原子学说的起源19世纪的原因|原子学说的起源:19世纪的原子分子论

原子学说的起源19世纪的原因|原子学说的起源:19世纪的原子分子论

  道尔顿的原子论
  
  物质是由原子构成的这一猜想,虽然早就提出来了,但一直到了18世纪,尤其是18世纪后半期至19世纪中期,工业兴起,科学迅速发展,人们通过生产实践和大量化学、物理学实验,才加深了对原子的认识。
  
  把原子学说第一次从推测转变为科学概念的,应归功于英国一个教会学校的化学教员,他就是道尔顿(1766~1844)。
  
  道尔顿首先研究了法国化学家普鲁斯特于1806年发现的有趣结论:参与化学反应的物质质量都成一定的整数比(定比定律),例如1克氢和8克氧化合成9克水,假如不按这个一定的比例,多余的就要剩下而不参加化合。道尔顿自己又发现:当两种元素所组成的化合物具有两种以上时,在这些化合物中,如果一种元素的量是一定的,那么与它化合的另一种元素的量总是成倍数地变化的(倍比定律)。
  
  为什么元素间的化合总是成整数和倍数的关系呢?道尔顿丰富的想象力,给他以激励。他感到,这一事实暗示物质是由某种可数的最小单位构成的。于是,道尔顿把这些事实总结概括加以分析,提出了关于原子的著名论断:物质是由具有一定质量的原子构成的;元素是由同一种类的原子构成的;化合物是由构成该化合物成分的元素的原子结合而成的;原子是化学作用的最小单位,它在化学变化中不会改变。
  
  道尔顿的原子论同过去的原子论相比,已有雄厚的科学依据。但是,道尔顿的原子论提出以后,在新的实验事实面前又出现了一个新的矛盾。
  
  1809年,法国科学家盖·吕萨克发现,在气体的化学反应中,在同温同压下参与反应的气体的体积成简单的整数比;如果生成物也是气体,它的体积也和参加反应气体的体积成简单的整数比(气体反应定律)。例如,两公升的氢和一公升的氧化合时,生成两公升的水蒸汽。盖·吕萨克想,如果不论哪种气体在同温同压下,在相同体积内部含有相同的原子数,不就可以用道尔顿的原子论解释气体反应定律了吗?
  
  原子分子学说
  
  可是道尔顿发现,这项假定如果正确,在上述实例中,两个氢原子和一个氧原子应当生成两个“水原子”(后来称水分子),这样,一个“水原子”中不就只能含有半个氧原子了吗?为了解决这一矛盾,1811年意大利科学家阿伏加德罗在原子论中引进了“分子”的概念。他认为,构成任何气体的粒子不是原子,而是分子。单质的分子是由同种原子构成的;化合物的分子是由几种不同的原子构成的。在上述例子中,氢的分子是由两个氢原子构成的,氧的分子是由两个氧原子构成的,而水的分子是由两个氢原子和一个氧原子构成的。
  
  这样,经过不同国家的许多人的努力,才逐步地建立了原子分子学说。
  
  这个学说认为:(1)物质是由分子组成的,分子是保留原物质性质的微粒。例如,糖溶解在一杯水里,糖分子遍及全杯水,水就有了甜味。(2)分子是由原子组成,原子则是用化学方法不能再分割的最小粒子,它已失去了原物质的性质。例如,我们平时食用的食盐(氯化钠)的分子是由钠原子和氯原子组成的,氯是有毒的,显然食盐的性质与氯和钠的性质截然不同;另一方面,完全无害的元素碳和氮,组成的化合物却可以是剧毒的气体氰(CN)化物。
  
  这个原子分子学说比以前的原子学说又有了很大进展。过去,在原子和宏观物质之间没有任何过渡,要从原子推论各种物质的性质是很困难的。现在,在物质结构中发现了分子、原子这样不同的层次。因而我们可以认为,人们对于物质是怎样构成的问题,认识已经接近物质的本来面貌了。

  布朗运动
  
  分子是否确定有呢?实践终于证明了分子的存在和分子的运动。
  
  1827年英国植物学家布朗首先在显微镜下观察到,水中的小花粉在不停地作不规则的运动。仔细观察,可以发现任何悬浮在液体或气体中的非常小的微粒,都永远处于无休止的没有规则的运动状态之中。这个悬浮的微粒愈小,它的运动就愈激烈;温度愈高,这种运动也愈激烈。后来人们把这种运动叫布朗运动,把像小花粉那样小的微粒叫布朗微粒。布朗运动是永不休止的,它不受外界因素的影响,完全是物质内部运动的反映。
  
  布朗运动说明了什么问题呢?原来,这种运动就是由液体的分子运动引起的。由于液体的分子每时每刻都在作不规则的热运动,这些分子撞击布朗微粒,就引起了布朗微粒的运动。如果悬浮物的颗粒太大,则在每一瞬间撞击到这个大颗粒上的分子数目就太多了,致使这些撞击作用基本上相互抵消了,大颗粒就会保持不动。当悬浮粒小到一定程度时,碰撞到小颗粒上的分子就不那么多,就会从某一个方向出现分子撞击的不平衡,使小颗粒发生运动。布朗颗粒体积愈小,发生撞击的不平衡的可能性愈大,布朗运动就愈急剧。另一方面,温度愈高,分子无规则运动的速度就愈大,分子撞击引起的布朗运动也随之加剧。由于对布朗运动现象的观察和了解,使得人们深入理解了布朗运动的本质。因此证实了分子的存在和分子运动的存在。

  看到原子
  
  我们熟悉的自然界的物质有三态:固态、液态和气态。可以这样理解:固体的分子排列得比较整齐和紧密,分子运动的范围相对来说是很小的;液体分子的排列就自由些和松散些,因此分子运动的范围就比较大些;气体的分子,表现得最自由,它们往往或多或少地独立运动,与其它的分子无所牵连。永无休止的分子的剧烈运动足以说明气体的性质。后来计算出在一秒钟内,气体中的一个分子和其它分子的碰撞次数就达50余亿次。气体分子的运动,就总体来说,它全是不规则的运动。
  
  从19世纪中期,开始了气体分子的运动论的研究。这一研究取得了巨大的成功,科学家们根据气体分子运动论确定了原子的质量和直径。各种原子的大小不同,它们只有1亿分之一至1亿分之四厘米。50万个原子只能排满头发丝细的距离,500万个原子排成一行,也只不过是在我们这里的一个小句号的范围里。原子的重量只有1千万亿亿分之一克。一杯水的重量与其中的一个原子的重量相比,约等于地球的重量与其上的小块砖头的重量之比,可见原子是何等的微小。
  
  长期以来,人们并没有用肉眼看见过原子。原子,就是在高倍显微镜下,在近代电子显微镜下也很难看见。但是,人们对原子的客观存在不再怀疑。这是为什么呢?因为,发展科学和检验真理的唯一可靠的标准是实践。人类的大量的生产实践,间接地证实了原子的存在,用原子分子学说可以准确无误地解释和指导我们的生产实践。
  
  一直到1970年,才有一位美国科学家报道说,他借助扫描电子显微镜第一次观察到了单个的铀和钍的原子。1978年2月,日本一位科学家宣布,他们用具有超高度分辨能力的电子显微镜拍摄了世界上第一张原子的照片,看到了几种原子的图像。

  
  2001年,中国科学家汪正民用新的实验技术,在国际上首获原子体系(铷原子)不同电子云影相。

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原子学说的起源:两千多年前的原子论

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