1.3.1 從五行到原子
琥珀可以摩擦產生靜電，這是人類與電子有關的最早的觀察，盡管當時人們並不知道這與電子有關，因而使它帶有很多神秘的色彩。但是，這卻是人類最早以實驗方式加以證實了的與物質微觀結構有關的記載。隻是他們不可能知道電子的真實含義，更無從知道電子隻是物質最基本結構——原子中的一個配件而已。而早期人類提出的原子概念與電子不同，沒有任何實驗和觀察作為依據，完全是一種思辨的結論，但卻是重要的結論。
麵對大千世界，人類不可能不產生各種各樣的猜想。無論是遙遠星空、廣闊大海，還是高山大川、廣袤原野，都吸引著人們探尋其中的奧妙。而經由石器時代到青銅時代，再到鐵器時代的人類，對這些金屬材料和水、土、木、石等各種物料也在積累了大量直觀的經驗基礎上，企圖找到這些物質的內在聯係。盡管生活在地球各大洲不同的地方，早期人類的生產力發展基本都經曆了類似的階段，也在各自生息的地方，對世界的本源，提出了大體上相同的觀點。這就是以現實中人類經常使用的材料為基礎所提出的以五行說為代表的宏觀元素的觀點。
但是，最接近現代人對物質結構認識的並非五行說，而是“原子”這一概念的提出。這是超越當時所有物質觀的一種新的構思。
最早提出原子概念的是希臘學者德謨克利特。他的原子論思想的基本要點是認為一切事物的始元是原子和虛空。其餘一切都隻是幻想。世界上的萬物，是有生有滅的，沒有任何東西從無中來，無中不能生有，也沒有任何東西在毀壞之後歸於無。原子在大小和數量上都是無限的。它們在整個宇宙中由於一種旋渦運動而變化著，並因此而形成若幹複合物，也就是歐洲早期文明認為的四大元素：火、水、氣、土。德謨克利特還認為原子是自然界的實體，一切都從原子產生，一切也分解為原子。宏觀世界經常不斷地變化乃至毀滅，但是作為一種固定東西的原子本身卻始終是物質的基礎。
在德謨克利特的古希臘原子論中，物質實體的產生和消滅被解釋為微小的堅硬的不可毀滅的粒子的聯結和飛散。物質守恒的原理在這裏已被認識到（即所謂“無中不能生有”）。
同時，德謨克利特的原子論在原子的相互作用這個重要問題上持決定論態度。“原子的相互作用”被認為是由“必然性”所決定的。這一思想閃耀著樸素的科學求真的光芒。當然，對這種“原子的相互作用”如果要給出科學的實驗證明，與原子本身的奧秘被徹底解開一樣，需要漫長的曆史等待。
德謨克利特出生在希臘東北方的工業城市阿布德拉的一個富商之家。阿布德拉是一個繁華的城市，經濟發達，物產豐富。
德謨克利特從小就見多識廣。小時候，他曾是波斯術士和星象家的學生，接受了神學和天文學方麵的知識，對東方文化有著濃厚的興趣。他在學習和研究的時候非常專心，經常把自己關在花園裏的一間小屋裏。一次，父親從小屋裏牽走了一頭牛，他都沒有察覺。他的想象力很豐富，並且刻意培養自己的想象力，有時他到荒涼的地方去，或者一個人呆在墓地裏，以激發自己的想象。
德謨克利特成人後，來到雅典學習哲學，後來又到埃及、巴比倫、印度等地遊曆，前後長達十幾年。他在埃及居住了5年，向那裏的數學家學習了3年幾何。他曾在尼羅河的上遊逗留，研究過那裏的灌溉係統。在巴比倫，他向僧侶學習如何觀察星辰，推算日食發生的時間。回到故鄉阿布德拉後，他擔任了該城的執政官。在繁忙的政務之餘，他始終沒有放棄追求哲學和自然科學知識，在藝術方麵也有一定的造詣。
1.3.2 由表及裏的探尋之路
盡管德謨克利特第一個提出了原子的概念和基本特性。但是，探尋原子奧秘的道路卻漫長而艱辛。從原子概念的提出到真正解開原子之謎，人類經曆了上千年的時間。
如果說靜電現象的發現隻是從物質的表麵捕捉到了電子蹤跡，而要認識物質的本原，找到原子的蹤跡，需要深入到物質的內部，去窺探原子的真實麵貌。要達到這一步，需要積累對事物的大量觀察和試驗。在這上千年的探索中，人類並非都隻是消極的等待，而是通過大量的實踐和對事物的細致地觀察，一步一步地接近著真相。在這漫長的探索過程中，東西方的煉丹家和煉金術士都做出了大量貢獻。
隻有當神秘讓位於科學之後，覆蓋在原子表麵厚厚的麵紗，才被一點點地揭開。
1661年，自然哲學家羅伯特·波義耳出版了《懷疑的化學家》一書。他認為物質是由不同的“微粒”或原子自由組合構成的，而並不是由諸如氣、土、火、水等基本元素構成。可以說，波義耳是最早把化學確立為科學的化學家。
波義耳生活在英國資產階級革命時期，這個時期是近代科學開始出現的時代，也是一個科學人才輩出的時代。波義耳1627年1月25日，生於愛爾蘭的利茲莫城。就在他誕生的前一年，提出“知識就是力量”著名論斷的近代科學思想家弗朗西斯·培根剛去世。偉大的物理學家牛頓比波義耳小16歲。近代科學偉人，包括意大利的伽利略、德國的開普勒、法國的笛卡兒都生活在這一時期。
