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原子学说

道尔顿与原子论道尔顿提出原子论(Atomic Theory),标志着近代化学发展的开始。因为化学作为一门重要的自然科学,它所要说明的现象本质正是原子的化合与化分。道尔顿的学说已抓住了这一核心和本质,主张用原子的化合与化分来说明各种化学现象和化学定律间的内在联系。因此,无论从广度和深度上说都是更加超过了燃烧的氧化学说。

我们要了解道尔顿的原子学说的提出,要溯源至古希腊时期的原子学说。古希腊的哲学家留基伯首先提出了关于原子的学说,后经他的学生德谟克利特的进一步发展,形成了欧洲最早的朴素唯物主义的原子论,

宇宙万物是由世界上最微小的、坚硬的、不可入、不可分的物质粒子构成的,他将这种粒叫作“原子”。他认为,原子在性质上相同,但在形状大小上却是多种多样的。万物之所以不同,就是由于万物本身的原子在数目、形状和排列上各有不同,就是由于万物本身的原子在数目、形状和排列上各有所不同。并且认为,原子总在不断运动,运动是原子本身所因有的性质。无数的原子在空间中不断运动、互相碰撞而形成世界及其中的事物。月、日、星辰是由原子构成的,甚至人的灵魂也是由原子构成的。由此可见,德谟克利特的原子论论证了世界的物质性,对自然界的本质提出了大胆而有创造性的臆测,比较深刻地说明了物质结构,肯定了运动是物质的属性,因而具有重要的意义。

德谟克利特的原子论从一开始就受到了柏拉图和亚里士多德的强烈反对,一直到1650年才由意大利物理学家伽桑狄重新提出并得到了牛顿的支持。那是在意大利物理学家用实验证明真空可以存在之后的事了,伽桑狄认为原子正是在这种真空中运动。他用原子的形状和大小说明物质的各种性质:如热是由微小的圆形原子引起的;冷是带有锋厉棱角的角锥形原子产生的,所以严寒使人产生刺痛感等等。波义耳也有类似的观点,他认为构成自然界的材料是一些细小密集、用物理方法不可分割粒子。粒子结合成更大的粒子团,是参加化学反应的基本单位,其大小和形状决定物质的物理性质。

牛顿继承和发展了波义耳的化学思想,从力学的角度发展了物质构造和微粒说。牛顿认为,物质是由一些很小的微粒组成,这些微粒通过某种力量彼此吸引,当粒子直接接触时,这种力特别强;粒子间距离小时这种力可以使粒子进行化学反应;粒子间的距离较大时,这种力则失去作用。牛顿关于物质结构的微粒理论对道尔顿的原子论思想产生了很大影响。

各种物质的原子,它们各自的形状、大小、重量一定是相同的,不同物质的原子,其形状、大小及重量必不相同。为此,他曾经作出这样的推理:假如水的某些原子比其他的水原子重,再假如某一体积的水恰恰由这些较重的水原子组成,那么这一体积的水的比重必然较其他水的比重要大(这显然与事实不符,因为我们知道无论从什么地方得来的纯水的比重都是相同的)。由此及彼,其他物质也是如此。道尔顿又指出,不同气体的原子的大小必然各异。他说,如果将一体积氮与一体积氧进行化合,则会生成二体积的氧化氮,这二体积的氧化氮的数目一定不能多于一体积氮或氧的原子数。因此,他说氧化氮的原子一定比氧、氮的原子大。

在这这种见解的基础上,道尔顿为了进一步解释一种气体扩散于他种气体的理由以及混合气体的压力问题,他又提出:同一化学物质的原子相互排斥。道尔顿又推理说,当两种有弹性的流体混合在一起时,同一种微粒相互排斥,但并不排斥另一种微粒,因此,加在一个微粒上的压力,完全来自与它相同的微粒。由此,他解释了他的分压定律。正如他的一位朋友所说的那样,一种气体对别的任何气体来说都是一种真空。

以后,道尔顿进一步考虑到对各种原子的相对质量进行测量的问题,虽然进行了许多研究工作,但是依据当时的水平所测得的原子量是很不准确的,甚至无法计算各种元素的原子量,因而他不得不作了一些大胆的猜测和假设。他首先为复杂原子进行了命名:二元化合物、三元化合物和四元化合物。然后,他又很武断地作出了这样的结论:如果两种元素彼此化合,其化合时则遵循从最简单的方式开始,其层次分为4个。道尔顿又据以上原则,以氢原子量为1,以此作为标准,规定了其他元素原子的相对质量。

