1、關于質量守恒定律的歷史質量守恒定律又稱物質不滅定律，是自然界最重要的基礎定律，該定律幾乎構成了大部分物理科學和化學科學的基礎，它對化學教學是極端重要的。本文闡述它的發展和形成的歷史。一、守恒定律的序幕關于物質不滅一般被公認為是古希臘原子論者的思想。留基帕和德模克利特(兩人大約生活在公元前450年)認為一切物質都是由最小的、不可分的微粒原子組成的。德模克利特寫道：“宇宙的要素是原子和虛空，其他一切都只是意見。原子不受任何能使之發生改變的外力的影響，而虛空則是一些空的地方，使原子不斷在其中上下運動”。如此說來，他們已經具備物質不滅的思想了。可惜他們的著作除了一些殘篇外均已散失。關于原子是否有重量還

2、有爭論。我們只能從亞里士多德的著作轉引的殘篇斷句中知道原子或許有重量，但是對這一點有爭論，伊壁鳩魯(公元前約300年)承認原子學說，并肯定地認為原子有重量。既然原子是不滅的，而原子又是有重量的，至此，我們可以認為他們已經有了質量守恒的思想了。但是這只能是我們的推論，并沒有見諸于文字的記載，一直到公元前57年左右，與凱撒和西塞羅同時代的羅馬詩人路克萊修在他的偉大著作物性論中，記載并贊頌了古希臘原子論者們的哲學。他重申：“無物能由無中生，無物能歸于無。”這可看作是最早暗示出一個深刻的普遍科學原理，現在的每一事物必定在過去，現在或將來持續存在，雖則它們的形狀、面貌和外表確實可以改變。然而，從路克萊修

3、的頌辭到現代的質量守恒定律之間有著相當大的一段距離。質量守恒定律昭示我們：無論位置、外形、狀態和化學組成等如何變化，在一給定的封閉區域內的物質總量永遠保持不變。企圖從古希臘人的思想中去尋覓現代物理學和化學的科學原理(也許某些天文學的原理除外)是徒勞之舉，例如，路克萊修當時所關心的是哲學而不是科學問題。這在物性論的第一頁中講得十分清楚：“這個教導我們的定律開始于：沒有任何事物按神意從無中生。恐懼所以能統治億萬眾生，只是因為人們看見大地環宇，有無數他們不懂其原因的事件，因此以為有神靈操縱其間。而當我們一朝知道，無中不能生有，我們就會更清楚地猜到我們所尋求的：萬物由之造成的那些元素，以及萬物之造成如

4、何未借神助”。二、逐步完善的一種表述在質量守恒定律出世并以對現代科學有意義的方式出現以前，發生過三次獨立的進展，每次進展都體現了當時最偉大的物理學家或化學家的工作。首先出現的是理想孤立系統的概念。古希臘人和經院哲學家占統治地位的傳統，是把宇宙看成是統一的、不可分割的整體。在這樣的體系中，某一單一物體的行為決定于它同宇宙其它物體的關系和它在整個事件中所必定要起的作用。所以，孤立地考慮一些事件，例如，在解釋單一物體的行為時，只用一條適用于該特定區域的物理定律，認為該物體不受這一區域周圍宇宙中同時發生的其他事件的影響，這是沒有意義的。根據英國數學家兼哲學家懷特黑德(18611947)的見解，則可以在

5、某種程度上把孤立系統的概念視為伽利略對物體運動研究的一個結果。伽利略對于慣性定律的預見，談到任何物體在無外力作用的水平面上將作連續均勻的非加速運動；從而使我們在頭腦中描繪出一個區域，其中只有處于平衡狀態的物體，在區域的邊界上，一切與外界現象的因果聯系都被割斷了。否則無外力作用的情況是不存在的。然后，假定已有了某一孤立或封閉系統的概念以限定我們注意的領域，其次，就需要在守恒定律得以表述之前有一個測定物質的量的標準。這一標準是牛頓在他的自然哲學的數學原理的第一段中提供的，他在談到“物質的量”一詞時寫道，“我在以后稱之為物體或質量的，就是指這個量而言”。要想定量地得知某一系統中物質的數量，我們僅需知

6、道它的慣性(或它的重量，“因為如我從實驗發現，它是同重量成正比的”)。只要記住這個定義，必然會認識到：任何給定客體具有某種持久恒定的東西，這東西肯定不是它的顏色或表現大小，不是它的位置或運動狀態，也不是體積或形狀，更不是它的整體性，而是它在各處的質量，因而也是它在某給定地點的重量。第三個貢獻顯然是必不可少的，這是指證明了在化學轉變過程中某給定系統中的物質的量從實際上講，即是置于某密閉容器之內的某種物質的重量并不改變。科學史家C·辛格認為，牛頓對于物體在同一個地點重量保持恒定的清晰證明揭示了一個簡單而有效的檢查數量變化的標準，從而“給化學的合理性一種特殊的動力”。我們要對長期被人懷疑的

7、質量守恒定律得出直接證據，看來頗為簡單：把一些空氣和一塊木頭密封在一個瓶子里，然后使太陽光聚焦于瓶中的木塊以引起燃燒。在木頭發生變化之后，灰燼和殘余的氣體加在一起的重量與變化前各成分(木頭和空氣)的重量完全一樣。然而，從牛頓的原理(1687年)到拉瓦錫(17431794)發表關于焙燒實驗的回憶錄和教科書化學概要(1789年)相距恰好約100年。三、拉瓦錫的實驗證明在牛頓和拉瓦錫之間的這個時期，那些必須克服的障礙現在說來幾乎無關緊要。拉瓦錫是最先確證下述事實的化學家之一：物質的燃燒是人們最熟悉的化學變化，通常是氧化作用，亦即物質與周圍空氣中由他命名為氧的那部分氣體化合；因此，在全部計算中必須計入

