原子學(xué)說(shuō)（約翰·道爾頓提出的學(xué)說(shuō)）
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原子學(xué)說(shuō)
約翰·道爾頓提出的學(xué)說(shuō)
道爾頓與原子論道爾頓提出原子論(Atomic Theory），標(biāo)志著近代化學(xué)發(fā)展的開始。因?yàn)榛瘜W(xué)作為一門重要的自然科學(xué)，它所要說(shuō)明的現(xiàn)象本質(zhì)正是原子的化合與化分。道爾頓的學(xué)說(shuō)已抓住了這一核心和本質(zhì)，主張用原子的化合與化分來(lái)說(shuō)明各種化學(xué)現(xiàn)象和化學(xué)定律間的內(nèi)在聯(lián)系。因此，無(wú)論從廣度和深度上說(shuō)都是更加超過(guò)了燃燒的氧化學(xué)說(shuō)。
基本信息
| 中文名 | 原子學(xué)說(shuō) |
| 外文名 | Atomic Theory |
| 提出者 | |
| 標(biāo)志 | 近代化學(xué)發(fā)展的開始 |
理論歷史
德謨克利特
宇宙萬(wàn)物是由世界上最微小的、堅(jiān)硬的、不可入、不可分的物質(zhì)粒子構(gòu)成的，他將這種粒叫作“原子”。他認(rèn)為，原子在性質(zhì)上相同，但在形狀大小上卻是多種多樣的。萬(wàn)物之所以不同，就是由于萬(wàn)物本身的原子在數(shù)目、形狀和排列上各有不同，就是由于萬(wàn)物本身的原子在數(shù)目、形狀和排列上各有所不同。并且認(rèn)為，原子總在不斷運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)是原子本身所應(yīng)有的性質(zhì)。無(wú)數(shù)的原子在空間中不斷運(yùn)動(dòng)、互相碰撞而形成世界及其中的事物。月、日、星辰是由原子構(gòu)成的，甚至人的靈魂也是由原子構(gòu)成的。由此可見，德謨克利特的原子論論證了世界的物質(zhì)性，對(duì)自然界的本質(zhì)提出了大膽而有創(chuàng)造性的臆測(cè)，比較深刻地說(shuō)明了物質(zhì)結(jié)構(gòu)，肯定了運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)的屬性，因而具有重要的意義。
德謨克利特的原子論從一開始就受到了柏拉圖和亞里士多德的強(qiáng)烈反對(duì)，一直到1650年才由意大利物理學(xué)家伽桑狄重新提出并得到了牛頓的支持。那是在意大利物理學(xué)家用實(shí)驗(yàn)證明真空可以存在之后的事了，伽桑狄認(rèn)為原子正是在這種真空中運(yùn)動(dòng)。他用原子的形狀和大小說(shuō)明物質(zhì)的各種性質(zhì)：如熱是由微小的圓形原子引起的；冷是帶有鋒利棱角的角錐形原子產(chǎn)生的，所以嚴(yán)寒使人產(chǎn)生刺痛感等等。波義耳也有類似的觀點(diǎn)，他認(rèn)為構(gòu)成自然界的材料是一些細(xì)小密集、用物理方法不可分割粒子。粒子結(jié)合成更大的粒子團(tuán)，是參加化學(xué)反應(yīng)的基本單位，其大小和形狀決定物質(zhì)的物理性質(zhì)。
牛頓
牛頓繼承和發(fā)展了波義耳的化學(xué)思想，從力學(xué)的角度發(fā)展了物質(zhì)構(gòu)造和微粒說(shuō)。牛頓認(rèn)為，物質(zhì)是由一些很小的微粒組成，這些微粒通過(guò)某種力量彼此吸引，當(dāng)粒子直接接觸時(shí)，這種力特別強(qiáng)；粒子間距離小時(shí)這種力可以使粒子進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)；粒子間的距離較大時(shí)，這種力則失去作用。牛頓關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的微粒理論對(duì)道爾頓的原子論思想產(chǎn)生了很大影響。