道尔顿确定的化合物组成的规则是没有什么科学依据的,不能不说是过于主观、随意和武断之举。因此,很多化合物复杂原子的组成被他弄错了,比如水是H2O,而他误作HO,随之氧的原子量也就错了。

1803年,10月18日,道尔顿在曼彻斯特的学会上第一次宣读了他的有关原子论的论文。论文中说了如下几个原子论的要点:

1元素的最终组成称为简单原子,它们是不可见的,既不能创造,也不能毁灭和再分割,它们在一切化学变化中本性不变。

2同一元素的原子,其形状、质量及性质是相同的;不同元素的原子则相反。每一种元素以其原子的质量为其最基本的特征(此点乃道原子论的核心)。

3不同元素的原子以简单数目的比例相结合,形成化合物。化合物的原子称为复杂原子,其质量为所含各元素原子质量的总和。同一种复杂原子,其形状、质量及性质也必然相同。

至此,道尔顿完成了提出原子论的历史使命,由于该学说解决了很多化学基本定律的解释,所以很快为化学界所接受。

英文名

atom

原子是化学变化中的最小微粒。(没有外壳)是人类最经典的、使用最为广泛的基本假设。原子的假设,可用来精确的解释物理学中力学、热力学、光学、量子力学、统计力学等等几乎物理方方面面的问题,以及同为自然科学的生物学(用物理学家的眼光看,一切生物过程都是原子的运动)、化学(化学可以使用量子力学等解释)等等,在未来,或许会延伸到各个学科。

原子的假设建立时是基于人类直观的感觉-物质的粒子性。但在物质波动性上也可以神奇地找到它的影子。也许就是因为原子的假设,使物理学有现在这样辉煌的成果。

原子可看作地球一样大的体育馆里的一颗乒乓球(原子半径的数量级在10的-10次方),研究原子的方法也好比在这个体育馆里放置10的23次方以上的乒乓球,并且让这些球不停地跳动起来。

原子核是由质子和中子构成,更外层有电子围着原子核高速转动。

原子是构成自然界各种元素的基本单位,由原子核和核外轨道电子(又称束缚电子或绕行电子)组成。原子的体积很小,直径只有10的-8次cm,原子的质量也很小,如氢原子的质量为1.673 56*10的-24g,而核质量占原子质量的99%以上。原子的中心为原子核,它的直径比原子的直径小很多。

原子核带正电荷,束缚电子带负电荷,两者所带电荷相等,符号相反,因此,原子本身呈中性。束缚电子按一定的轨道绕原子核运动,当原子吸收外来能量,使轨道电子脱离原子核的吸引而自由运动时,原子便失去电子而显电性,成为离子。

原子是构成元素的最小单元,是物质结构的一个层次.原子一词来自希腊文,“意思是不可分割的。”公元前4世纪,古希腊物理学家德谟克利特提出这一概念,并把它当作物质的最小单元,但是差不多同时代的亚里士多德等人却反对这种物质的原子观,他们认为物质是连续的,这种观点在中世纪占优势,但随着科学的进步和实验技术的发展,物质的原子观在16世纪之后又为人们所接受,著名学者伽利略、笛卡儿、.牛顿等人都支持这种观点.著名的俄国化学家门捷列夫所发现的周期律指出各种化学元素的原子间相互关联的性质是建立原子结构理论时的一个指导原则.从近代物理观点看,原子只不过是物质结构的一个层次,这个层次介于分子和原子核之间.

原子的中心是一个微小的由核子(质子和中子:由夸克构成)组成的原子核,占据了整个原子的绝大部分质量。

原子核中的质子和中子紧密地堆在一起,因此原子核的密度很大。质子和中子的质量大致相等,中子略高一些。质子带正电荷,中子不带电荷,是电中性的。所以整个原子核是带正电荷的。原子核即使和原子相比,还是非常细小的比原子要小100,000倍。原子的大小主要是由最外电子层的大小所决定的。如有原子是一个足球场,那原子核就是场中央的一颗绿豆。所以原子几乎是空的,被电子占据著。