8、取自大氣的氣體。在拉瓦錫以前的時代，人們對于氣體和燃燒過程本身的性質都不夠清楚；所以幾乎沒有什么根據或條件去測定氣體的數量，而且甚至無法在那些與周圍化學世界隔絕的密閉容器內進行這些化學反應。映入科學家頭腦的，首先并不是所有參與化學反應的物質遵從一個普遍的守恒定律，而是下述明顯、頑固而且令人困惑的事實：處于空氣中的某些物質如木材在燃燒后將會減少重量(我們現在會說，因為在氧化過程中失散的氣體比得到的氣體多)；另一些物質如磷卻會顯著地增加重量(按現代的說法，這是因為固定下來的氧要多于揮發的蒸氣)。在逆過程即現在所謂還原即失去氧的反應中，也會發生類似的不同類型的變化。由于科學理論往往具有一種首先從各種

9、現象最顯著的方面推演出概念的天然傾向，所以在18世紀形成了一種概念體系，企圖研究大量關于燃燒的各種觀察結果，其中包括燃燒物的物理結構和化學性質的變化、熱和火焰的存在、周圍空氣性質的變化，乃至各種重量的改變。為了解釋這些觀察結果，人們設想有一種燃素存在，并可用這些物質或“要素”在參與化學變化的出入來說明所有觀察結果。燃素說在拉瓦錫對它發動攻擊十年左右便銷聲匿跡了，這不僅是因為人們企圖用燃素概念解釋的各種現象過于廣泛，以至于達到定量的說明并且自相矛盾，而且因為拉瓦錫證明了這個概念根本不必要，他通過稱量得出的不可反駁的證據表明：把注意力轉移到參加某一化學反應的物質(包括氣體和蒸氣)總量上去，就會得出

10、一條嚴格的物質守恒定律。譯自1789年出版的拉瓦錫的化學概要的一段文字可說明他在這方面使用的方法，而且暗示出這個定量論證的相對新穎性：“英根霍茨先生完成的巧妙的鐵的燃燒實驗是大家熟知的。接下去對這個實驗作了描述，即鐵在一個裝有富含氧的空氣的密封容器內的燃燒。但是英根霍茨沒有檢查這一操作在鐵和空氣造成的重量的變化，因此我在不同的環境中，即根據我的特殊看法在下述的裝置中，重做了這個實驗現在經過改進這個實驗能夠精密地確定重量。如果實驗進行得十分順利，那么，從重量為100谷5.3g的鐵可得到135或136谷的鐵的氧化物，這表明它的質量或重量增加了35%。如果把全部注意力都集中在這個值得注意的實驗上，就

11、會發現空氣減少的重量恰好等于鐵增加的重量。所以，燃燒l00谷的鐵這需要增加35谷的重量，將要消耗70立方英寸的空氣；結果將發現，由于養氣氧氣的比重近似于每立方英寸12谷；以致實際上在一方面增加的重量恰好符合另一方面損失的重量。”拉瓦錫描述的這類實驗有十幾個，包括當時已知的所有類型的反應，而且總是反復申明這個教訓：在一個封閉系統中進行的化學反應，該系統任何一部分增加的重量恰好補償其余部分損失的重量，也就是說，該系統中物質的總重量保持不變。拉瓦錫關于燃燒和還原的概念體系，在形式上、可靠性上，以及數值預言的精確性上均比燃素說高出一籌，因此更有利于科學發展，盡管當時仍有許多觀察結果(例如，火焰的存在或

12、物質外觀的變化)超出了這個簡捷體系的范圍。一些類似事件的變化標志某些概念的革命，例如熱質說的興衰，我們不能在此加以討論。不消說，空氣組成和燃燒這兩個問題一經解決，在表明守恒定律是一個普遍而基本的命題的那些反應中，氧化過程就成為一個特殊情況，盡管有時異常驚人。拉瓦錫于1789年寫道：“我們必須將下述看法確定為一個無可爭辯的公理：在所有人為和天然過程中，無中不能生有；物質在實驗前和實驗后，其數量保持不變所能發生的情況只是那些元素在化合反應中的改變和更替。根據這個原理，完成化學實驗的全部技術取決于：我們必須援引一個應用這個原理的例子永遠假定參加反應的物體的元素和反應后生成物的元素二者具有的質量完全相

13、等。”四、質量果真守恒嗎盡管拉瓦錫對守恒定律作了有力的陳述，它仍有許多令人懷疑之處。在檢驗拉瓦錫的實驗報告并了解到拉瓦錫用他的裝置所能達到的精確度時，一位現代實驗化學家可能多少會對“重量在一方面的增加嚴格等于它在另一方面的減少”這一斷言產生懷疑。盡管如此，這條定律是可信的，因而19世紀的大多數化學家愿意追隨拉瓦錫并把上述斷言作為一個公理來接受，直到有某些確定的理由猜疑質量并不守恒時為止。只要認為質量守恒定律符合對于物質性質的其他已被接受的觀點，只要沒有觀察到明顯的違反，就不會誘導人們進一步進行實驗檢驗。1872年，德國化學家邁爾(18301895)曾獨立于門捷列夫發現元素周期律提出，原子在化學

