原子理論的提出與研究

2020-12-04 小林看天下事

大家好，歡迎收看我的百家號小林看天下事，今天小編要給大家的介紹的是原子理論的提出與研究。

原子理論

近2500年前,古希臘人最早提出了物質是由一塊塊的原子組成的,但他們沒法進行實驗來證明這個理論。19世紀初,約翰·道爾頓用現代科學的認識,重新提出了這一理論。今天,這個理論已經成為我們理解化學和基礎物理的基礎。原子理論認為,物質不是連續的。把一塊材料切成兩半,再繼續切成兩半,一直不停,直到最後沒有辦法再把它分割開來。這時剩下的東西就是原子,它是任何化學元素的最小組成部分。原子的英文是「aom」,源於希臘文「 atoms」,意為「不可分割的公元前5世紀,希臘哲學家德謨克利特最早提出了原子的概念。他相信,物質的性質源自其原子。因此,冰的原子又圓又滑,鐵的原子堅硬且彼此的聯繫緊密堅固,火原子則長相怪異,帶有能讓人感覺到熱的刺。這是個異想天開的理論,而德謨克利特對該理論補充的種種細節更是大錯特錯。但該理論的中心主旨是對的,物質真的是由數萬億個不可分割的單元組成的。

然而直到19世紀,該理論才有了科學的基礎,這之後又過了100年才被實驗證實。以科學的方法提出該理論的是英國化學家約翰·道爾頓1766年,道爾頓在坎伯蘭郡鄉下的一個貴格會教徒家庭出生。年輕的道爾頓對科學極感興趣,但他的宗教卻成了障礙。當時,不管是哪個教派的基督徒,只要不遵從英國國教會,就是「不順從國教者」,禁止入讀大學。1790年至1793年間,道爾頓沒有上大學,而是請了家庭老師。之後, 道爾頓在曼徹斯特的新學院教了一段時間的書,新學院同情不順從國教者。後來,他成了一名家庭教師,用掙來的錢資助自己的科學研究。

道爾頓最先做了很多氣象學方面的研究,不過進入19世紀後,他的興趣轉向了和氣象完全不同的東西。一些化學實驗的觀測結果表明元素在化學反應中互相結合的比例似乎遵循著某種迄今還沒有被發現的規律例如,道爾頓注意到了法國化學家約瑟夫·路易·普魯斯特( Joseph Louis Proust)的實驗。其實驗結果顯示,物質往往以整數比例相互結合。在一次實驗中,普魯斯特證實,在形成氧化錫的過程中,一塊錫結合的氧的重量是其自身重量的13.5%或27%,沒有中間數值,增加的氧只能是錫質量的13.5%的整數倍。原子理論可以簡明地對此作出解釋:根據形成氧化物的不同氧化錫或二氧化錫),每個錫原子只能結合氧原子的整數倍,因而每個氧原子的質量一定是每個錫原子質量的13.5%。

原子公理

利用這些結果,道爾頓提出了5條公理,這就是他的原子理論:

1.所有化學元素都由原子構成的;

2.同一化學元素的所有原子都是相同的;

3.一種化學元素的所有原子與其他元素的所有原子是不同的;

4.一種元素的原子可以和其他元素的原子按同等整數比結合成化合物；

5.原子不能被創造、分割或毀滅，現在我們知道,第二條公理可以被打破,因為存在同位素,即同化學元素的原子擁有不同的質量(這是因為原子內部有不同數量的中子)另外,第四祭公理的後半部分也是錯誤的,實際上,原子能夠以各種複雜的方式形成分子。而原子核物理的發展則讓我們了解到,最後條公理是完全錯誤的,物理學家能夠把一種化學元素的原子轉化為另一種化學元素的原子。但第一條和第三條公理至今仍是正確的,而且幸好這兩條是整個理論最重要的部分1803年,道爾頓向曼切斯特文學和哲學學會陳述了自己的理論,並於1805年發表了科學論文。之後,他在此基礎上寫出了《化學哲學新體34系》( A New System of Chemical Philosophy)一書,並於1808年首次出版。

實驗證明

1905年,年輕的愛因斯坦發表了一篇論文,對1827年蘇格蘭植物學家羅伯特·布朗觀察到的現象作出了解釋,由此證實了原子的存在。布朗觀察到,不管是懸浮在氣體中還是液體中,花粉微粒都會呈現出很不規則的運動,好像有什麼東西把它們撞來撞去。愛因斯坦的解釋是氣體或液體中的原子會受到多重碰撞,這些碰撞的反衝力引起了花粉微粒的運動。愛因斯坦用計算支持了自己的理論,計算的結果同布朗的結果吻合。

道爾頓的理論自此也被證實了。後來的研究更進一步推動了原子理論的發展。我們現在知道,在原子內部,帶正電的質子和電中性的中子形成原子核,而帶負電的電子繞核旋轉。電子軌道的結構決定了原子的化學性質,也是決定一種原子如何同其他原子結合成分子的關鍵因素。20世紀20年代,物理學家發現,電子結構遵循量子理論,薛丁格方程的解清楚地描述了微觀粒子的行為。從材料科學到核反應,以道爾頓的原子研究為基礎的科學發展,使得物理和化學取得了一系列重大的進步。儘管我們今天所知道的原子與道爾頓最初的設想有很大不同,但原子已經成為了科學的一個標誌性符號。

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