道爾頓的原子模型課件

佛光人文社會(huì)學(xué)院自然科學(xué)史(HistoryofNaturalScience)第7章 物質(zhì)的基礎(chǔ)－原子及其結(jié)構(gòu)(A)哲學(xué)家的原子學(xué)說楊棋明博士中央研究院生物多樣性研究中心Email:cmyang@.twTel:02-27821258#612,613FTP:http://.tw/cmyang.htm1人之所以異於禽獸者幾稀，庶民去之，君子存之。舜明於庶物，察於人倫。由仁義行，非行仁義也。

人之有道也，飽食、暖衣、逸居而無教，則近於禽獸。聖人有憂之，使契為司徒，教以人倫，父子有親，君臣有義，夫婦有別，長幼有敘，朋友有信。

楊氏為我，是無君也墨氏兼愛，是無父也。無父無君，是禽獸也。

庖有肥肉，廄有肥馬，民有飢色，野有餓莩，此率獸而食人也。獸相食，且人惡之。為民父母，行政，不免於率獸而食人，惡在其為民父母也？孟子的人獸區(qū)別論2萬物由什麼組成？萬物由什麼組成？物質(zhì)可以被無休止地分割為愈來愈小的物質(zhì)單元，還是存在構(gòu)成世界的“磚塊”？這是古代哲人們就開始思索的問題。3孟子曰：“人之異於禽獸者幾稀矣！”H2O4西元前5世紀(jì)的古希臘哲學(xué)家劉基伯(Leukippos)在致力於思考分割物質(zhì)問題後，得出一個(gè)結(jié)論：分割過程不能永遠(yuǎn)繼續(xù)下去，物質(zhì)的碎片遲早會(huì)達(dá)到不可能分得更小的地步。他的學(xué)生德謨克理特(Democritus)接受了這種物質(zhì)碎片會(huì)小到不可再分的觀念，並稱這種物質(zhì)的最小組成單位為“原子”(意思是“不可分割”)。由劉基伯與德謨克里特提出的原子論哲學(xué)作為“最系統(tǒng)、最始終一貫，並且可以應(yīng)用於一切物體的學(xué)說”(亞里斯多德語)是對(duì)早期希臘各派自然哲學(xué)的大綜合，並將早期希臘的自然哲學(xué)推上一個(gè)光輝的頂峰。古希臘哲學(xué)家的原子說---不可分割(1)5古希臘哲學(xué)家的原子說---不可分割(2)伊壁鳩魯(Epicurus，約在西元前341至270年)亦為古希臘人，進(jìn)一步發(fā)展了原子論：原子有內(nèi)部組成但不可分。除形狀和大小外，原子的重量是主要的特性。這原子論比以前的任何學(xué)說都接近於現(xiàn)代觀，是古代唯物主義自然觀發(fā)展的高峰。6在古希臘哲學(xué)家的觀點(diǎn)中：

原子是最微小的、不可再分割的物質(zhì)微粒，是堅(jiān)實(shí)的、內(nèi)部絕對(duì)充滿而沒有空隙的東西。原子數(shù)目有無限多，它們彼此間性質(zhì)相同，其差別只表現(xiàn)在形狀、大小和排列上。原子在虛空中不停地運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)中原子間會(huì)發(fā)生碰撞，有時(shí)會(huì)粘著並組合在一起。一組原子組合成一種東西，而另一組原子組合成另外的東西等等，這樣萬物就由作為實(shí)在的建築石料的原子和虛空構(gòu)成了。古希臘哲學(xué)家的原子說---不可分割(3)7哲學(xué)家伊壁鳩魯、盧克萊修先後接受了這種原子學(xué)說，後者在其著名詩作《物性論》中以動(dòng)人的筆觸全面介紹了原子學(xué)說，使之成為古代原子學(xué)說理論知識(shí)的最主要來源。在中世紀(jì)，一些阿拉伯的思想家接受了原子論，而西方的經(jīng)院神學(xué)家們卻因它與宗教學(xué)說教義相衝突而激烈反對(duì)這種觀點(diǎn)。文藝復(fù)興時(shí)期，與原子論相關(guān)的思想出現(xiàn)在布魯諾、伽利略、法蘭西斯?培根等人的著作中。在此之後，法國哲學(xué)家伽桑狄(1592-1655年)接受了原子學(xué)說，他的有說服力的著作，使人們對(duì)原子學(xué)說的關(guān)注得以復(fù)蘇，並引發(fā)了科學(xué)家的興趣，從而將原子論引入到現(xiàn)代科學(xué)中?！肮糯軐W(xué)家的那些理論，現(xiàn)在又在大聲喝彩中復(fù)興了，仿佛是現(xiàn)代哲學(xué)家發(fā)現(xiàn)的”(波爾語)。原子學(xué)說在17世紀(jì)得以復(fù)活。更重要的是，哲學(xué)家的思想火炬開始傳遞到科學(xué)家手中。迦桑狄古希臘哲學(xué)家的原子說---不可分割(4)8古羅馬哲學(xué)家的原子說---不可分割(1)古羅馬人盧克萊修(Lucretius，西元前99-55年)的長篇詩作物性論(DeRerum

Natura)對(duì)於前述的原子學(xué)說作了較完整與系統(tǒng)化的整理。他以西方的字母為例，為數(shù)不多的一組字母，僅僅由於它們排列次序的變化，就組成了意義既不相同，發(fā)音也各有別的許多詩句。因而，作為事物基礎(chǔ)的原子，它們能有更多不同方式的結(jié)合，因此不同的東西就能一一產(chǎn)生，他還從射進(jìn)室內(nèi)的陽光束中看到的塵埃微粒的運(yùn)動(dòng)和撞擊，說明物體雖然整體看來是靜止的，但原子仍在不可見的狀況下運(yùn)動(dòng)。