14、反應中的重新排列可能伴隨有“以太”粒子的吸收或發射。這種粒子甚至能出入于一般物質無法進入或逸出的封閉系統。當時，關于這種以太粒子實際上是否存在，尚是一個未決的問題。假如它們確實存在，那么該系統的質量就要發生微小的改變，究竟改變多大程度，則取決于這些粒子的質量和它們進入或逸出該系統的數目。即使大多數化學家認為拉瓦錫等人的實驗業已確證質量守恒定律對于化學反應的正確性，但是設法以當時最高實驗的精確度從實驗上證明它，依然是人們的興趣所在。象邁爾表示過的那樣的懷疑，未經適當考慮是不會輕易消除的，因為邁爾已獲得第一流化學家的聲譽。另一位叫蘭道特的化學家斷定，需要進行進一步的實驗驗證。他在1890年起20年

15、間進行了廣泛的研究，非常精確地測量了其中正在發生化學反應的諸系統的質量。他在1909年陳述了他的結論：“實驗研究的最后結果是：在任何化學反應中未能發現總重量有何變化對質量守恒定律的實驗驗證可被認為已經完成。倘若存在任何偏差，這些偏差也必小于千分之一毫克。”蘭道特的結果代表了物理和化學學科中的實驗數據特征：人們絕不可要求證明差值恰好為零或其它測量結果恰好等于其它某一數字。我們只能說，實驗表明這數字在一定誤差范圍內為零。除了對化學反應系統進行實驗之外，如果沒有其他可供利用的證據，甚至在今天我們仍必須認為質量守恒定律是正確的。一位現代化學家，即使用最精密的設備重復蘭道特的實驗，也會得出同樣的結論，盡

16、管他的誤差范圍可能更小。然而，我們現在知道，在其他類型的實驗中，系統內物質的質量確實要發生變化。最重要的例子是諸如放射性蛻變，裂變和聚變這些核反應或基本粒子反應。在諸如電子與正電子或質子與反質子的湮滅這些反應中，實物粒子的質量(靜質量)完全消失。另一方面，一物體的質量在它被加速到接近于光速時會顯著增大。在所有這些情況中，按照愛因斯坦的相對論，質量的表觀改變為能量的相應改變所補嘗。這可以解釋為能量本身就具有質量(動質量)。愛因斯坦的理論預言，甚至在化學反應中，靜質量也有微小的變化。這個變化是由于熱能在反應中被吸收或產生而造成的，熱能也具有質量。然而這微小的變化是無法測量出來的。在蘭道特研究過的反

17、應中，由相對論所預言的靜質量變化遠小于千分之一毫克。蘭道特關于質量守恒定律對于靜止物質成立的結論是錯誤的，盡管他的實驗的精度之高是前所未有的。正當一條定律看來被實驗牢固確定的時候，一種理論卻促成了它的垮臺。上述這個例子確實令人驚異地證明了這一點。五、質量守恒定律最后是如何以新的形式重又得到承認的 質能相當性1905年以前，已經有人從實驗中發現，電子的質量或慣性必定要隨速度的增加而增加。愛因斯坦在1905年從其狹義相對論推出下述結論：任何粒子，無論它是否象電子一樣帶電，它的“有形的”，可稱量的質量均按下面的方程隨其速度增加而增加： (1)這里m0是粒子相對于觀察者靜止時的質量，叫靜質量

18、，而m是粒子相對于觀察者以速度v運動時所觀測的質量，稱之為觀測質量(動質量)或相對論性質量。而c即光速，它是個常數，約為3×108ms。現在，由方程(1)顯然可見，就通常的速度而言，式中的v遠小于c，在實驗測量誤差范圍之內m=m0。但是恰恰在電子和其他亞原子粒子的運動中，這個限制不再適用某些從原子核蛻變發出的射線的速度達到光速的90以上。初看起來，質量隨速度增加的說法，的確使人困惑不解。一個運動的粒子比運動前肯定沒有增添什么成分，沒有添加“有形的”可稱量的物質！如若質量增加，則質量就無法再是物質的量的量度了。于是，質量守恒定律看來也不嚴格地成立了。這些推測是我們下面必須考慮的。比值(

19、vc)通常用符號來代替。因此，方程(1)可改寫為。然而，代數中的二項式定理告訴我們： 既然v遠小于c，所以2非常小，而4及所有更高次項都可忽略不計，因此，我們可以寫出 這個最后的結果使我們看到關于物體質量隨速度增加的一種令人驚異的物理解釋，因為它直接指出了物體質量的增加為 而且，當我們試圖理解物體質量隨速度而變化這一現象時，還得到這樣一個概念：被加在可稱量物體上的動能也以KEc2這樣大的數量增加了物體的慣性。無論我們說能量有質量，或者說是質量，還是說它表現為質量，都不過是在玩弄文字游戲而已，對最后的方程并未增添任何新的內容。雖然我們是以近似的方法得出這個結果的，但

20、一般來講，方程KEc2=m是正確的。我們必須認識到的只是，在這樣一種純力學狀況下，一個快速運動粒子的動能可重新定義為KE=mc2=mc2-m0c2 因為質量從m0起速度而增加，因此要使速度發生同樣大的變化，那么在速度達到v的后一階段比它的前一階段需要更多的動能。質量改變乃是由于能量增加這一概念，如今可以推廣到普通動能以外的其他形式能量，如勢能或熱能。一個金屬塊在受熱時，其觀測質量也要增加：在此情形中，m=(供給的熱能)c2。簡言之，質能相當性原理很快被推廣到包括各種能量的增加(或減少)；如果向某物質系統提供每一單位的能量(1J)，那么該系統的質量增加為 如前所述，這并不意味

