歷史的故事化學的故事

原子擴散進行曲

  
  他是一個勇士,總是奔往宇宙裡最廣闊的空間。也許中間經過無數的碰撞,經過無數的轉折,他依然前往,甚至抵達銀河系的邊緣,依然勇往直前。他的名字叫『原子』。

  
  我們很少去想,到底『原子有沒有個性?』。因為原子太小了,太抽象了,即使所有的生命與物質都是由『原子』組成,還是很少人在乎原子的存在,更少人去注意原子的行為。其實,人所有看的見的,都是受那看不見的小粒子,如原子、分子、離子所影響。德國就有一個科學家菲克( Adolf Eugen Fick, 1829-1901),思考那看不見的原子與原子的行為,並在1855年,提出原子在空間上的運動方式,是由原子數目較多的地方,逐漸移到數目較少的地方,這稱為擴散(diffusion)運動。


  菲克是個醫生,他在馬德堡大學(University of Marburg)唸的是醫學系,但是他喜愛的是數學。當他把數學與醫學結合時,數學成為他有力的工具,分析生理現象的問題。他由人體的呼吸作用,注意到氣體在水中溶解。他認為水中的氣體分子溶進水中的機制,是由空氣中數目較多的分子,進入數目較少的水中,所以氣體在空氣與水面間的溶解程序,是一種擴散現象。因這研究,他被後世稱為『生物物理學之父』。


  他由實驗的結果,計算發現,氣體的數目相差愈大,溶進水中的速率愈快。溶進水中後,氣體分子在水中的四散分佈,也與水中的濃度成正比。這如同,我們將咖啡放入杯中,咖啡也會逐漸分散到杯中液體的每一個角落。這種日常生活中的經驗,正呈現出離子或分子在水中的擴散現象,只是擴散的速度較為緩慢,若用湯匙在咖啡杯中攪動,就可以增加咖啡分佈均勻的速度,這種現象稱為離散(dispersion)運動。


  因著擴散的機制,水裡的魚類才能自空氣中獲得足夠的氧氣來存活;土壤水份中的離子才能移動至根區,供為植物的營養份。自然界許多的生命,就靠此而存活,而這機制的背後是微小的分子、離子、原子有一個移動的法則─總是向開闊的空間前進,充滿每一個地方。『充滿』是一種祝福,否則宇宙龐大的空間,沒有分子、原子或離子前往,未免太孤單了。


Go top