盧克萊修認(rèn)為：原子有各種各樣的形狀。例如，堅(jiān)硬的物體是由許多帶?的原子緊密糾結(jié)而成的；而流體的原子則是光滑的圓形微粒，因此易於流動(dòng)。他還進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)：原子是無色的，原子也沒有熱、聲音、氣味，原子也沒有感覺、色覺、熱感、聽覺和嗅覺等，一切視乎原子的大小、姿態(tài)、排列和運(yùn)動(dòng)而定。甚至愉快和痛苦乃是由原子的形狀決定的。例如，平滑的原子引起甜蜜的感覺，帶倒?的原子產(chǎn)生辛辣和苦味等等。這種早期的猜測(cè)的確是太簡單了，但其中正包含了原子學(xué)說的核心，即巨觀物質(zhì)的性質(zhì)，是由這些物質(zhì)所組成微粒的特性、運(yùn)動(dòng)和相互作用而決定的。9古代原子說受到亞里士多德學(xué)派的壓制而隱沒2000年古代原子論，一方面直接違悖了希臘大哲學(xué)亞里士多德(Aristotle西元前384-322年)關(guān)於自然界到處是充實(shí)的而不存在真空的權(quán)威論斷，因而備受批評(píng)和壓制。另一方面，古代的原子論者們又都是富有影響的唯物主義哲學(xué)家，使得原子論的命運(yùn)同唯物論哲學(xué)的興衰聯(lián)繫在一起。而且，長期以來，原子論一直停留在簡單的設(shè)想的階段上，使人覺得它只是一種空泛的議論，因而在近代科學(xué)出現(xiàn)之前，原子論沒有產(chǎn)生什麼重要的影響。10古希臘哲學(xué)家的元素說

唯物主義的物質(zhì)觀卻以比較「抽象」的原子論表現(xiàn)出來，事實(shí)上，古希臘在原子論之前，就出現(xiàn)了關(guān)於物質(zhì)組成的另一種學(xué)說即元素說。至於什麼是組成物質(zhì)的基本元素，古希臘人泰勒斯(Thales

西元前624-547年)認(rèn)為是水，也是古希臘人阿那克西美尼(Anaximenes

西元前588-524年)認(rèn)為是氣，而赫拉克利特(Heraclitus

西元前495-435年)則認(rèn)為是火。後來，恩培多克勒(Empedocles西元前495-435年)在這幾種元素之外再加上土，發(fā)展為四元素說，主張物質(zhì)由火、氣、水、土這四大元素組成。11古中國哲學(xué)家的五行學(xué)說(1)大概在同一時(shí)期，中國古代也有一種類似五行學(xué)說，即以水、火、木、金、土這些稱為「五行」的物質(zhì)元素為構(gòu)成萬物的根本。在西元前400年以前成書的「尚書」就記載有五行：一曰水，二曰火，三曰木，四曰金，五曰土。在紀(jì)元前400年左右所作的「國語」裏更明確寫道：故先王以土與金、木、水、火雜，以成百物。以上這些說法無疑都反映了古人對(duì)自然界的物質(zhì)構(gòu)成的另一種比較直接的認(rèn)識(shí)。12古中國哲學(xué)家墨翟的原子不可分割說(2)在東方墨翟(約在西元前468-376年)為戰(zhàn)國時(shí)期的墨家。墨家著作的總集叫做「墨子」，其中有篇「墨經(jīng)」說：「端；體之無序最前者也」?！付恕故墙M成物「體」的無可分割(即無序)的最原始的東西(即最前者)。這「端」就是原子的概念了。墨經(jīng)又說「端是無同也」，意思是說一個(gè)「端」裏沒有共合的東西，所以無可分割。13古中國哲學(xué)家儒家的原子不可分割說(3)在戰(zhàn)國時(shí)期的儒家著作「中庸」指出：「語小，天下莫能破焉」。宋代朱熹(西元1130-1200年)解釋：「天下莫能破是無內(nèi)，謂如物有至小而可破作兩者，是中著得一物在；若無內(nèi)則是至小，更不容破了?！惯@裏所說的「莫能破」、「無內(nèi)」，也就是不可分割的意思。這就論證了物質(zhì)有不可再分割的最原始單位，就相當(dāng)於古典原子學(xué)說中的原子概念。20世紀(jì)初，清末民初嚴(yán)復(fù)翻譯英文名詞atom為「莫破」或「莫破塵」，「原子論」譯為「莫破質(zhì)點(diǎn)律」。14戰(zhàn)國時(shí)期的名家惠施(約在西元前365-310年)曾說：「其小無內(nèi)，謂之小一」?！感∫弧惯@東西不再有內(nèi)，也就無法再分割了，即是最原始的微粒。那些主張物質(zhì)不可無限分割的人，則是認(rèn)識(shí)到了分割的「關(guān)節(jié)」?，F(xiàn)代物理學(xué)正不斷發(fā)現(xiàn)著越來越多的所謂「基本粒子」，揭示出物質(zhì)的無限可分性。上述中外哲士提出的理論，是古典原子說的雛形，也是原子科學(xué)史上光輝遺產(chǎn)！古中國哲學(xué)家惠施的原子不可分割說(4)15古中國哲學(xué)家公孫龍的原子可分割說(5)戰(zhàn)國時(shí)期的公孫龍(約在西元前320-250年)有一句名言：「一尺之棰，日取其半，萬世不竭」。這等於說木杖(即棰)可以無限地分割，也就是說物質(zhì)的組成是連續(xù)的，和不可分割的理論成尖銳的對(duì)立，其臆想實(shí)在令人驚奇。11/21/41/81/161/321/641/(無限小)16佛光人文社會(huì)學(xué)院自然科學(xué)史(HistoryofNaturalScience)第7章 物質(zhì)的基礎(chǔ)－原子及其結(jié)構(gòu)(B)科學(xué)家的原子楊棋明博士中央研究院生物多樣性研究中心Email:cmyang@.twTel:02-27821258#612,613FTP:http://.tw/cmyang.htm17原子結(jié)構(gòu)發(fā)展簡史