21、著現在系統中的成分比以前多了；所改變的乃是能量增加后的物質具有的可觀測慣性。顯然，這個變換率即公式m=能量c2中的因子c2表明，這樣的質量改變在普通力學和化學實驗中是無法直接觀察到的。因此，在有關質量守恒那節中就毋需考慮這一純理論問題了。但是，在核現象或廻旋加速器中，粒子的質量在開始時相對地小，而能量相對大，因此粒子在質量上的變化就非常可觀。如果你愿意，可以用質量來衡量系統中的物質加上機械能、電能等的量，而不把它僅看成一個系統有形的或可稱量的物質的量。因此，我們把質量守恒定律改寫為如下形式，在一個閉合系統中，(m0+能量c2)=常量(2)到此為止，我們所講的一切都論證了質能相當性，用愛因斯坦的

22、話(1905)來說：“如果有一物體以輻射形式放出能量E，那么它的質量就要減少Ec2。物體的質量是它所含能量的尺度；如果能量改變了E，那么該物體的質量也就相應地改變E(3×1010)2，此處能量是用爾格來計量，質量用克來計量。”如果把質能轉化包括在內，顯然必須對能量守恒定律予以重新闡述。進行這項工作的一個簡單方法是：把系統中的每一物體看作是可以完全消滅的勢源，因此規定每個靜質量具有靜能量m0c2，而靜能量即是在事件過程中可以部分地或全部地轉換為其他能量形式的勢能。于是，我們能夠有把握地說：在一個封閉系統中，能量的總和即靜能(m0c2)加上所有其他形式的能量(E)是恒定不變的，或者說(m

23、0c2+E)=常量(3)這的確不是一個新的定律；形式為(m0+Ec2)=常量的方程(2)是推廣了的質量守恒定律，如果用方程(3)的兩端除以c2，我們就得到方程(2)。究其實質，這兩個方程表述了同樣的內容。正如愛因斯坦本人所指出的：“在相對論以前的物理學中有兩個具有基本重要性的守恒定律，即能量守恒定律和質量守恒定律；在那里這兩個守恒定律是作為彼此完全獨立的定律出現的。通過相對論，它們融合成一個原理。”在這種意義上人們可以說，質量和能量的概念也“融為一體”了，仿佛它們是一個物理實在的兩個方面。發現質量守恒的先驅其實，在18世紀中葉，世界上發現質量守恒的不只拉瓦錫一人，俄國科學家羅蒙諾索夫（1711

24、1765年）也是一位先驅者。早在1758年，羅蒙諾索夫在俄羅斯科學院大會上宣讀的論文就對質量守恒講得一清二楚了，比拉瓦錫早了18年。但是，他的著作沒有被廣為傳播，西方學者對他不甚了解，因而他不象拉瓦錫那樣，在社會上產生了廣泛的影響。羅蒙諾索夫是俄國一位偉大的科學家，為開拓和發展俄羅斯的科學事業立下了不朽功勛，為人類文明做出了貢獻。這位偉人的一生，有許多值得我們學習借鑒的地方。羅蒙諾索夫1711年11月19日出生在俄國白海邊的阿肯格斯克省的米沙寧斯卡亞村。他的父親是一位靠打魚為生的漁民，所以，羅蒙諾索夫從小就跟他父親學會了打魚、造船、種地、砍柴。艱辛的生活和海上的風浪把他鍛煉得意志堅強。他熱愛學

25、習、喜歡讀書，緊張的捕撈作業更使他感到學習時間的寶貴，他只要有時間就讀書，而且自學能力很強，他讀完了“斯拉夫語語法”和算術，甚至神學書籍他也讀了不少。1730年年底，19歲的羅蒙諾索夫到莫斯科去賣貨，他被莫斯科的學校迷住了，他渴望上學。但是這些學校都是專門為貴族子女設立的，貧民的孩子是無資格入學的。無奈，他只好冒充貴族子女進了斯拉夫希臘拉丁語學院。幾年過去，他學會了拉丁語、俄語、數學，而且成績名列前茅，深得校長喜歡，并被推薦到彼得堡科學院學習。在科學院學習期間，他碰到了一個好機遇，由于科學院需要化學和冶金方面的人才，決定選派羅蒙諾索夫到德國學習。在德國留學的幾年里，他首先在德國化學家沃爾夫教授

26、指導下學習基礎課和部分專業課，1739年他又進入弗雷堡大學，師從亨克爾，學習礦物學和冶金學。亨克爾是位燃素學說信奉者，羅蒙諾索夫在學術上與老師有了分歧。1741年，30歲的羅蒙諾索夫回到了俄國，在彼得堡科學院擔任物理學副教授。在安娜·伊凡諾夫娜時代，科學院請了許多外國人（主要是德國人）來工作，結果科學院分為兩派，一派為“外國派”，勢力很大，另一派叫“俄國派”，人數少，羅蒙諾索夫為發展俄國科學事業，做了不懈的努力。1748年，37歲的羅蒙諾索夫在觀察了各種物質的變化后，對他朋友歐拉寫到：“一切發生在自然界里的變化，實際上的情況總是這樣，在一種物體里耗費了多少，在另外一種就添上多少。”“

