科學（普）有道：原子論簡史

2020-09-06 xia聊匯


希臘哲學家德克利特

原子理論是對原子和物質的本質的科學描述，結合了物理、化學和數學元素。根據現代理論，物質是由被稱為原子的微小粒子構成的，而原子又由亞原子粒子構成。一種特定元素的原子在許多方面是相同的，但與其他元素的原子不同。原子按一定比例與其他原子結合形成分子和化合物。

以下是原子理論的簡史:

原子與原子論

原子理論起源於古代印度和希臘的一個哲學概念。&34;這個詞來自古希臘單詞atomos，意思是不可分割的。根據原子論，物質是由離散的粒子組成的。然而，這個理論只是對物質的眾多解釋之一，並不是基於經驗數據。在公元前5世紀，德謨克利特提出物質由不可摧毀的、不可分割的單位組成，這些單位被稱為原子。羅馬詩人盧克萊修(Lucretius)記錄了這個想法，因此它在黑暗時代倖存下來，供後人思考。

道爾頓的原子理論


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直到18世紀末，科學才發現了原子存在的具體證據。1789年，安託萬·拉瓦錫提出了質量守恆定律，即反應產物的質量與反應物的質量相等。十年後，約瑟夫·路易斯·普魯斯特提出了確定比例定律，即化合物中元素的質量總是以相同的比例出現。

這些理論並沒有提及原子，但約翰·道爾頓在它們的基礎上發展了多重比例定律，該定律指出化合物中元素的質量比是小整數。道爾頓的多重比例定律來源於實驗數據。他提出，每一種化學元素都由一種原子組成，這種原子是不能被任何化學方法摧毀的。他的口頭報告(1803)和出版(1805)標誌著科學原子理論的開始。

在1811年，阿伏加德羅修正了道爾頓理論的一個問題，他提出等體積的氣體在等溫度和壓力下包含相同數量的粒子。阿伏伽德羅定律使精確估計元素的原子質量成為可能，並明確區分了原子和分子。

原子理論的另一個重要貢獻是1827年植物學家羅伯特·布朗做出的，他注意到漂浮在水中的塵埃顆粒似乎在不知什麼原因的情況下隨意移動。1905年，阿爾伯特·愛因斯坦假設布朗運動是由於水分子的運動。這個模型及其在1908年由Jean Perrin驗證，支持了原子理論和粒子理論。

李子布丁模型和盧瑟福模型


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到目前為止，原子被認為是物質的最小單位。1897年，J.J.湯姆森發現了電子。他相信原子是可以分裂的。由於電子帶負電荷，他提出了一個葡萄乾布丁原子模型，在這個模型中，電子被嵌入到大量的正電荷中，從而形成一個電中性的原子。

1909年，湯姆森的學生之一歐內斯特•盧瑟福(Ernest Rutherford)駁斥了葡萄乾布丁模型。盧瑟福發現，原子的正電荷和大部分質量都在原子的中心或原子核上。他描述了一個行星模型，其中電子圍繞一個帶正電荷的小原子核旋轉。

玻爾原子模型

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盧瑟福的思路是正確的，但是他的模型不能解釋原子的發射和吸收光譜，也不能解釋為什麼電子不會撞入原子核。1913年，尼爾斯·玻爾提出了玻爾模型，該模型指出電子只在特定距離的原子核軌道上運行。根據他的模型，電子不能螺旋進入原子核，但可以在能級之間進行量子躍遷。

量子原子理論


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波爾的模型解釋了氫的光譜線，但沒有擴展到多電子原子的行為。一些發現擴展了對原子的理解。1913年，弗雷德裡克·索迪(Frederick Soddy)描述了同位素，它是一種元素的原子，含有不同數量的中子。1932年發現了中子。

路易斯·德·布羅意提出了運動粒子的類波行為，埃爾溫·薛丁格用薛丁格方程描述了它(1926年)。這又引出了沃納·海森堡的測不準原理(1927)，該原理指出，同時知道電子的位置和動量是不可能的。

量子力學導致了原子理論，其中原子由更小的粒子組成。電子有可能在原子的任何地方被發現，但在原子軌道或能級中被發現的概率最大。現代原子理論描述的軌道可能是球形、啞鈴形等，而不是盧瑟福模型中的圓形軌道。對於擁有大量電子的原子，相對論效應開始發揮作用，因為粒子以光速的一小部分移動。

現代科學家已經發現了組成質子、中子和電子的更小的粒子，儘管原子仍然是不能用化學方法分裂的物質的最小單位。

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