原子結(jié)構(gòu)(AtomicStructure)在原子物理學(xué)中是非常重要的。甚麼是原子(atom)？

原子是化學(xué)元素(elements)中具有該元素特質(zhì)的最小粒子(particle)，可互相結(jié)合成為分子(molecule)。古希臘有位哲學(xué)家德謨克利特(Democritus)便提出了原子是組成萬物的粒子。(古典原子論)在1897年前，當(dāng)電子尚未被發(fā)現(xiàn)之前，原子是不可分割的基本單位。(近代原子論)181793年道爾頓受聘于曼徹斯特的一所新學(xué)院。出版第一本科學(xué)著作《氣象觀察與研究》。第二年成為曼徹斯特文學(xué)哲學(xué)會(huì)的會(huì)員。1799年，越來越重視對(duì)氣體和氣體混合物的研究。道爾頓認(rèn)為，要說明氣體的特性就必須知道它的壓力。他找到兩種很容易分離的氣體，分別測(cè)量了混合氣體和各部分氣體的壓力。結(jié)果很有意思，裝在容積一定的容器中的某種氣體壓力是不變的，引入第二種氣體後壓力增加，但它等于兩種氣體的分壓之和，兩種氣體單獨(dú)的壓力沒有改變。道爾頓得出結(jié)論：混合氣體的總壓等于組成它的各個(gè)氣體的分壓之和。(Pt=P1+P2)道爾頓發(fā)現(xiàn)由此可以做出某些重要的結(jié)論，氣體在容器中存在的狀態(tài)與其他氣體無關(guān)。用氣體具有微粒結(jié)構(gòu)來解釋就是，一種氣體的微粒或原子均勻的分布在另一種氣體的原子之間，因而這種氣體的微粒所表示出來的性質(zhì)與容器中沒有另一種氣體一樣。道爾頓開始更多的研究關(guān)于原子的問題，他頑強(qiáng)進(jìn)行研究工作，尋找資料、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、不斷的思考……

道爾頓---近代化學(xué)之父

191803年9月6日，約翰道爾頓(JohnDalton)在他筆記中寫下了原子論的要點(diǎn)：1、原子是組成化學(xué)元素的、非常微小的、不可再分割的物質(zhì)微粒。在化學(xué)反應(yīng)中原子保持其本來的性質(zhì)。2、同一種元素的所有原子的質(zhì)量以及其他性質(zhì)完全相同。不同元素的原子具有不同的質(zhì)量以及其他性質(zhì)。原子的質(zhì)量是每一種元素的原子的最根本特徵。3、有簡單數(shù)值比的元素的原子結(jié)合時(shí)，原子之間就發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成化合物?；衔锏脑臃Q為複雜原子。4、一種元素的原子與另一種元素的原子化合時(shí)，他們之間成簡單的數(shù)值比。道爾頓原子論(1)

atom20道爾頓原子論(2)

1803年10月21日，道爾頓報(bào)告了他的「化學(xué)原子論」，並且宣讀了他的第二篇論文《第一張關(guān)于物體的最小質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)重量表》。道爾頓又對(duì)甲烷(CH4)和乙烯(C2H2)的化學(xué)成分進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn)：甲烷中碳?xì)浔仁?.3:4；而乙烯中碳?xì)浔仁?.3:2。由此推出碳?xì)浠系谋壤P(guān)系，並發(fā)現(xiàn)了倍比定律：相同的兩種元素生成兩種或兩種以上的化合物時(shí)，若其中一種元素的質(zhì)量不變，另一種元素在化合物中的相對(duì)重量成簡單的整數(shù)比。道爾頓認(rèn)為倍比定律既可以看作是原子論的一個(gè)推論，又可以看作是對(duì)原子論的一個(gè)證明。211807年，湯姆遜在它的《化學(xué)體系》一書中詳細(xì)的介紹了道爾頓的原子論。1808年道爾頓的主要化學(xué)著作《化學(xué)哲學(xué)的新體系》正式出版。書中詳細(xì)記載了有關(guān)其原子論的主要實(shí)驗(yàn)和主要理論。自此道爾頓的原子論才正式問世。在科學(xué)理論上，道爾頓的原子論是繼拉瓦錫的氧化學(xué)說之後理論化學(xué)的又一次重大進(jìn)步，他揭示出了一切化學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)都是原子運(yùn)動(dòng)，明確了化學(xué)的研究對(duì)象，對(duì)化學(xué)真正成為一門學(xué)科具有重要意義，此後，化學(xué)及其相關(guān)學(xué)科得到了蓬勃發(fā)展。在哲學(xué)思想上，原子論揭示了化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象與本質(zhì)的關(guān)系，繼天體演化學(xué)說誕生以後，又一次衝擊了當(dāng)時(shí)僵化的自然觀，為科學(xué)方法論的發(fā)展、辯證自然觀的形成以及整個(gè)哲學(xué)認(rèn)識(shí)論的發(fā)展具有重要意義。道爾頓原子論(3)

22原子論建立以後，道爾頓名震英國乃至整個(gè)歐洲,各種榮譽(yù)紛至沓來,在榮譽(yù)面前，道爾頓開始還是冷靜的、謙虛的，但是後來榮譽(yù)越來越高，他逐漸改變了，變得驕傲、保守，最終走向了思想僵化、固步自封。1808年，法國化學(xué)家呂薩克在原子論的影響下發(fā)現(xiàn)了氣體反應(yīng)的體積定律，實(shí)際上這一定律也是對(duì)道爾頓的原子論的一次論證，後來也得到了其他科學(xué)家的證實(shí)並應(yīng)用于測(cè)量氣體元素的原子量。但是呂薩克定律卻遭到了道爾頓本人的拒絕和反對(duì)，他不僅懷疑呂薩克的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論分析，還對(duì)他進(jìn)行了嚴(yán)厲的抨擊。1811年，意大利物理學(xué)家阿佛加德羅建立了分子論，使道爾頓的原子論與呂薩克定律在新的理論基礎(chǔ)上統(tǒng)一起來。他也遭到了道爾頓無情的反駁。