27、失眠的鐘點有幾小時，睡覺的時間就少了幾小時。”這是羅蒙諾索夫確信質量守恒最早的闡述。但他認為缺乏確鑿的證據，于是放棄了發表他的觀點。但是，羅蒙諾索夫決心用實驗事實來證明他的觀點。羅蒙諾索夫的實驗是重復波義耳的鍛燒金屬實驗：他取一個曲頸瓶，里面放些細碎的錫塊，封住瓶口用天平稱取它的重量。然后把曲頸瓶放到火上加熱，兩個小時后，把瓶從火上取下，打開瓶口，外面的空氣噓的一聲沖進瓶內，冷卻后再去稱取瓶重，果然，與波義耳的實驗結果一樣，瓶重增加了。對此，波義耳的解釋是火微粒與錫塊結合了才導致瓶重增加了。但是，在羅蒙諾索夫腦子里不承認什么神秘的火微粒，只承認物質的微粒，他沉思了好大一會，決定再做一次實驗。這

28、一次實驗與上次不同之處，僅在于曲頸瓶加熱后不再打開封口，冷卻后稱取瓶重，結果不同了，瓶重并未增加，說明不存在什么火微粒透過瓶壁鉆進瓶里去的現象。現在我們已經知道，曲頸瓶里的錫塊受熱后與瓶內的氧氣化合，生成氧化錫，于是瓶內的空氣減少了，但錫增加的重量與空氣減少的重量是相等的，所以加熱前后，曲頸瓶的總重量是一樣的，沒有改變。但是，由于瓶內氧氣與錫化合，使得瓶內空氣減少，氣壓下降，成為負壓狀態，一旦打開瓶口，外面的空氣就會沖進來，補充減少的空氣，直到充滿，使瓶內外氣壓相等為止。由于補進了新的空氣，空氣是物質，是有重量的，所以曲頸瓶的重量就增加了。羅蒙諾索夫第一次對波義耳的實驗做出了科學解釋，并用實驗

29、證明了質量守恒定律。羅蒙諾索夫一生有過不少著作、論文發表，使俄羅斯科學水平走進了世界先進行列。他還建立了實驗室，創辦了著名的莫斯科大學，并成為那里的校長。羅蒙諾索夫的貢獻得到了一些國家的承認。他從德國留學回來不久就被選為彼得堡科學院院士，1760年，49歲的羅蒙諾索夫被授予瑞典科學院名譽院士，后來又成為意大利波倫亞科學院名譽院士。但是，環境的惡劣和夜以繼日忘我的工作，終于使他積勞成疾，臥床不起，于1765年4月4日病逝，享年僅53歲！偉大的羅蒙諾索夫院士，為人類的科學事業，一往直前，嘔心瀝血，過早的結束了自己的寶貴生命，為社會換取了珍貴的科學成果，為我們樹立了偉大的楷模。拉瓦錫法國化學家 開創

30、化學發展新紀元法國化學家拉瓦錫（Antoine Laurent Lavoisier 17431794 ）進行的化學革命被公推為18世紀科學發展史上最輝煌的成就之一。在這場革命中，他以雄辯的實驗事實為依據，推翻了統治化學理論達百年之久的燃素說，建立了以氧為中心的燃燒理論。針對當時化學物質的命名呈現一派混亂不堪的狀況，拉瓦錫與他人合作制定出化學物質命名原則，創立了化學物質分類的新體系。根據化學實驗的經驗，拉瓦錫用清晰的語言闡明了質量守恒定律和它在化學中的運用。這些工作，特別是他所提出的新觀念、新理論、新思想，為近代化學的發展奠定了重要的基礎。拉瓦錫1743年8月26日出生于巴黎一個富裕的律師家庭。

31、5歲那年他母親因病去世，從此他在姨母照料下生活、11歲時，他進入當時巴黎的名牌學校馬沙蘭學校。以后升入法政大學，21歲畢業而取得律師的資格。他的家庭打算讓他繼承父業成為一個開業律師，然而在大學里他已對自然科學產生了濃厚的興趣，主動拜一些著名學者為師，學習數學、天文、植物學、地質礦物學和化學。從20歲開始，他堅持每天作氣象觀測，假期還跟隨地質學家格塔爾到各地作地質考察旅行。他最初發表的關于石膏組成和凝固的論文就是在地質調查之中寫成的，1765年，法國科學院以重獎征集一種使路燈既明亮又經濟的設計方案，22歲的拉瓦錫勇敢地參加了競賽。他的設計雖然未獲獎金，但被評為優秀方案，榮獲國王頒發的金質獎章，這

32、項活動給嶄露頭角的拉瓦錫以很大的鼓舞、使他更熱情地投入科學研究的事業中、同時他的科研才華也開始引起了科學界的注目。因為拉瓦錫接連不斷地取得了一項項科研成果，也因為他具備了無需憂慮生活來源的優越科研條件，1768年他被任命為法國皇家科學院的副會員，1778年成為有表決權的18名正式會員之一。1785年他擔任了科學院的秘書長，實際上成為科學院的負責人。 拉瓦錫成為科學院的成員后，科學研究愈加成為他生活的重要內容。從1778年起，他逐個地取得了化學研究上的重大突破。步入化學家的行列。他才華洋溢，精力充沛，逐漸成為科學界乃至政界的一位新星。1768年，拉瓦錫選擇的一個研究課題是驗證水能否變成土。在當時

33、，許多人都相信水能變成土。亞里士多德的“四元素說”中就有水土互變的提法， 17世紀比利時化學家海爾蒙特曾以柳樹的實驗（海爾蒙特將一柳樹苗栽入預先經烘干稱重的土盆中，經常淋水。5年后，柳樹長成大樹了。泥土經烘干，重量并沒有減少。于是他認為柳樹長大所增加的重重，只能來源于水，水能轉變為土，并為樹所吸收。）來支持這一觀點。人們也時常發現在容器中煮沸水，時間長了總會有沉淀物生成。拉瓦錫對這一觀點表示懷疑，為此他設計了一個驗證實驗。他采用一種歐洲煉金術中使用過的很特別的蒸餾器。這種蒸餾器能使蒸餾物被反復蒸餾。他將蒸餾器稱重，然后加入一定重量的經3次蒸餾后的蒸餾水。密封后點火加熱，保持微熱，同時進行觀察。

