普通化学/原子结构/原子结构史

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书籍封面 · 简介 · v • d • e
单元: 物质 · 原子结构 · 键合 · 反应 · 溶液 · 物质状态 · 平衡 · 动力学 · 热力学 · 元素
附录: 元素周期表 · 单位 · 常数 · 方程式 · 还原电位 · 元素及其性质

为什么原子史如此重要？

对科学理解至关重要的一点是，科学被认为是一个试错和改进的过程，代表了当时最知晓的知识，而不是一个无误的真理预言。在对原子结构的理解中，更能体现出对一个想法的不断发展以及通过测试而带来的改进。

希腊理论家

最早提出类似于现代原子理论的思想的，是古希腊思想家德谟克利特。他提出存在不可分割的原子，作为对巴门尼德论点和芝诺悖论的回应。

巴门尼德反对运动、变化和多样性存在的可能性，他的前提是，无中不能生有。芝诺试图通过一系列基于无限可分性的困难的悖论来证明巴门尼德的观点。

为了回应这些观点，德谟克利特提出了不可毁灭的原子存在于真空中的概念。原子的不可毁灭性是对芝诺的回击，而真空则让他可以解释多样性、变化和运动。接下来他需要解释原子的性质，以及它们与我们对世界中物体的体验之间的关系。

德谟克利特提出原子只有少数几个实际性质，其中大小、形状和质量是最重要的。他认为，所有其他性质都可以用这三个主要性质来解释。例如，光滑的物质可能主要由光滑的原子组成，而粗糙的物质则由尖锐的原子组成。固体物质可能由具有许多钩子的原子组成，这些钩子将它们连接在一起，而液体物质的原子则具有更少的连接点。

德谟克利特在他的原子理论中提出了 5 个观点。 ^[1] 它们是

所有物质都由原子组成，原子是看不见的物质微粒。这些原子不能进一步分裂成更小的部分。
存在真空，原子之间有空隙。
原子是完全固体的。
原子是均匀的，没有内部结构。
原子在大小、形状和重量上有所不同。

炼金术

恩培多克勒提出存在四种元素，即空气、土、水和火，而其他一切都是这些元素的混合物。这一信念在中世纪很流行，并催生了炼金术。炼金术基于这样的信念：既然万物都只由四种元素构成，那么就可以将一种混合物转化为另一种相同类型的混合物。例如，人们认为铅可以转化为金。

炼金术的问题被安托万·拉瓦锡揭露，当时他将金属锡在一个密闭的烧瓶中加热。锡熔化后，表面出现灰白色的灰烬，拉瓦锡加热直到不再产生灰烬。烧瓶冷却后，他将它倒置并在水下打开。他发现水上升到玻璃容器的五分之一处，这使得拉瓦锡得出结论：空气本身就是一种混合物，其中五分之一与锡结合，而另外四分之五则没有结合，这表明空气不是一种元素。

拉瓦锡再次重复了实验，用汞代替锡，发现结果相同。然而，在轻轻加热后，他发现灰烬释放了空气，这表明实验可以逆转。他得出结论，灰烬是金属和氧气的化合物，他通过称量金属和灰烬来证明这一点，并表明它们的总重量大于原始金属的重量。

拉瓦锡随后指出，燃烧不是一种元素，而是一种燃料和氧气的化学反应。

约翰·道尔顿

现代原子理论诞生于道尔顿，他在 1803 年发表了他的理论。他的理论包含五个要点，这些要点在今天被认为是大部分正确的： (来自维基百科)

元素由称为原子的微粒组成。
给定元素的所有原子都相同。
给定元素的原子与任何其他元素的原子不同；不同元素的原子可以通过它们的相对原子量来区分。
一种元素的原子可以与另一种元素的原子结合形成化合物；给定化合物始终具有相同类型的原子的相对数量。
原子不能在化学过程中被创造、分裂成更小的粒子或被破坏；化学反应只是改变了原子结合在一起的方式。

我们现在知道元素具有不同的同位素，它们的重量略有不同。此外，核反应可以将原子分裂成更小的部分（但核反应并不真正被认为是化学反应）。除此之外，他的理论至今仍然成立。

德米特里·门捷列夫

在 19 世纪后期，俄罗斯科学家德米特里·门捷列夫因创建了第一个有组织的元素周期表而闻名。他根据原子量将每个元素进行排列，并对当时发现的 56 种元素进行了分类。除了原子量之外，他还根据已知的性质对他的表格进行了组织。

在撰写一系列教科书时，门捷列夫意识到他正在用完单独处理每个元素的空间。他开始定期将元素“换行”到下一行，并创建了现在被称为元素周期表的表格。使用他的表格，他根据之前发现的模式，预测了后来发现的元素的存在，例如“类铝”和“类硅”（镓和锗）。他的预测取得了成功，证明了他的表格非常准确。后来的理论，即原子周围的电子理论，解释了为什么同一周期或同一族的元素具有相似的化学性质。化学家后来将每个元素根据原子序数进行排列，而不是原子量，从而产生了现代的元素周期表。