1813年，瑞典化學(xué)家貝齊力烏斯創(chuàng)立了用字母表示元素的新方法，這種易寫易記的新方法被大多數(shù)科學(xué)家接受，而道爾頓一直到死都是新元素符號(hào)的反對(duì)派。雖然道爾頓的後半生科學(xué)貢獻(xiàn)不大、甚至阻撓別人的探索，人們還是給予了他深切的懷念。

道爾頓原子論(4)

23道爾頓的原子模型---不可分割無核無電子原子類似堅(jiān)實(shí)不可分的實(shí)心球原子241808年(道爾頓正式發(fā)表科學(xué)原子論的第二年)，法國化學(xué)家蓋·呂薩克在研究各種氣體在化學(xué)反應(yīng)中體積變化的關(guān)係時(shí)發(fā)現(xiàn)：參加同一反應(yīng)的各種氣體，在同溫同壓下，其體積成簡單的整數(shù)比。這就是著名的氣體化合體積實(shí)驗(yàn)定律，常稱為蓋·呂薩克定律。蓋呂薩克是很讚賞道爾頓的原子論的，於是將自己的化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與原子論相對(duì)照，他發(fā)現(xiàn)原子論認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)中各種原子以簡單數(shù)目相結(jié)合的觀點(diǎn)可以由自己的實(shí)驗(yàn)而得到支持，於是他提出了一個(gè)新的假說：在同溫同壓下，相同體積的不同氣體含有相同數(shù)目的原子。他自認(rèn)為這一假說是對(duì)道爾頓原子論的支持和發(fā)展，並為此而高興。蓋·呂薩克與約翰道爾頓的爭(zhēng)論(1)25蓋·呂薩克與約翰道爾頓的爭(zhēng)論(2)當(dāng)?shù)罓栴D得知蓋·呂薩克的這一假說後，立即公開表示反對(duì)。因?yàn)榈罓栴D在研究原子論的過程中，也曾作過這一假設(shè)後被他自己否定了。他認(rèn)為不同元素的原子大小不會(huì)一樣，其質(zhì)量也不一樣，因而相同體積的不同氣體不可能含有相同數(shù)日的原子。蓋·呂薩克認(rèn)為自己的實(shí)驗(yàn)是精確的，不能接受道爾頓的指責(zé)，於是雙方展開了學(xué)術(shù)爭(zhēng)論。他們倆人都是當(dāng)時(shí)歐洲頗有名氣的化學(xué)家，對(duì)他們之間的爭(zhēng)論其他化學(xué)家沒敢輕易表態(tài)，就連當(dāng)時(shí)已很有威望的瑞典化學(xué)家貝采裏烏斯也在私下表示，看不出他們爭(zhēng)論的是與非。

26佛光人文社會(huì)學(xué)院自然科學(xué)史(HistoryofNaturalScience)第7章 物質(zhì)的基礎(chǔ)－原子及其結(jié)構(gòu)(C)科學(xué)家的分子楊棋明博士中央研究院生物多樣性研究中心Email:cmyang@.twTel:02-27821258#612,613FTP:http://.tw/cmyang.htm27水是原子(atom)？還是分子(molecule)？水是分子，由1個(gè)氫(H)和2個(gè)氧(O)組成水分子H2O所有分子都是原子組成：氮?dú)?nitrogen)：N2氧氣(oxygen)：O2氫氣(hydrogen)：H2甲烷(methane)：CH4葡萄糖(glucose)：C6H12O6DNA、RNA、28今天都知道：分子都是由原子組成的C60結(jié)構(gòu)示意圖29義大利一位名叫亞佛加德羅(AmedeoAvogadro1776~1856)的物理學(xué)教授對(duì)這場(chǎng)爭(zhēng)論發(fā)生了濃厚的興趣。他仔細(xì)地考察了蓋·呂薩克和道爾頓的氣體實(shí)驗(yàn)和他們的爭(zhēng)執(zhí)，發(fā)現(xiàn)了矛盾的焦點(diǎn)。1811年他寫了一篇題為：“原子相對(duì)質(zhì)量的測(cè)定方法及原子進(jìn)入化合物的數(shù)目比例的確定”的論文，在文中他首先聲明自己的觀點(diǎn)來源於蓋·呂薩克的氣體實(shí)驗(yàn)事實(shí)，接著他明確地提出了分子(molecule)的概念，認(rèn)為單質(zhì)或化合物在游離狀態(tài)下能獨(dú)立存在的最小質(zhì)點(diǎn)稱作分子，單質(zhì)分子由多個(gè)原子組成，他修正了蓋·呂薩克的假說，提出：“在同溫同壓下，相同體積的不同氣體具有相同數(shù)目的分子?！薄霸印备臑椤胺肿印钡囊蛔种?，正是亞佛加德羅假說的奇妙之處。