34、二周過去了，水還是清的。第三周末開始出現很小一點固體，隨后慢慢變大，第八周固體因增長而沉淀下來。就這樣連續加熱了101天，蒸餾器中的確產生了固體沉淀物，冷卻后，他首先稱了總重量，發現總重量與加熱前相比沒有變化。他又分別對水、沉淀物、蒸餾器進行稱量，結果是水的重量沒變，沉淀物的重量恰好等于蒸餾器所減少的重量。據此拉瓦錫撰寫論文駁斥了水轉化為土的謬說，瑞典化學家舍勒也對這沉淀物進行分析，證明它的確來自玻璃蒸餾器本身。1772年9月，拉瓦錫開始對燃燒現象進行研究。在這以前，波義耳曾對幾種金屬進行過煅燒實驗，他認為金屬在煅燒后的增重是因為存在火微粒，在煅燒中，火微粒穿過器壁而與金屬結合。金屬+火微粒&

35、gt;金屬灰1702年，德國化學家斯塔爾也進行了類似的實驗。他認為金屬在煅燒中放出了燃素，即：金屬+燃素>金屬灰斯塔爾將有關燃素的觀點系統化，并以此來解釋當時已知的化學現象。由于燃素說的解釋較過去的合理，很快被化學家所接受，成為18世紀占統治地位的化學理論。盡管一些實驗研究的進展已披露了燃素說與實驗事實的矛盾，但多數化學家還是設法調和這一矛盾，以維護燃素說。拉瓦錫正是在研究了化學史的概況和前輩化學家的工作之后，發現了這一矛盾，并決心解決這一矛盾。首先他對磷、硫等易燃物的燃燒進行觀察和測定，他發現磷、硫在燃燒中增重是由于吸收了空氣。于是他想到，金屬在煅燒中增重是否屬于同一原因？1774年，

36、他重做了波義耳關于煅燒金屬的實驗。他將已知重量的錫放入曲頸瓶中，密封后稱其總重量。然后經過充分加熱使錫灰化。待冷卻后，稱其總重量，確認其總重量沒有變化。而后在曲頸瓶上穿一小孔，發現瓶外空氣帶著響聲沖進瓶內，再稱其總重量和金屬灰的重量，發現總重量增加的值恰好等于錫變成錫灰后的增重。拉瓦錫又對鉛、鐵等金屬進行了同樣的煅燒實驗，得到相同的結論。由此拉瓦錫認為燃燒金屬的增重是金屬與空氣的一部分相結合的結果，否定了波義耳的火微粒之說，對燃素說也提出了質疑。那么，與金屬相結合的空氣成分又是什么？當時人們還不了解空氣具有兩種以上組分，拉瓦錫也無從推斷。1774年10月，英國化學家普利斯特列訪問巴黎。在拉瓦錫

37、舉行的歡邀宴會上，普利斯特列告訴拉瓦錫，在3個月前，他曾在加熱水銀灰的實驗中發現一種具有顯著助燃作用的氣體。這信息給拉瓦錫以啟示，他立即著手汞灰的合成和分解。實驗事實使拉瓦錫確信，煅燒中與金屬相結合的決不是火微粒或燃素，可能是最純凈的空氣。1775年末，普利斯特列發表了關于氧元素（他命名為脫燃素空氣）的論文后，拉瓦錫恍然大悟，原來這種特殊物質是一種新的氣體元素。隨后，他對這種新的氣體元素的性質進行了認真的考察，確認這種元素除了助燃、助呼吸外還能與許多非金屬物質結合生成各種酸，為此他把這種元素命名為酸素，現在氧元素的化學符號就是來源于希臘文酸素：oxygene。對氧氣作系統研究后，拉瓦錫明確地指

38、出：空氣本身不是元素，而是混和物，它主要由氧氣和氮氣組成。1778年他進而提出，燃燒過程在任何情況下，都是可燃物質與氧的化合，可燃物質在燃燒過程中吸收了氧而增重。所謂的燃素實際上是不存在的。拉瓦錫關于燃燒的氧化學說終于使人們認清了燃燒的本質，并從此取代了燃素學說，統一地解釋了許多化學反應的實驗事實，為化學發展奠定了重要的基礎。長期以來，水也被看作是一種元素。在氧元素被確認后的1781年，英國化學家卡文迪許在氫氣與普通空氣或氧氣的混和氣中通電、發生火花時，會有水珠的生成，這一實驗證明水是一種化合物。但是由于卡文迪許仍舊信仰燃素說，所以對這一實驗結果不能做出清晰的解釋。卡文迪許的助手布拉格登于17

39、83年6月訪問巴黎時，將這一實驗告訴了拉瓦錫。拉瓦錫立即進行了跟蹤實驗， 不僅合成了水，同時還將水分解為氧氣和氫氣，再次確認了水的組成，并且用氧化理論給以準確的說明。運用氧化理論，拉瓦錫弄清了碳酸氣就是碳與氧元素的化合物。他又根據酒精一類有機化合物在燃燒中大都生成碳酸氣和水的事實，建立了有機化合物的分析法，將有機物在一定體積的空氣和氧氣中燃燒，用苛性堿溶液來吸收其產生的碳酸氣，再從殘留物中計算出生成的水量，由此確定有機化合物中所含的碳、氫、氧三種元素的比例數。根據氧化理論，1777年拉瓦錫發表論文，指出動物呼吸是吸入氧氣，呼出碳酸氣。他與法國科學家拉普拉斯合作，1782年設計了冰的熱量計，測定

