核化学？到底什么是化学？

前段吃饭时，有同事抛出一个问题：什么是化学？

细想来，这确实是一个不太好回答的问题。

很多人认为化学只是“试管和烧杯”的科学，但实际上，它是一门关于“变化”的哲学。从这个角度来说，中文的“化学”二字的确很好的体现了它的精髓。

但这里所谓“变化的哲学”该如何理解呢？

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什么是化学？

若用一句话来定义化学，那么它就是——研究物质的组成、结构、性质及其变化规律的科学。

但这个标准定义看起来太教科书式了！能否在通俗定义的同时，厘清化学和物理以及生物的区别呢？

当然没问题！

通俗地说，如果说物理学研究的是宇宙的游戏规则（力、能量、时空），生物学研究的是游戏里的高级玩家（生命体），那么化学研究的是如何用乐高积木（原子）搭出整个世界，以及这些积木如何重新排列组合。

化学（Chemistry）这个词，据考究，很可能源自古埃及语“Khem”（黑土），它的意思是指尼罗河畔肥沃的土壤，象征着生命的孕育和物质的转化。

化学的原型是炼金术（Alchemy）。古代的各国的贵族、方士和术士们一般都梦想着实现两个目标：长生不老和点石成金。

所以，他们就纷纷投身旷日持久的炼仙丹和熬黄金活动中，就像《百年孤独》中的梅尔基亚德斯那样，当然还包括大神牛顿——他一生中大部分时间都在搞炼金术。

虽然他们所做的事普遍都带有巫术和迷信色彩，甚至很多都是荒诞不经的，但在漫长的捣鼓过程中，他们逐渐掌握了蒸馏、结晶、升华等核心技术。他们是人类文明史上最早试图“改变物质身份”的人。

随着人类文明进入17-18世纪，化学开始逐渐摆脱炼金术的巫术色彩。这个过程中，有四位重要人物起了重要的推动作用。

罗伯特·波义耳

第一位是罗伯特·波义耳（Robert Boyle，1627~1691），英国物理学家和化学家，近代化学的奠基人。他提出“元素”的概念，打破了“地火水风”的四元素说。

安托万-洛朗·德·拉瓦锡

第二位是安托万-洛朗·德·拉瓦锡（Antoine-Laurent de Lavoisier，1743~1794），法国化学家，被后世尊称为“近代化学之父”。他开始使用天平定量研究，提出了“质量守恒定律”。他告诉世界：物质不会凭空消失，只会换个形式存在。这标志着近代化学的诞生。

约翰·道尔顿

第三位是约翰·道尔顿（John Dalton，1766~1844），英国化学家。他提出物质是由微小的、不可分割的原子组成的，化学反应本质上是原子的重新排列组合。道尔顿将“原子”从哲学猜想变成了科学模型，让化学家第一次能在脑海中构建微观世界的图像。

德米特里·门捷列夫

第四位是德米特里·门捷列夫（Dmitri Mendeleev，1834~1907），俄国化学家，他绘制了化学的“藏宝图”——元素周期表。从此，化学家有了预测未知的指南针。

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化学、物理和生物

很多人会感到困惑：既然世界万物都是原子组成的，那化学、物理和生物到底该如何区分呢？

首先来看化学和物理，简单地说，它们研究的尺度与焦点的不同。

物理（Physics）喜欢走两个极端。要么研究极大的（宇宙、黑洞），要么研究极小的（夸克、胶子、量子场论）。物理学家关心“力”和“原理”。

化学（Chemistry）关注的是中间层——分子和原子层面。化学家不关心夸克是什么颜色的，他们关心的是：当电子在两个原子之间共享或转移时，会发生什么？

打个比方，物理学研究这一记重拳的力学原理（F=ma）和肌肉纤维的弹性；而化学研究为什么两个人见面会从“陌生人”变成“朋友”——化学键的形成，或者为什么点火后汽油会爆炸——化学反应。