亞佛加德羅的分子學(xué)說30現(xiàn)在，大家都認(rèn)識(shí)到分子論和原子論是個(gè)有機(jī)聯(lián)繫的整體，它們都是關(guān)於物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論的基本內(nèi)容。然而在亞佛加德羅提出分子論後的50年裏，人們的認(rèn)識(shí)卻不是這樣。原子這一概念及其理論被多數(shù)化學(xué)家所接受，並被廣泛地運(yùn)用來推動(dòng)化學(xué)的發(fā)展，然而關(guān)於分子的假說卻遭到冷遇。阿佛加德羅發(fā)表的關(guān)於分子論的第一篇論文沒有引起任何反響。1814年，他又發(fā)表了第二篇論文，繼續(xù)闡述他的分子假說。也在這一年，法國物理學(xué)家安培，就是那個(gè)在電磁學(xué)發(fā)展中有重要貢獻(xiàn)的安培也獨(dú)立地提出了類似的分子假說，仍然沒有引起化學(xué)界的重視。已清楚地認(rèn)識(shí)到自己提出的分子假說在化學(xué)發(fā)展中的重要意義的阿佛加德羅很著急。原子論與分子論的分與合(1)---

分子假說的曲折經(jīng)歷

311821年他又發(fā)表了闡述分子假說的第三篇論文，他寫道：“我是第一個(gè)注意到蓋·呂薩克氣體實(shí)驗(yàn)定律可以用來測(cè)定分子量的人，而且也是第一個(gè)注意到它對(duì)道爾頓的原子論具有意義的人。沿著這種途徑我得出了氣體結(jié)構(gòu)的假說，它在相當(dāng)大程度上簡化了蓋，呂薩克定律的應(yīng)用?！痹谒v述了分子假說後，他感慨地寫道：“在物理學(xué)家和化學(xué)家深入地研究原子論和分子假說之後，正如我所預(yù)言，它將要成為整個(gè)化學(xué)的基礎(chǔ)和使化學(xué)這門科學(xué)日益完善的源泉?！眱嵐軄喎鸺拥铝_作了再三的努力，但是還是沒有如願(yuàn)。1856年亞佛加德羅逝世，分子假說仍然未被大多數(shù)化學(xué)家所承認(rèn)。

原子論與分子論的分與合(2)---分子假說的曲折經(jīng)歷

32道爾頓的原子論發(fā)表後，測(cè)定各元素的原子量成為化學(xué)家最熱門的課題。儘管採用了多種方法，但因?yàn)椴怀姓J(rèn)分子的存在，化合物的原子組成難以確定，原子量的測(cè)定和資料呈現(xiàn)一片混亂，難以統(tǒng)一。於是部分化學(xué)家懷疑到原子量到底能否測(cè)定，甚至原子論能否成立。不承認(rèn)分子假說，在有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域中同樣產(chǎn)生極大的混亂。分子不存在，分類工作就難於進(jìn)行下去，例如醋酸竟可以寫出19個(gè)不同的化學(xué)式。當(dāng)量有時(shí)等同於原子量，有時(shí)等同於複合原子量(即分子量)，有些化學(xué)家乾脆認(rèn)為它們是同義詞，從而進(jìn)一步擴(kuò)大了化學(xué)式、化學(xué)分析中的混亂。

原子論及分子論的分與合(3)---

原子論的困境由分子論解決33

無論是無機(jī)化學(xué)還是有機(jī)化學(xué)，化學(xué)家對(duì)這種混亂的局面都感到無法容忍了，強(qiáng)烈要求召開一次國際會(huì)議，力求通過討論，在化學(xué)式、原子量等問題上取得統(tǒng)一的意見。1860年9月在德國卡爾斯魯厄召開了國際化學(xué)會(huì)議。來自世界各國的140名化學(xué)家在會(huì)上爭(zhēng)論很激烈，但未達(dá)成協(xié)定。這時(shí)義大利化學(xué)家康尼查羅散發(fā)了他所寫的小冊(cè)子，希望大家重視研究阿佛加德羅的學(xué)說。他回顧了50年來化學(xué)發(fā)展的歷程，成功的經(jīng)驗(yàn)，失敗的教訓(xùn)都充分證實(shí)亞佛加德羅的分子假說是正確的，他論據(jù)充分，方法嚴(yán)謹(jǐn)，很有說服力。經(jīng)過50年曲折經(jīng)歷的化學(xué)家此時(shí)已能冷靜地研究和思考，終於承認(rèn)阿佛加德羅的分子假說的確是扭轉(zhuǎn)這一混亂局面的唯一鑰匙。亞佛加德羅的分子論終於被確認(rèn)，亞佛加德羅的偉大貢獻(xiàn)終於被發(fā)現(xiàn)，可惜此時(shí)他已溘然長逝了。甚至沒有為後人留下一一張照片或畫像?，F(xiàn)在唯一的畫像還是在他死後，按照石膏面模臨摹下來的。原子論及分子論的分與合(4)34經(jīng)過不同國家的許多人的努力，才逐步地建立了原子分子學(xué)說。(1)物質(zhì)是由分子組成的，分子是保留原物質(zhì)性質(zhì)的微粒。例如，糖溶解在一杯水裏，糖分子遍及全杯水，水就有了甜味。(2)分子是由原子組成，原子則是用化學(xué)方法不能再分割的最小粒子，它已失去了原物質(zhì)的性質(zhì)。例如，我們平時(shí)食用的食鹽(氯化鈉)的分子是由鈉原子和氯原子組成的，氯是有毒的，顯然食鹽的性質(zhì)與氯和鈉的性質(zhì)截然不同；另一方面，完全無害的元素碳和氮，組成的化合物卻可以是劇毒的氣體氰(CN)化物。這個(gè)原子分子學(xué)說比以前的原子學(xué)說又有了很大進(jìn)展。過去，在原子和宏觀物質(zhì)之間沒有任何過渡，要從原子推論各種物質(zhì)的性質(zhì)是很困難的?，F(xiàn)在，在物質(zhì)結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了分子、原子這樣不同的層次。因而我們可以認(rèn)為，人們對(duì)於物質(zhì)是怎樣構(gòu)成的問題，認(rèn)識(shí)已經(jīng)接近物質(zhì)的本來面貌了。原子分子學(xué)說35分子論建立在原子論上。原子論可解釋宇宙物質(zhì)靜態(tài)的基本組成，但無法解釋動(dòng)態(tài)的變化。無分子論，原子論無法解示宇宙物質(zhì)的千變?nèi)f化。原子論及分子論的百年悲歡離合已落幕?？茖W(xué)的研究過程，數(shù)據(jù)會(huì)說話。原子論及分子論的分與合(5)6H2O＋6CO2 C6H12O6＋6O236物質(zhì)是由分子組成的，分子是保留原物質(zhì)性質(zhì)的微粒。例如，糖溶解在一杯水裏，糖分子遍及全杯水，水就有了甜味。分子是由原子組成，原子則是用化學(xué)方法不能再分割的最小粒子，它已失去了原物質(zhì)的性質(zhì)。例如，我們平時(shí)食用的食鹽(氯化鈉)的分子是由鈉原子和氯原子組成的，氯是有毒的，顯然食鹽的性質(zhì)與氯和鈉的性質(zhì)截然不同；另一方面，完全無害的元素碳和氮，組成的化合物卻可以是劇毒的氣體氰(CN)化物。原子分子學(xué)說比以前的原子學(xué)說有很大進(jìn)展。過去，在原子和宏觀物質(zhì)之間沒有任何過渡，要從原子推論各種物質(zhì)的性質(zhì)是很困難的?，F(xiàn)在，在物質(zhì)結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了分子、原子這樣不同的層次。因而我們可以認(rèn)為，人們對(duì)於物質(zhì)是怎樣構(gòu)成的問題之認(rèn)識(shí)已經(jīng)接近物質(zhì)的本來面貌了。