40、了一些物質的比熱和潛熱。同時證明動物的呼吸也屬于一種燃燒現象。拉瓦錫的氧化學說是對燃素說的否定，他關于水的組成、空氣的組成等一系列實驗成果是對亞里士多德四元素說的批判，為了與新的理論相適應，1785年，拉瓦錫和他的同行戴莫維、貝托雷、佛克羅伊合作編寫了化學命名法。這本專著強調指出每種物質必須有一固定名稱，單質命名盡可能表達出它的特性，化合物的命名盡可能反映出它的組成，據此他們建議對過去被稱為金屬灰的物質應依據它的組成命名為金屬氧化物；酸、堿物質使用它們所含的元素來命名；鹽類則用構成它們的酸和堿來命名。這樣一來，汞灰應稱為氧化汞，礬油應叫做硫酸等等。從而奠定了現代化學術語命名的基礎，當今所用的化

41、學術語的大部分都是依據這一命名法而來的。拉瓦錫的化學研究有一個重要的特點，他總是有意識地把質量不變的規律作為他思維推理的前提。這種質量守恒的思想在他1789年出版的化學綱要中，作了清楚的闡述，這是他對近代化學發展的又一突出的貢獻。就在化學綱要這部名著中，拉瓦錫總結了他化學研究的實踐經驗，發展了波義耳提出的元素概念，提出元素是化學分析到達的終點，即在當時用任何化學手段都不能分解的物質可稱為元素。據此他還列出了一張包括33種元素的分類表。現在看來，這張表雖然存在一些錯誤，但是世界公認這是第一張真正的化學元素表。就在拉瓦錫在科學研究上取得一個又一個的重要進展時，1789年法國爆發了資產階級的大革命。

42、拉瓦錫雖然主張君主立憲制，但是他還是積極地參與了統一度量衡的改革工作。統一度量衡是法國大革命的重要成果。隨著革命的主導權由大資產階級轉移到小資產階級的代表人物的手中，階級的對抗更為激烈，包括拉瓦錫在內的60人組成的征稅承包商集團成為了革命的對象。所謂征稅承包業指由一批商人組成的集團，把法國國王的部分征稅承包下來，由商人雇用人員到各地強行征收鹽、酒、煙草及其它商品的關稅。包稅商除了上繳給國王一定稅款外，還要從中獲得一定的利潤。這種征稅承包業顯然加重了對平民百姓的盤剝，很自然地成為革命中的眾矢之的。拉瓦錫的家庭經濟狀況足以維持其從事科研的生活，但是拉瓦錫妄圖發財，幾乎在他投身科學研究的同時，于17

43、68年加入了包稅商集團。從此賺錢的買賣花費了他不少精力。他萬萬沒有想到，這一問題為他招來了滅頂之災。1793年，革命政權逮捕了包括拉瓦錫在內的包稅商，第二年以超過法定數4%的收入，謀取610%的利潤的罪行而被處死，一位杰出的科學家正當他事業興旺時，落得這樣一個可悲的結局，當時和后來的許多人都對此深感惋惜。拉瓦錫雖然死了，他對發展近代科學的突出貢獻，后人并沒有抹煞他的科學思想、科學方法長期以來一直成為人們學習和研究的內容，人們從中獲得了不少啟迪和教益。綜觀拉瓦錫的實驗研究和理論建樹，正如有人評論說：拉瓦錫既沒有發現新物質，也沒有提出新的實驗項目，甚至沒有創新或改進實驗手段或方法，然而他卻在重復前

44、人的實驗中，通過嚴格的合乎邏輯的步驟，闡明了所得結果的正確解釋，做出了化學發展上的不朽功績。成功的原因是多方面的，首先他強調了實驗是認識的基礎，他的治學座右銘是：“不靠猜想，而要根據事實。”他在研究中一直遵循“沒有充分的實驗根據，從不推導嚴格的定律”的原則。這種尊重科學事實的思想使他能把前人所作的一切實驗看作只是建議性質的，而不是教條，從而批判地繼承了前人的工作成果，敢于進行理論上的革命。拉瓦錫善于學習，善于進行分析綜合、判斷推理，提出新的學術思想。對于前人的有關研究，他的學習是很認真的。他能把前人對于同一實驗所作的不同解釋加以分析比較，從中發現矛盾和問題，為此他選擇了一些關鍵的跟蹤實驗作為自

45、己研究的突破點，并在實驗中，保持清醒頭腦。在實驗中他除了細致地觀察外，還善于捕捉那些化學反應中各種物質變化的相互聯系，不被表面現象所迷惑，透過現象深入到本質，從整體上去認識反應的本質，因而顯得比別人站得高、看得準。系統嚴格的定量性是拉瓦錫實驗方法的基本特點。他在實驗分析中有一個信條：“必須用天平進行精確測定來確定真理。”根據這一信條，拉瓦錫的實驗研究都明確地運用了定量方法。以量求質，通過數量的確定推翻了水土相互轉化的古老觀念，否定了燃素的存在，揭示了氧氣的實質和燃燒的本質。他能以考察量的變化來推導化學變化的規律，是因為他相信自然界物質的各種變化中，質量是守恒的。他提出質量守恒定律進一步說明了化