它们的核心区别在于， 化学的核心是电子的互动（化学键），而物理涵盖了从原子核内部到宇宙边缘的所有相互作用。

再看化学和生物，简单的说，它们是硬件与软件的区别。

生物学是软件，关注生命现象（遗传、演化、生态）；而化学则是硬件，它是生物学的“底层语言”。

它们的结合体——生物化学（Biochemistry）则告诉我们，DNA不是神秘的生命螺旋，而是一堆碳、氢、氧、氮、磷原子按照特定化学键连接起来的大分子。

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为什么“核变化”属于化学？

按照现代定义，化学反应只涉及核外电子的重排，原子核是不变的。一旦原子核变了（比如铀变成了钍），这就是核物理范畴。

那为什么会有“核化学”？为什么卢瑟福拿了化学奖？

这需要回到20世纪初，那个科学分类尚未定型的“混沌年代”。

在19世纪末20世纪初，判断一个科学家是物理学家还是化学家，主要看他在干什么。

如果你在测定重力、光速、电磁波，你是物理学家。如果你在提炼新物质、分离沉淀、测定原子量，你就是化学家。

在当时，发现新元素（Element）被公认为是化学的最高荣耀。

玛丽·居里

当放射性被发现时，居里夫人（Marie Curie）、卢瑟福（Ernest Rutherford） 等人面对的是未知的放射性矿物。为了搞清楚里面是什么，他们必须使用化学方法（溶解、过滤、沉淀、结晶）来分离物质。

欧内斯特·卢瑟福

卢瑟福被誉为“核物理之父”。他提出了原子核式结构模型，是个彻头彻尾的硬核物理学家。他甚至说过一句名言：“科学只有物理一个学科，其他不过是集邮。”（意指其他学科只是在收集现象，不如物理触及本质）。

然而，1908年，瑞典皇家科学院决定给他颁发诺贝尔化学奖。

理由是： 他证明了放射性是元素的蜕变（Transmutation）。 在当时的人看来，把一种元素变成另一种元素，这实现了千百年来炼金术士（Alchemist）的梦想！既然涉及到了“元素身份的改变”，评委会认为这理所当然是化学的范畴。

卢瑟福在领奖致辞时幽默地说：“我处理过许多不同的变化，但在这一瞬间，从物理学家变成化学家，是我一生中经历过的最绝妙的变化”。

到了1938年，奥托·哈恩（Otto Hahn）发现了核裂变。这是一个纯粹的原子核崩解过程（物理过程）。但他为什么拿的是1944年的诺贝尔化学奖？

奥托·哈恩

因为发现的过程是纯化学的。 当时物理学家（包括玻尔等大咖）都认为用中子轰击铀，只能得到比铀更重的元素（超铀元素）。但哈恩和他的助手斯特拉斯曼在产物中发现了钡（Barium）。

钡的原子量只有铀的一半左右。哈恩作为顶尖的放射化学家，用精湛的化学分析技术，无可辩驳地证明了那个产物就是钡。这意味着原子核被“劈开”了。

这背后的逻辑是：物理学家提出了理论限制，而化学家通过对物质的定性分析，推翻了物理理论，发现了新现象。因为是对“物质组成”的鉴定做出的贡献，所以颁发了化学奖。

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核化学与放射化学

众所周知，原子核归物理管，这导致了一个重要学科——核物理（Nuclear Physics），但为什么还有核化学（Nuclear Chemistry）和放射化学（Radiochemistry）学科呢？