分子論在物質(zhì)科學(xué)的歷史意義37亞佛加德羅的偉大貢獻(xiàn)亞佛加德羅常數(shù)(NA=NumberofAvogadro) NA＝6.02205xl023/莫耳它表示1莫耳(mole)的任何物質(zhì)所含的分子數(shù)。亞佛加德羅定律它的內(nèi)容是在同一溫度、同一壓力下，體積相同的任何氣體所含的分子數(shù)都相等(1811年提出)分子假說亞佛加德羅明確地提出了分子的概念，認(rèn)為單質(zhì)或化合物在游離狀態(tài)下能獨(dú)立存在的最小質(zhì)點(diǎn)稱作分子，單質(zhì)分子由多個(gè)原子組成，他修正了蓋·呂薩克的假說，提出：“在同溫同壓下，相同體積的不同氣體具有相同數(shù)目的分子。38亞佛加德羅出生在一個(gè)世代相襲的律師家庭。按照他父親的願(yuàn)望，他攻讀法律，16歲時(shí)獲得了法學(xué)學(xué)上學(xué)位，20歲時(shí)又獲得宗教法博士學(xué)位。此後當(dāng)了3年律師。蝶蝶不休的爭(zhēng)吵和爾虞我詐的鬥爭(zhēng)使他對(duì)律師生活感到厭倦。1800年他開始研究數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)和哲學(xué)，並發(fā)現(xiàn)這才是他的興趣所在。1799年義大利物理學(xué)家伏打發(fā)明瞭伏打電堆，使亞佛加德羅把興趣集中於窺視電的本性。1803年他和他兄弟費(fèi)理斯聯(lián)名向都靈科學(xué)院提交了一篇關(guān)於電的論文，受到了好評(píng)，第二年就被選為都靈科學(xué)院的通訊院士。這一榮譽(yù)使他下決心全力投入科學(xué)研究。1806年，亞佛加德羅被聘為都靈科學(xué)院附屬學(xué)院的教師，開始了他一邊教學(xué)、一邊研究的新生活。

1809年他被聘為維切利皇家學(xué)院的數(shù)學(xué)物理教授，並一度擔(dān)任過院長。在這裏他度過了卓有成績的10年。分子假說就是在這裏研究和提出的。1819年，亞佛加德羅成為都靈科學(xué)院的正式院士，不久擔(dān)任了都靈大學(xué)第一個(gè)數(shù)學(xué)物理講座的第一任教授。1850年，阿佛加德羅從這一教職上退休。阿佛加德發(fā)表了很多著作，重要的著作是四大卷的《可度量物體物理學(xué)》。從歷史觀點(diǎn)來說，這是關(guān)於分子物理學(xué)最早的一部著作。亞佛加德羅的傳奇---從律師到物理化學(xué)家39佛光人文社會(huì)學(xué)院自然科學(xué)史(HistoryofNaturalScience)第7章 物質(zhì)的基礎(chǔ)－原子及其結(jié)構(gòu)(D)不斷完善的原子模型楊棋明博士中央研究院生物多樣性研究中心Email:cmyang@.twTel:02-27821258#612,613FTP:http://.tw/cmyang.htm40道爾頓模型Daltonmodel(1803)堅(jiān)實(shí)不可分的實(shí)心球湯姆遜模型Thomsonmodel(1904)平均分佈著正電荷的粒子崁著同數(shù)目的電子拉塞福模型Lutherfulmodel(1911)帶正電荷的核位於中心，質(zhì)量主要集中在核上，電子沿不同軌道運(yùn)轉(zhuǎn)波爾模型Bohrmodel(1913)電子在一定軌道上繞核做高速圓周運(yùn)動(dòng)電子雲(yún)模型Electroncloudmodel(1935)現(xiàn)代物質(zhì)結(jié)構(gòu)學(xué)說近代原子模型發(fā)展歷史41陰極射線1、1879年克魯克Crookes在接近真空的玻璃管中通以高壓電，發(fā)現(xiàn)了陰極射線的存在，特徵：

(a)陰極射線由陰極發(fā)射，直線飛向陽極；(b)遇到障礙物，可形成陰影；

(c)可使管內(nèi)的金屬薄片風(fēng)車轉(zhuǎn)動(dòng)；

(d)管內(nèi)氣體不同時(shí)，呈現(xiàn)不同顏色。

2、1879年湯姆遜Thomson由陰極射線實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)中，証明了”電子”的存在。(打破二千多年來原子不可分割的觀念)