46、學定量方法所依賴的前提。拉瓦錫敢于明確地提出這一原理，除了有實驗事實為根據外，他還從“無中不能生有”這一深刻的哲學和“總量等于它的各個分量”的數學公理中獲得了啟示。 化學王國的“語句”方程式化學家用元素符號代表元素，用元素符號的組合分子式代表各種各樣的物質。我們把元素符號和分子式，分別比作英語中的字母和詞匯。這比較清晰地表達了元素符號和分子式之間的關系。化學家正是依照這種思想，把分子式用適當的符號（如+，=）聯結而成的句子來表示物質間的化學反應，這好像用詞匯組成的語句一樣。這樣的句子，化學家稱之為化學反應方程式。 例如，水分解成氫氣和氧氣的反應，可用下述的化學反應方程式來表達： 2H2O（液）

47、= 2H2（氣）+O2（氣）這個化學方程式，如果用文字來表達，那就是：“2摩爾重36克的液態水分解生成2摩爾重4克的氫氣和和1摩爾重32克的氧氣”非常繁瑣難讀。因此，化學中所采用的化學方程式，與元素符號、分子式一樣非常簡潔明了，而且全世界通用。 世界上的物質千千萬萬，它們間的化學反應多種多樣。如酒精的分子式為C2H6O，但這個分子式還可以表示另一種物質甲醚。因此，只用一個化學方程式還不能完全表達清楚，化學家采用一種以結構式代替分子式表示的化學方程式。再如，水的分解是吸熱反應，而氫氣燃燒生成水的反應是放熱反應，這樣，上述的方程式又不能表示，于是化學家就改用一種熱化學方程式來正確表達。關于質量守恒

48、的化學史俄羅斯科學家羅蒙諾索夫通過在密閉容器中焙燒金屬的實驗，在1784年7月5日寫給數學家艾列爾的信中和1760年發表的文章中都談到：“自然界所發生的一切變化都是這樣一種情形，從一個物體中奪取了多少東西，在另一個物體中就加進了多少東西。”所以假如什么地方減少了若干物質，在另一地方就增加了若干物質。羅蒙諾索夫認為，化學變化中物質的質量是守恒的。法國化學家拉瓦錫在進行葡萄汁添加酵母發酵產生酒精和二氧化碳的實驗時，進行了分析測量，得出葡萄汁和酵母中所含氫、氧、氮、碳元素的質量和生成的酒精和二氧化碳中所含的元素的質量相等。于是得出結論：“無論是人工的或自然的作用都沒有創造出什么東西，物質在每一反應前

49、的數量等于反應后的數量，這可認為是一個公理”。質量守恒定律的發展愛因斯坦的質能關系公式E = mc2（E表示能量；m表示質量；c表示光的速度，大小為3×108m/s）說明物質可以轉化為輻射能，輻射能也可以轉化為物質。這個結論與質量守恒定律有何聯系呢？實驗結果證明1000g硝化甘油爆炸以后，放出的能量為8×106J。根據質能公式計算，產生這些能量的質量是0.89×10-7g。從實用角度講，其中的誤差是可以忽略的，即可以認為在化學反應中質量守恒定律是完全成立的。20世紀以來，人們對質量守恒定律有了新的認識，承認兩個獨立的定律質量守恒定律和能量守恒定律。現在科學家將這兩

50、種定律合二為一，稱為質能守恒定律。質量守恒定律發現簡史1756年俄國化學家羅蒙諾索夫把錫放在密閉的容器里煅燒，錫發生變化生成了氧化錫，但容器和物質的總質量在反應前后并沒有改變。經過反復的實驗，都得到同樣的結果。于是羅蒙諾索夫認為在化學變化中物質的質量是守恒的。但他的這一發現并沒有引起科學家們的注意，直到1777年法國化學家拉瓦錫做了同樣的實驗，也得到同樣的結論，這一結論才獲得公認。但要確切證明或否定這一結論，都需要極精確的實驗結果，而拉瓦錫時代的工具和技術都不能滿足嚴格的要求。直到1908年德國化學家郎道耳特及1912年英國化學家曼萊做了精確度極高的實驗來驗證這個結論，科學家們才一致承認了這一

51、定律。質量守恒定律的發現1789年，隨著法國資產階級大革命爆發，拉瓦錫的歷史名著化學概論也出版了。在化學概論中，拉瓦錫第一次用清晰的語言把質量守恒定律表達出來，用實驗進行了驗證，并說明了它在化學中的應用。拉瓦錫的發現很快被各國科學家所接受，在科學界廣為傳播，并產生了深遠的影響。在化學概論中他寫到：“無論是人工的或是自然的作用都沒有創造出什么東西。物質在每一化學反應前的數量等于反應后的數量，這可以算是一個公理。”根據這樣的指導思想，拉瓦錫第一次寫出了糖變酒精發酵過程的表達式： 顯然，這是現代化學反應方程式的雛形。拉瓦錫已深深意識到這種表述方式的重要性，所以又寫道：“我們可以設想，把參加發酵的物質和發酵后的生成物列成一個代數式，再逐個假定方程式中的某一項是未知數，通過求解方程，就可算出某項的值來。這樣一來，既可以用計算來檢驗我們的實驗，也可以用實驗來驗證我們的計算。我經常卓有成效地用這種方法修正實驗的初步結果，使我能通過正確的途徑重新進行實驗，直至獲得成功。”在拉瓦錫眼里，化學反應前后質量關系如同賬目的收支一樣，應