这是因为物理和化学关注的侧重点不同！

核物理关注的主要问题是，原子核内部的力（强相互作用、弱相互作用）、基本粒子（夸克、中微子）和能量的来源等等。

而核化学关注的问题主要有以下几个方面。

第一，元素的演化：恒星是如何像炼丹炉一样合成重元素的？

第二，同位素的化学性质：比碳-14和普通碳在化学反应中几乎一样，但我们可以利用它的放射性来做“标记”，追踪药物在人体内是如何代谢的。

第三，分离与提纯：核电站烧完的核废料怎么处理？如何从一堆放射性汤汁里把有用的钚提取出来？这需要极其复杂的化学萃取工艺。

第四，合成新元素：周期表末尾那些只有几毫秒寿命的人造元素，虽然是物理轰击产生的，但鉴定它们是否存在、放在周期表哪个位置，依然是化学的逻辑。

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量子化学与计算化学

随着量子力学和计算技术的发展，现代科学进入了一个新阶段，出现了量子力学、计算机和数学相结合的学科。

在化学中，主要是量子化学（quantum chemistry）和计算化学（omputational chemistry），前者是利用量子力学原理从微观层面研究原子和分子的电子结构、化学键本质及光谱特性的基础学科。而后者则是将这些量子力学或经典力学理论转化为计算机算法，通过数值模拟来预测分子的稳定性、反应路径及化学性质的应用学科。

在物理中，典型的就是计算凝聚态物理（condensed matter physics），它是利用高性能计算手段，在量子力学框架下模拟并预测固体、液体等宏观物质在原子尺度上的集体行为、电子能带及其物理性质的科学。

同样是基于量子力学的计算，物理和化学之间有什么区别呢？

首先是，它们 关注点存在明显差异，简单地说是普适性与特异性的不同。

计算凝聚态物理，侧重于宏观普适性。物理学家关注成千上万个原子聚集时的行为，如超导性、磁性、半导体能带。他们往往将模型简化（比如把原子看作一个点），以寻找物质状态的统一规律。

量子/计算化学，侧重于分子特异性。化学家关心的是：这一个特定的分子（如某种抗癌药）为什么有这种活性？电子云在特定空间如何分布？化学是关于“分子多样性”的科学。

其次是，它们的目的驱动不同，简单地说，工具是物理的，而房子是化学的。

虽然量子化学家每天都在处理复杂的物理和数学问题，但归根结蒂，他们的目标驱动力是完全化学的。

一般说来，物理学家可能研究电子在晶格里的运动。进而研究由此而带来的力、热、光和电磁性质。

而化学家研究的是：化学键在这一瞬间是如何断裂并重组的？之所以叫“计算化学”，是因为这些计算最终回答的是典型的化学问题：这个反应快不快？这个分子稳不稳定？这种颜色是怎么产生的？

总的来说，当工具箱里装的是物理公式，但解决的是分子的“个性”问题时，它就属于化学。

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省流：到底什么是化学？

化学，是一门从物理学底层规律中演化而来、转而探究物质复杂性与多样性的科学。它处在物理学与生物学之间，构成了一座承上启下的桥梁。

它不像物理那样，总试图通过层层剥离去追求“大统一理论”的至简美学；也不像生物学那样，直接面对生命系统那令人敬畏的涌现与复杂。化学的迷人之处在于，它总是专注于物质的“个性特征”——它研究每一个原子、每一个基团在吸附、取代和交换时，如何造就不同的物质。

如果说，物理学为人类提供了透视世界的显微镜，那么，化学则为人类编写了改造世界的说明书。

如今，随着学科交叉越来越深入，学科标签不再重要。

各种科学期刊早就深谙这一点——不要说化学物理（JCP）还是物理化学（JPC），甚至物理化学化学物理（PCCP）早就成为经典的SCI期刊了。这或许说明，在原子与分子的研究尺度上，绝对割裂 P（物理）与 C（化学）是行不通的。

也许在不久的将来，物理与化学的研究边界将会越来越模糊，但正如上文所述，无论学科交叉多么深入，它们各自不同基因仍将长期保持。

物理学将继续执着于探寻那普适的、统一的物质和能量相互作用的规律；而化学则将永远热衷于在那千变万化的排列组合中，去捕捉、去创造那独一无二的新的物质奇迹！

参考文献

https://edu.rsc.org/feature/what-are-the-differences-between-physics-and-chemistry-in-teaching-and-thinking/4016897.article

来源：物含妙理

编辑：LogicMoriaty

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