(a)在垂直於陰極射線的方向放置電場(chǎng)，射線的行進(jìn)方向會(huì)偏轉(zhuǎn)成弧線狀。放置磁場(chǎng)亦然。(b)陰極射線會(huì)偏向正電板，證明它是帶負(fù)電的物質(zhì)。

它被命名為”電子”。(c)再由相關(guān)的物理計(jì)算，可求出”各種”陰極射線的

荷質(zhì)比”(e/m)（電荷量除以質(zhì)量所得的商數(shù)），此值為一定值。(d)不論陰極板面，是由何種金屬組成，也不論施加電壓多大，測(cè)得的值皆為同一數(shù)值。此種帶電的顆粒(由陰極射出的射線)是所有元素(原子)共有的基本顆粒。42

3.1909年密立根Millicun的油滴實(shí)驗(yàn)

(1)既然電子可能存在，且是所有原子內(nèi)部共有的”次粒子”(sub-particle)。電子的電荷量究竟是多少？應(yīng)如何測(cè)量？西元1909年，美國的密立坎設(shè)計(jì)了精密的油滴實(shí)驗(yàn)，終於測(cè)得了電子的電荷量(又稱”基本帶電量”)，並為美國獲得第一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。(2)同時(shí)，將湯姆遜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與密立根的實(shí)驗(yàn)結(jié)果合併計(jì)算，就可求得電子的質(zhì)量。油滴實(shí)驗(yàn)示意圖密立根油滴實(shí)驗(yàn)---電子是帶電荷的有質(zhì)量的粒子43湯姆遜的原子模型---電子的發(fā)現(xiàn)及其位置(1)湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子後，他設(shè)想的原子模型為：「原子可能是一個(gè)本身帶正電荷的球體，而帶負(fù)電的電子則平均散佈其內(nèi)」稱為西瓜模型，(又稱為”葡萄乾布丁模型”)441903年，湯姆遜發(fā)展了他前一年提出的原子構(gòu)造模型：原子是一個(gè)半徑大約為10-10米的球體，正電荷均勻地分佈於整個(gè)球體，電子則稀疏地嵌在球體中，這是一個(gè)類似葡萄乾麵包的原子模型。同年，物理學(xué)家長岡半太郎認(rèn)為正負(fù)電子不可能相互滲透，提出了電子均勻地分佈在一個(gè)環(huán)上，環(huán)中心是一個(gè)具有大質(zhì)量的帶正電的球，被他稱為“土星型模型”結(jié)構(gòu)。1911年，拉塞福借助於α粒子散射研究，提出原子正電荷必定集中在半徑10-15米的範(fàn)圍內(nèi)，而原子半徑卻有10-10米，因此原子裏面絕大部分是空虛的，從而證明湯姆遜的模型更接近於物理真實(shí)。湯姆遜原子模型---電子的發(fā)現(xiàn)及其的位置(2)45拉塞福的原子模型---原子核的發(fā)現(xiàn)及其位置約在相同年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了放射性物質(zhì)，知道射線的存在，1911年英人拉塞福(湯姆遜的研究夥伴、副手)與其助手蓋革在研究粒子的散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)了”原子核”的存在，開啟了”核原子模型”的研究。原子中央有”原子核”，原子核帶正電，而且原子質(zhì)量大部份集中於此。

原子核與原子比較，前者體積極小，猶如一顆玻璃珠對(duì)一個(gè)操場(chǎng)的大小比例。

原子核外，電子快速繞核運(yùn)動(dòng)，猶如行星繞日般。1913年莫色勒Moseloy証實(shí)原子核所帶的電的正電量與其質(zhì)量或原子序有密切關(guān)聯(lián)。原子核的帶電量有大有小，是否也有帶正電荷的顆粒存在？1919年拉塞福以粒子撞擊氮原子，發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子確實(shí)存在。質(zhì)子的質(zhì)量約為電子質(zhì)量的1840倍。原子的大部份空間是空的(Mostofthespaceinanatomisempty)461913年，波爾把拉塞福的原子模型和普朗克的量子論巧妙地結(jié)合起來，並且把原來只用於能的量子概念加以推廣，為以後各種物理量的量子化打開了大門，提出了新的原子結(jié)構(gòu)理論。其理論要點(diǎn)是：

電子只能在一些特定的軌道上運(yùn)行；

電子在特定軌道上運(yùn)行時(shí)，不發(fā)射也不吸收能量；

當(dāng)電子從一個(gè)具有較高能量的軌道躍遷到具有低能量的軌道時(shí)，就要發(fā)射出能量，反之吸收。這個(gè)理論顯然是違反古典理論的，由古典理論估算，電子在繞核運(yùn)行時(shí)，必定不斷損失能量，軌道會(huì)來越小，而終於落到核中，並計(jì)算出在一個(gè)直徑為10-10m的原子，在10-12s時(shí)間內(nèi)就會(huì)崩潰。但他在大量研究和計(jì)算的基礎(chǔ)上，堅(jiān)持真理，為長期以來一直無法解釋的經(jīng)驗(yàn)公式做出了統(tǒng)一的理論解釋。波爾因此而獲1922年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。波爾的原子模型---電子環(huán)繞原子核運(yùn)動(dòng)