J.J. 汤姆森

电子的发现

1889 年，英国物理学家 J.J. 汤姆逊发现了电子。汤姆逊使用阴极射线管进行了一系列实验。阴极射线管由两个密封在玻璃管内的电极构成，连接到一个电压供应商和一个真空泵，用于从管中抽走空气。当电极连接到大约 15000 伏的高压和低压时，从负极（阴极）发射出一束辐射，朝向正极（阳极）移动。这些射线被称为阴极射线，呈现绿色。 (1) 射线被引导到法拉第管（金箔验电器）中，并通过感应带电，使带正电的金箔验电器偏转。(2) 将一个自由移动的叶轮放置在射线路径上，叶轮能够移动，表明射线具有动量。(3) 将射线置于磁场和电场中，射线分别向北极和正极移动。汤姆逊发现阴极射线呈直线传播，但会受到电场或磁场的弯曲。阴极射线偏离负极板，汤姆逊得出结论，这些射线是由带负电的粒子组成的；我们今天称它们为电子。汤姆逊发现他可以使用各种材料的电极产生阴极射线。然后，他得出结论，电子存在于所有原子中，并且比质子小一千倍以上。汤姆逊使用仪器确定了射线发射后电荷与质量之比（e/m）。他放置了一个已知磁力影响的磁场，射线朝向北极弯曲到特定位置，然后他添加了一个电场，将射线重新回到其原始位置，并记录了电场使用的电荷，因此他将它们相除以得到大约 -1.7 * 10^8 kg 的比率。

“葡萄干布丁”原子模型

在发现电子后不久，汤姆逊开始推测原子的性质。他提出了“葡萄干布丁”模型。在这个模型中，“葡萄干”代表电子，漂浮在一个带正电的“布丁”中，以匹配电子的电荷，形成一个电中性的原子。这个想法的现代图示可以是巧克力曲奇，巧克力代表带负电的电子，面团代表带正电的电荷。

卢瑟福

欧内斯特·卢瑟福以他著名的金箔实验而闻名，该实验于 1911 年进行。α粒子是重而带正电的粒子（实际上是氦原子核，但这并不重要），它们被发射到一层非常薄的金箔上。大多数α粒子像预期的那样直线穿过。根据“葡萄干布丁”模型，所有粒子在穿过“布丁”时都会减速，但不会发生偏转。令人惊讶的是，一些α粒子以相反的方向被反弹回来。他声称这“就像你用一颗 15 英寸的炮弹射向一张薄纸，它却弹回来击中了你。”

实验结果使卢瑟福得出结论，"葡萄干布丁"模型是错误的。

原子具有一个原子核，非常小且致密，包含正电荷和原子的大部分质量。
原子主要由空旷的空间组成。
电子被原子核吸引，但仍然位于原子核的外部很远的地方。

尼尔斯·玻尔

玻尔创建了自己的原子模型，对卢瑟福的模型进行了改进。玻尔使用里德伯格提出的一个方程，该方程提供了氢原子可见光谱线之间的数学关系。该方程要求从氢原子发射的波长与两个整数的差值相关。玻尔推测，这些整数代表电子绕原子核运行的“壳层”或“轨道”，每个壳层都有一个特定的能级。轨道的能量与其到原子核的距离成正比。原子会吸收和释放具有特定能量的光子。能量是电子跃迁到不同壳层的结果。从里德伯格方程开始，加上普朗克和爱因斯坦关于光和能量关系的工作，玻尔能够推导出一个方程来计算氢原子中每个轨道的能量。玻尔模型将原子描述为一个带有电子绕其运行的原子核，并且电子以特定距离绕原子核运行。这种模型也被称为行星模型。

罗伯特·密立根

罗伯特·密立根因“油滴实验”而闻名，在这个实验中，电子电荷的值被确定。他创建了一种机制，可以喷洒油滴，这些油滴会沉降到 X 射线束中。X 射线束使油滴带上电子电荷。油滴位于一个带正电的板和一个带负电的板之间，当施加适当的电压时，油滴保持静止。罗伯特·密立根使用显微镜测量了每个油滴的直径。

密立根能够计算出每个油滴的质量，因为他知道油的密度 ( $volume*density=mass$ )。利用每个油滴的质量和万有引力公式（他从 $Force=mG$ 改写成 $m_{droplet}G=Ee$ ，其中 $m_{droplet}$ 是每个单独油滴的质量， $G$ 是重力加速度， $Ee$ 是电场力，等于第一个等式中的力），密立根能够找到电子的电荷值， $e$ 。