波義耳出生在一個貴族家庭，家境優裕為他的學習和日後的科學研究提供了較好的物質條件。童年時，他並不是特別聰明。他很文靜，說話還有點口吃，沒有哪樣遊戲能使他入迷。但是比起他的兄長們，他卻是最好學的，特別是喜歡讀書，常常書不離手。8歲時，父親將他送到倫敦郊區的伊頓公學，在這所專為貴族子弟開辦的寄宿學校裏，他學習了3年。隨後他和哥哥法蘭克一起在家庭教師陪同下來到當時歐洲的教育中心之一——日內瓦，在這裏生活了兩年。在這兩年裏，他學習了法語、實用數學和藝術等課程，更重要的是，瑞士是宗教改革運動中出現的新教的根據地，反映資產階級思想的新教教義熏陶了他。此後，波義耳在實際生活中雖然未參與任何一派，但是他在思想上一直是傾向於革命的。1641年，波義耳兄弟又在家庭教師陪同下遊曆歐洲，年底到達意大利。在旅途中，即使騎在馬背上，波義耳仍然手不釋卷。就在意大利，他閱讀了伽利略的名著《關於兩大世界體係的對話》。這本書給他留下了深刻印象，20年後，他的名著《懷疑的化學家》就是模仿這本書的格式寫的。他對伽利略更是推崇備至。
為了確立科學的化學，波義耳考慮到首先要解決化學中一個最基本的概念：元素。最早提出元素這一概念的是古希臘一位著名的唯心主義哲學家柏拉圖。他用元素來表示當時認為是萬物之源的基本要素：火、水、氣、土。這一學說曾在2000多年裏被許多人視為真理。後來，醫藥化學家們提出的硫、汞、鹽的三要素理論也風靡一時。波義耳通過一係列實驗，對這些傳統的元素觀產生了懷疑。他指出，這些傳統的元素實際未必就是真正的元素。因為許多物質，如黃金就不含這些“元素”，也不能從黃金中分解出硫、汞、鹽等任何一種元素。恰恰相反，這些元素中的鹽卻可被分解。
那麼，什麼是元素？波義耳認為，隻有那些不能用化學方法再分解的簡單物質才是元素。例如黃金。雖然黃金可以同其他金屬一起製成合金，或溶解於王水之中，但是仍有方法使其恢複原形，重新得到黃金。水銀也是如此。
至於自然界元素的數目，波義耳認為，作為萬物之源的元素，將不會是亞裏士多德的4種，也不會是醫藥化學家所說的3種，而一定會有許多種。
現在我們知道，波義耳的元素概念實質上是提出了單質的概念。而元素的定義應是具有相同核電荷數的同一類原子的總稱。現在的這種科學認識是在波義耳之後，又曆經300多年的發展，直到20世紀初才確立的。從這個角度看，波義耳當時能批判四元素說和三要素說而提出科學的元素概念已很不簡單，是認識上的一個了不起的突破，使化學第一次明確了自己的研究對象。
在《懷疑的化學家》一書中，波義耳在明確闡述上述兩個觀點的同時，還強調了實驗方法和對自然界的觀察是科學思維的基礎，提出了化學發展的科學途徑。波義耳深刻領會了培根重視科學實驗的思想，他反複強調，“化學，為了完成其光榮而又莊嚴的使命，必須拋棄古代傳統的思辨方法，而像物理學那樣，立足於嚴密的實驗基礎之上。”波義耳也正是這樣身體力行的。波義耳把這些新觀點、新思想帶進化學，解決了當時化學在理論上所麵臨的一係列問題，為化學的健康發展掃平了道路。
1.3.3 原子論
1789年，法國著名化學家拉瓦錫發表了《化學基礎》。他在這部集他的觀點之大成的教科書中，定義了原子一詞。從此，原子就成為了表示化學變化中的最小單位。不過，這個時候的原子概念離科學還有一定距離。在這部書裏，拉瓦錫也定義了元素的概念。關於他和他論證元素的故事，我們在下一章中有詳細的介紹。這裏需要強調的是，到1795年左右，歐洲大陸已經基本接受了拉瓦錫的理論。而奠定原子論基礎的是自學成才的科學家約翰·道爾頓。
1766年9月6日，道爾頓生於英格蘭北方坎伯雷特。父親是一位兼種一點薄地的織布工人，母親生了6個孩子，有3個因生活貧困而夭折。道爾頓6歲起在村裏教會辦的小學讀書，剛讀完小學，就因家境困難而輟學。但是他酷愛讀書，在做農活的空閑還堅持自學。道爾頓從12歲起就靠自己的收入維持生活了。他最初的職業是做學校的教師，同時又是這所學校的創建者。他把村子裏的孩子召集在一起，由他這個12歲的老師來授課，有的學生比老師的年齡還要大。這是一所很奇特的學校，隻維持兩年就停辦了。此後，據說道爾頓曾跟隨家境相當富裕的叔父出入田間，度過了一段農民生活。這個工作未能使他稱心，不久，他到了距離家鄉40英裏（1英裏=1609.344米）的南郊城鎮肯達爾工作，在一所教友派學校任教。