真正為原子論提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)的不是物理學(xué)家，而是化學(xué)家。但是在此之前，還有一個(gè)障礙需要清除：什么是元素?亞里士多德認(rèn)為世界由氣、火、水、土四種元素組成(在天上還有第五種元素——以太)。這個(gè)觀點(diǎn)被視為真理信奉了2000年。煉金術(shù)士在此基礎(chǔ)上增加了三種元素：汞、硫和鹽，但并非指具體的物質(zhì)，而是分別用來代表金屬性、可燃性與非金屬性、溶解性。波義耳在1661年發(fā)表《懷疑派的化學(xué)家》，對(duì)亞里士多德的四元素學(xué)說和煉金術(shù)的三元素學(xué)說都進(jìn)行了批判，認(rèn)為這些傳統(tǒng)的元素都不是真正的元素。他提出，元素應(yīng)該是指既不能由其他物質(zhì)生成，也不能相互轉(zhuǎn)換，無法再分解的某種原始、簡(jiǎn)單的東西。他提出，元素的種類有很多，什么東西能被算是元素，要用實(shí)驗(yàn)來確定。100多年后，法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫在1789年出版的《化學(xué)概要》一書中，列出了33種元素，盡管其中有些元素其實(shí)是化合物，而且他把光、熱也當(dāng)成元素，但是這是第一張現(xiàn)代意義上的元素表，包含了許多真正的元素，例如氧、氮、氫、硫、磷、碳、銅、錫、鐵、錳、汞等等。

拉瓦錫明確地把元素定義為無法用任何方法分解的物質(zhì)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了質(zhì)量守恒定律：在化學(xué)變化中物質(zhì)的質(zhì)量是守恒的，物質(zhì)不能被創(chuàng)造也不能被消滅。另一位法國(guó)化學(xué)家普魯斯特根據(jù)一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在1799年提出定比定律：每一種化合物，無論是用什么方法制成的，其組成元素及質(zhì)量都有確定的比例。這條定律在今天看來其實(shí)是化合物的定義，但是在當(dāng)時(shí)。化合物和混合物的概念還沒有做出明確的區(qū)分，因此這條定律的提出受到了許多化學(xué)家的反對(duì)，他們認(rèn)為元素能夠以任何比例相互結(jié)合。

1803年，英國(guó)化學(xué)家道爾頓發(fā)現(xiàn)如果一種元素的質(zhì)量固定，那么和它結(jié)合的另一元素在各種化合物中的質(zhì)量一定和它成簡(jiǎn)單的整數(shù)比，而不會(huì)是分?jǐn)?shù)。在1808年出版的《化學(xué)哲學(xué)的新體系》一書中，道爾頓根據(jù)這些定律系統(tǒng)地提出了原子論。

道爾頓認(rèn)為，元素是由極為微小的微?！咏M成的。一種元素的所有原子全都一樣，但是與其他元素的原子不同。不同元素的原子能夠根據(jù)其相對(duì)重量(原子量)區(qū)分開來。一種元素的原子能和其他元素的原子形成化合物，組成一種化合物的不同元素的原子總是有同定的比例。在化學(xué)變化中，原子不能被創(chuàng)造、分割或毀滅?；瘜W(xué)反應(yīng)不過是改變了原子結(jié)合的方式。這樣，道爾頓把原子論從哲學(xué)學(xué)說變成了有堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)、可以預(yù)測(cè)和驗(yàn)證的科學(xué)理論，為化學(xué)研究奠定了理論基礎(chǔ)，讓化學(xué)真正成為了一門科學(xué)。

但是就在道爾頓系統(tǒng)提出原子論的這一年，原子論遇上了一點(diǎn)兒麻煩。法國(guó)化學(xué)家蓋·呂薩克發(fā)現(xiàn)氣體化合體積定律，在同溫、同壓下，參加同一反應(yīng)的各種氣體的體積互成簡(jiǎn)單的整數(shù)比。例如，氫氣和氯氣化合生成氯化氫時(shí)，三者的體積比為1:1:2。也就是說，1體積的氫氣和1體積的氯氣生成了2體積的氯化氫。根據(jù)道爾頓原子論，同體積氣體中所含原子的數(shù)目必然相同，這就意味著生成1個(gè)原子的氯化氫需要0，5個(gè)原子的氫氣和0，5個(gè)原子的氯氣。但是這就與原子是化學(xué)反應(yīng)中不可分割的最小微粒的說法相矛盾了。因此道爾頓干脆否認(rèn)蓋·呂薩克的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

之所以會(huì)出現(xiàn)這個(gè)矛盾，是由于在道爾頓原子論中，沒有分子的概念，把所有的物質(zhì)都看成是由原子直接組成的。意大利化學(xué)家阿伏伽德羅在1811年提出，1個(gè)氣體分子可由2個(gè)或2個(gè)以上的相同原子組成，而且在同溫、同壓下，相同體積的氣體都含有相同數(shù)目的分子。根據(jù)這個(gè)觀點(diǎn)，從氣體化合體積定律可以推導(dǎo)出，1個(gè)分子的氯化氫需要0，5個(gè)分子的氫氣和0，5個(gè)分子的氯氣，但是這與原子論并不矛盾，因?yàn)?，5個(gè)分子的氫氣和0，5個(gè)分子的氯氣分別是1個(gè)原子的氫氣和1個(gè)原子的氯氣，原子并沒有被分割。阿伏伽德羅的分子論完善了原子論，完滿解釋了氣體化合體積定律。

然而，原子論的最大缺陷是，原子無法被直接觀察到，這讓許多物理學(xué)家無法相信原子是真實(shí)存在的。到了19世紀(jì)末，原子是否真實(shí)存在，成了科學(xué)爭(zhēng)論的一大熱點(diǎn)。

