他的興趣已轉向了物理，不過他不太喜歡當時的物理學及物理學家的名稱，而喜歡人家稱他自然哲學家。1831年提出了可能是他一生中最大的科學發現：在一個鐵環上，兩端各纏繞了一個導線圈，當電流通過其中一個線圈時，另一個線圈上測到了短暫的電流；當切斷連接第一個線圈的電源時，第二個線圈上的電流竟反向而行。我們現在知道第一個線圈通電時，事實上在鐵圈上產生了一個變化磁場，在第二個線圈中就產生了感應電流。法拉第的實驗發現了「電磁感應現象」。他的實驗裝置其實就是第一個變壓器，這個實驗引導法拉第後來製造了第一個發電機。法拉第對電另一方面的研究，也使他提出了兩個重要的電化學定律。他本來是想知道當電源不同的時候，譬如伏特板、電鰻、靜電，或是他用磁鐵感應產生的電有何不同。在一連串裝置精巧，不厭其煩的實驗中，法拉第證明了這些電性相同，而且都可以產生「電化學分解反應」。譬如在電解的實驗中，分解的物質量和流過的電強度（電壓）無關，但卻與流過的電流量成正比。這就是他的第一個電化學定律。第二定律是不論電化學反應是產生沈澱或氣體，都和其「當量」（equivalent weights）成正比。當電量固定在96485庫侖時，電解析出的元素正好都是一當量。後來國際間，決定把這個電量稱作「法拉第」（Farad）。1903年在倫敦成立的電化學與物理化學學會（現為皇家化學學會的一組），也命名為「法拉第學會」。法拉第得到新語言學家惠威爾（Whewell）之助，創立了電極（electrode）、陽極（anode）、陰極（cathode）、電解（electrolysis）、電解質（electrolyte）、離子（ion）、陽離子（cation）、陰離子（anion）等新詞彙，沿用至今。雖然有些字義和當初法拉第使用的已有所歧異，尤其法拉第對原子論一直心存疑慮，許多字當時對法拉第而言，只是觀念而不是指粒子。很幸運地有一位物理學家來闡釋他的發現法拉第晚期的工作包括發現了磁光效應（magneto-optic effect），現稱「法拉第效應」；也發現物質的順磁性與逆磁性，包括發現氧氣也是順磁物質。順磁與逆磁後來對過渡金屬化學的發展，有極深遠的影響。此外法拉第提出了磁力線的觀念，以及磁力線與其他形式的能源和產生它們的物質無關。這和當時的理論迥然不同，也奠立了往後電磁學的基礎。湯瑪士爵士說，法拉第很幸運地有一位自牛頓以來最偉大的物理學家──馬克士威（J. C. Maxwell）來闡釋他的發現。馬克士威在1855及1856年送到劍橋哲學學會發表的論文中，沿用了法拉第「力線」（lines of force）的名詞，而且馬克士威精確的數學計算與準確的預測，使法拉第對電磁場論定性的描述得到了支持，並展開了一個科學的新紀元。法拉第最後一篇論文發表在1857年，是有關金屬粉末溶液的，也就是今日的懸浮液科學之濫觴。一些法拉第實驗的金屬粉溶液，仍然完好如初地保存在皇家科學院的博物館內。法拉第在1867年撒手人寰，他被埋在倫敦北邊的高門墓園（Highgate）,馬克思也埋在那兒。馬克思的墓高大華麗，法拉第的則是平實簡樸，不知道這兩個人對二十一世紀的影響如何。註一：德維（1778～1829年），早期曾作一個醫生的助手，因喜作爆炸性的實驗被革職，十九世紀初在電化學上有極重要的貢獻。註二：異戊二烯（isoprene）的分子式為：CH₂〔C(CH₃)〕CHCH₂，是重要的橡膠原料。（本文譯自Chem. Eng. ＆ News, Sept. 2, 1991.）陳竹亭任教於台大化學系；本刊編輯委員
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