电子是带负电荷的。它们远比质子和中子轻,质量只有质子的约1/1836。它们高速地围著原子核运转。电子围绕原子核的轨道并不都一样。它们在一些叫电子层的区域内围着原子核转,那些最接近原子核的在一层,远一些的又在另外一层。每一层都有一个数字。最内层的是层1,外一层的是层2,如此类推。每一层都可以容纳一个最高限量数的电子数目,层1可容纳两个,层2八个,层3十八个,层4三十二个,越往外层可容纳的电子就越多。

若设层数为n,则第n层可容纳电子数为2n个。最外层电子不大于8个,最接近最外层的电子层不大于十八个,但也有特例。

在一颗电中性的原子中,质子和电子的数目是一样的。另一方面,中子的数目不一定等于质子的数目。带电荷的原子叫离子。电子数目比质子小的原子带正电荷,叫阳离子。相反的原子带负电荷,叫阴离子。金属元素最外层电子一般小于四个,在反应中易失去电子,趋向达到稳定的结构,成为阳离子。

非金属元素最外层电子一般多于四个,在化学反应中易得到电子,趋向达到稳定的结构,成为阴离子。

原子序决定了该原子是那个族或那类元素。例如,碳原子是那些有6颗质子的原子。所有相同原子序的原子在很多物理性质都是一样的,所显示的化学反应都一样。质子和中子数目的总和叫质量数。中子的数目对该原子的元素并没有任何影响 在同一元素中,有不同的成员,每个的原子序是一样的,但质量数都不同。这些成员叫同位素。元素的名字是用它的元素名称紧随著质量数来表示,如碳14(每个原子中含有6个质子和8个中子)

只有94种原子是天然存在的(其余的都是在实验室中人工制造的) 每种原子都有一个名称,每个名称都有一个缩写。

俄国化学家门捷列夫根据不同原子的化学性质将它们排列在一张表中,这就是元素周期表。为纪念门捷列夫,第101号元素被命名为钔。

首20种原子(或元素)依次为氢、氦、锂、铍、硼、碳、氮、氧、氟、氖 、钠、镁、铝、硅、磷、硫、氯、氩、钾、钙。它们的简写是H、He、Li、Be、B、C、N、O、F、Ne、Na、Mg、.Al.、Si.、P.、S、.Cl、Ar、K、Ca。

前400年,希腊哲学家德谟克列特提出原子的概念。

1803年,英国物理学家约翰道尔顿提出原子说。

1833年,英国物理学家法拉第提出法拉第电解定律,表明原子带电,且电可能以不连续的粒子存在。

1874年,司通内建议电解过程被交换的粒子叫做电子。

1879年,克鲁克斯从放电管(高电压低气压的真空管)中发现阴极射线。

1886年,哥德斯坦从放电管中发现阳极射线。

1897年,英国物理学家汤姆生证实阴极射线即阴极材料上释放出的高速电子流,并测量出电子的荷质比。e/m=1.7588×108 库仑/克

1909年,美国物理学家密立根的油滴实验测出电子之带电量,并强化了“电子是粒子”的概念。

1911年,英国物理学家卢瑟福的α粒子散射实验,发现原子有核,且原子核带正电、质量极大、体积很小。其条利用带正电的α粒子(即氦核)来轰击金属箔,发现大部分(99.9%)粒子,穿过金属箔后仍保持原来的运动方向,但有绝少数α粒子发生了较大角度的偏转。在分析实验结果的基础上,卢瑟福提出了原子的核式结构模型:在原子的中心有一个很小的原子核,原子核的全部正电荷和几乎全部的质量都集中在原子核里,带负电的电子在核外空间绕核运动,就像行星绕太阳运动那样。

1913年,丹麦科学家玻尔改进了卢瑟福的原子核式结构模型,认为电子只能在原子内的一些特定的轨道上运动。

1913年,英国物理学家莫塞莱分析了元素的X射线标识谱,建立原子序数的概念。

1913年,汤姆生之质谱仪测量质量数 , 并发现同位素。

1919年,卢瑟福发现质子。其利用α粒子撞击氮原子核与发现质子,接著又用α粒子撞击棚 (B) 、氟 (F) 、铝 (A1) 、磷 (P) 核等也都能产生质子,故推论“质子”为元素之原子核共有成分。

1932年,英国物理学家乍得威克利用α粒子撞击铍原子核,发现了中子。

1935年,日本物理学家汤川秀树建立了介子理论。

原子趣闻:人体中每秒有40万个放射性原子蜕变为其他原子。人体每个细胞平均有90万亿个原子,是40万个原子的22500万倍。


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