波爾父子47波爾原子模型波爾的”太陽系”模型48不同的電子軌域(s,p,d,f)能階不同：能階交錯(cuò)現(xiàn)象多電子原子其電子所處的能級(jí)示意圖從第三電子層起就出現(xiàn)能階交錯(cuò)現(xiàn)象。例如，3d的能量似乎應(yīng)該低於4s，而實(shí)際上E3d＞E4s。按能量最低原理，電子在進(jìn)入核外電子層時(shí)，不是排完3p就排3d，而是先排4s，排完4s才排3d。由於能階交錯(cuò)，在次外層未達(dá)最大容量之前，已出現(xiàn)了最外層，而且最外層未達(dá)最大容量時(shí)，又進(jìn)行次外層電子的填充。所以原子最外層和次外層電子數(shù)一般達(dá)不到最大容量。49拉塞福1906年之原子模型：電子、質(zhì)子、中子原子(atom)

電子(electron)

核(nucleus)

質(zhì)子(proton)中子(neutron)

電荷質(zhì)量半徑電子－1x105x質(zhì)子＋1837x1x中子o1837x1x原子的大部份空間是空的(Mostofthespaceinanatomisempty.)原子是組成物質(zhì)不能再分割的基本單位nucleuselectron測(cè)不準(zhǔn)原理(Principleofuncertainty)50西元1925年左右，湯姆遜由質(zhì)譜儀的研究中，發(fā)現(xiàn)了“同位素”的存在。

同位素：原子序相同(即質(zhì)子數(shù)目相同)而質(zhì)量數(shù)不同的粒子因?yàn)樵有蛳嗤?，所以各同位素屬於同一元素，只是原子量不相同?/p>

同時(shí)，由質(zhì)譜儀的測(cè)量，鈉原子核的質(zhì)量(或鈉離子的質(zhì)量，或鈉原子的質(zhì)量皆可，因?yàn)殡娮淤|(zhì)量可以忽略)約為原子質(zhì)量的23倍，故鈉原子核內(nèi)應(yīng)該含有23個(gè)質(zhì)子才對(duì)，而測(cè)量鈉的原子序(帶電量)顯示它只含有11個(gè)質(zhì)子(核外11個(gè)原子)，為何原子核的質(zhì)量不符合"質(zhì)子質(zhì)量"的總和？西元1932年英人查兌克Chadwick以粒子撞擊鈹(Be)原子核，終於找到了中子的存在。同位素與中子的發(fā)現(xiàn)51

今日的原子結(jié)構(gòu)：電子雲(yún)模型

原子核=質(zhì)子+中子電子軌域電子原子的大部份空間是空的(Mostofthespaceinanatomisempty.)電子雲(yún)電子雲(yún)52IBM用原子拼成中國字53原子結(jié)構(gòu)現(xiàn)今我們知道，原子是由三種亞(次)原子粒子(sub-atomicparticle)組成的：(1)質(zhì)子(Proton):質(zhì)子是一顆帶正電荷(+1)的粒子，質(zhì)量為1.67262X10-24克，是電子的1836倍，符號(hào)是p。位處原子核(nucleus)內(nèi)。質(zhì)子在該原子核中的數(shù)目就是原子序數(shù)(atomicnumber，符號(hào)是Z)。(2)中子(Neutron):中子是一顆不帶電荷的粒子，質(zhì)量為1.67493X10-24克，是電子的1839倍，符號(hào)是n。位處原子核內(nèi)。中子在該原子核中的數(shù)目加上質(zhì)子在該原子核中的數(shù)目就是原子質(zhì)量(atomicmass，符號(hào)是A)。(3)電子(Electron):電子相信是最為人熟悉的帶負(fù)電荷(-1)的粒子了。它的質(zhì)量是9.10939X10-28克，符號(hào)是e-。位處原子核外，以高速圍繞著原子核運(yùn)行。

電子分為三種：s電子、p電子和d電子。它們分別分佈在不同能級(jí)(energylevel)的軌道(orbital)：s電子的能級(jí)較低，p電子的能級(jí)稍高於s電子，d電子的能級(jí)則較高。54拉塞福1906年之原子模型：電子、質(zhì)子、中子原子(atom)

電子(electron)

原子核(nucleus)

質(zhì)子(proton)中子(neutron)

電荷質(zhì)量半徑電子－1x105x質(zhì)子＋1837x1x中子o1837x1x原子的大部份空間是空的(Mostofthespaceinanatomisempty.)原子是組成物質(zhì)不能再分割的基本單位nucleuselectron測(cè)不準(zhǔn)原理(Principleofuncertainty)55測(cè)不準(zhǔn)原理(Theuncertaintyprinciple)測(cè)不準(zhǔn)原理主張：某些物理量對(duì)，特別是位置/動(dòng)量、能量/時(shí)間這兩對(duì)是永遠(yuǎn)不可能同時(shí)準(zhǔn)確得知，實(shí)際上其中一項(xiàng)測(cè)得越準(zhǔn)確，另外一項(xiàng)越測(cè)不準(zhǔn)。當(dāng)近代物理大師海森堡提出測(cè)不準(zhǔn)原理時(shí)，他為量子系統(tǒng)的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)奠定了一條經(jīng)典的定律﹕物體的空間座標(biāo)(位置)與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(動(dòng)量)在量子世界的尺度裡無法同時(shí)準(zhǔn)確地決定，這兩個(gè)物理量(位置、動(dòng)量)的乘積的最小值為浦朗克常數(shù)。而在一獨(dú)立與外界沒有交互作用的量子系統(tǒng)中，系統(tǒng)的狀態(tài)在理論上，是包含所有本徵態(tài)(eigenstate)按著機(jī)率分佈相加的線性組合。這意味著該系統(tǒng)在某個(gè)時(shí)刻，有可能處於狀態(tài)A，也有可能處於狀態(tài)B，或者甚至既在狀態(tài)A又在狀態(tài)B。一旦這個(gè)量子系統(tǒng)與外界產(chǎn)生交互作用，或是受到了干擾(perturbation，或稱為”微擾”)，它的狀態(tài)就不再變動(dòng)，而會(huì)存在當(dāng)時(shí)能量最穩(wěn)定的狀態(tài)。Δx·Δp≥h/4π

粒子