在反對(duì)原子論的物理學(xué)家中，影響最大的是奧地利物理學(xué)家馬赫。他承認(rèn)原子是一個(gè)有用的概念，可以用來解釋很多現(xiàn)象，但是這并不等于原子就是真實(shí)存在的。由于原子不能被直接觀察到，所以馬赫認(rèn)為它只是一個(gè)假想的概念而已。

只有少數(shù)物理學(xué)家堅(jiān)定地捍衛(wèi)原子論，其中嗓門最高的是統(tǒng)計(jì)力學(xué)的創(chuàng)建者、奧地利物理學(xué)家玻爾茲曼，他的統(tǒng)計(jì)力學(xué)是建立在原子論的基礎(chǔ)上的，如果原子、分子不是真實(shí)存在的話，他的主要學(xué)術(shù)成果也就成了泡影。為此他與馬赫等人展開了激烈的論戰(zhàn)。但是在戰(zhàn)斗中他顯得很孤單，由于無法說服大多數(shù)物理學(xué)家接受原子論，玻爾茲曼心灰意冷，患上了嚴(yán)重的憂郁癥，最終付出了生命的代價(jià)——于1906年9月5日自殺身亡。

可惜的是。在玻爾茲曼自殺兩三年后，原子的存在就被實(shí)驗(yàn)直接證實(shí)了，原子論在物理學(xué)界取得了完全的勝利。原子(或分子)存在的直接證明首先來自對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)的研究。1827年，蘇格蘭植物學(xué)家布朗用顯微鏡觀察水中的花粉時(shí)，發(fā)現(xiàn)花粉在做不規(guī)則的抖動(dòng)。他接著觀察水中的灰塵，發(fā)現(xiàn)它們也在抖動(dòng)，表明這種無規(guī)則運(yùn)動(dòng)并不是由于生命運(yùn)動(dòng)引起的，液體中各種不同的懸浮微粒都能做布朗運(yùn)動(dòng)。1905年，愛因斯坦在一篇論文中指出，布朗運(yùn)動(dòng)是由于周圍液體分子的不平衡碰撞導(dǎo)致的，這個(gè)現(xiàn)象是分子(以及原子)存在的直接證據(jù)，并建立數(shù)學(xué)模型做了理論計(jì)算。1908年，法國(guó)物理學(xué)家貝蘭用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了愛因斯坦的計(jì)算結(jié)果。

貝蘭的實(shí)驗(yàn)結(jié)果出來后，許多反對(duì)原子論的物理學(xué)家都改變了立場(chǎng)。除了布朗運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，讓反對(duì)原子論的人覺得原子論真實(shí)可信的還有英國(guó)物理學(xué)家湯姆孫對(duì)電子的發(fā)現(xiàn)。它是湯姆孫于1897年在研究陰極射線管時(shí)發(fā)現(xiàn)的。陰極射線管是一種抽了真空的玻璃管，一端有電極。給陰極射線管加上電流，就有發(fā)光的射線從電極射出。湯姆孫注意到，帶正電的板會(huì)吸引射線，而帶負(fù)電的板則排斥射線，因此該陰極射線是帶負(fù)電的。他推導(dǎo)出陰極射線是由帶負(fù)電的粒子(即電子)組成的，并計(jì)算出電子比最小的原子(氫原子)小大約2000倍，因此它們是原子的組成部分。

電子的發(fā)現(xiàn)不僅證實(shí)了原子的存在，而且表明原子并不是不可切割的，還有比原子更小的粒子。由于物質(zhì)一般并不帶電，既然電子帶負(fù)電，那么原子內(nèi)部必然還有帶等量正電的部分。湯姆孫設(shè)想，原子是一團(tuán)帶正電的云，里面撒著一些電子。

怎么驗(yàn)證這個(gè)理論呢?需要有某種東西小到能夠穿透原子。恰好在1900年左右，人們發(fā)現(xiàn)放射性現(xiàn)象，有些礦物質(zhì)會(huì)自發(fā)地發(fā)射出幾種射線，其中一種射線是由帶正電的阿爾法粒子組成的。1911年，英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福用阿爾法粒子當(dāng)子彈射向金箔。阿爾法粒子大約比電子重7400倍，如果湯姆孫的理論是正確的，那么阿爾法粒子就能全部輕易地穿透金原子，照亮金箔后面的屏幕。

實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)了意想不到的結(jié)果。雖然大部分粒子穿透了金箔，但是有相當(dāng)一部分出現(xiàn)了折射，還有少數(shù)粒子被反射了回來。盧瑟福因此認(rèn)為湯姆孫的原子模型是錯(cuò)誤的，并提出原子是由集中了原子的質(zhì)量、帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成的，那些發(fā)生折射、反射的粒子是正好撞上了堅(jiān)實(shí)的原子核。

有了盧瑟福的發(fā)現(xiàn)，原子的存在已毫無疑義。但是馬赫至死不相信原子的真實(shí)性，畢竟原子是沒法看到的!然而，在1981年，人們用掃描隧道顯微鏡首次觀察到了單個(gè)原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)。

雖然馬赫等人對(duì)原子論的批評(píng)最終被證明是錯(cuò)誤的，但是這一爭(zhēng)論是相當(dāng)重要而且有益的。它是正當(dāng)?shù)膶W(xué)術(shù)爭(zhēng)論，迫使相信原子論的人們?nèi)ふ夷軌虼_鑿地證明原子的存在的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，讓原子論完全、徹底地?cái)[脫了哲學(xué)思辨的陰影，讓物理和化學(xué)有了更堅(jiān)實(shí)可靠的基礎(chǔ)。