道爾頓
各種物質(zhì)的原子，它們各自的形狀、大小、重量一定是相同的，不同物質(zhì)的原子，其形狀、大小及重量必不相同。為此，他曾經(jīng)作出這樣的推理：假如水的某些原子比其他的水原子重，再假如某一體積的水恰恰由這些較重的水原子組成，那么這一體積的水的比重必然較其他水的比重要大（這顯然與事實(shí)不符，因?yàn)槲覀冎罒o(wú)論從什么地方得來(lái)的純水的比重都是相同的）。由此及彼，其他物質(zhì)也是如此。道爾頓又指出，不同氣體的原子的大小必然各異。他說(shuō)，如果將一體積氮與一體積氧進(jìn)行化合，則會(huì)生成二體積的氧化氮，這二體積的氧化氮的數(shù)目一定不能多于一體積氮或氧的原子數(shù)。因此，他說(shuō)氧化氮的原子一定比氧、氮的原子大。
在這這種見解的基礎(chǔ)上，道爾頓為了進(jìn)一步解釋一種氣體擴(kuò)散于他種氣體的理由以及混合氣體的壓力問(wèn)題，他又提出：同一化學(xué)物質(zhì)的原子相互排斥。道爾頓又推理說(shuō)，當(dāng)兩種有彈性的流體混合在一起時(shí)，同一種微粒相互排斥，但并不排斥另一種微粒，因此，加在一個(gè)微粒上的壓力，完全來(lái)自與它相同的微粒。由此，他解釋了他的分壓定律。正如他的一位朋友所說(shuō)的那樣，一種氣體對(duì)別的任何氣體來(lái)說(shuō)都是一種真空。
以后，道爾頓進(jìn)一步考慮到對(duì)各種原子的相對(duì)質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量的問(wèn)題，雖然進(jìn)行了許多研究工作，但是依據(jù)當(dāng)時(shí)的水平所測(cè)得的原子量是很不準(zhǔn)確的，甚至無(wú)法計(jì)算各種元素的原子量，因而他不得不作了一些大膽的猜測(cè)和假設(shè)。他首先為復(fù)雜原子進(jìn)行了命名：二元化合物、三元化合物和四元化合物。然后，他又很武斷地作出了這樣的結(jié)論：如果兩種元素彼此化合，其化合時(shí)則遵循從最簡(jiǎn)單的方式開始，其層次分為4個(gè)。道爾頓又據(jù)以上原則，以氫原子量為1，以此作為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了其他元素原子的相對(duì)質(zhì)量。
道爾頓確定的化合物組成的規(guī)則是沒(méi)有什么科學(xué)依據(jù)的，不能不說(shuō)是過(guò)于主觀、隨意和武斷之舉。因此，很多化合物復(fù)雜原子的組成被他弄錯(cuò)了，比如水是
，而他誤作HO，隨之氧的原子量也就錯(cuò)了。
1803年，10月18日，道爾頓在曼徹斯特的學(xué)會(huì)上第一次宣讀了他的有關(guān)原子論的論文。論文中說(shuō)了如下幾個(gè)原子論的要點(diǎn)：
1元素的最終組成稱為簡(jiǎn)單原子，它們是不可見的，既不能創(chuàng)造，也不能毀滅和再分割，它們?cè)谝磺谢瘜W(xué)變化中本性不變。
2同一元素的原子，其形狀、質(zhì)量及性質(zhì)是相同的；不同元素的原子則相反。每一種元素以其原子的質(zhì)量為其最基本的特征（此點(diǎn)乃道原子論的核心）。
3不同元素的原子以簡(jiǎn)單數(shù)目的比例相結(jié)合，形成化合物?；衔锏脑臃Q為復(fù)雜原子，其質(zhì)量為所含各元素原子質(zhì)量的總和。同一種復(fù)雜原子，其形狀、質(zhì)量及性質(zhì)也必然相同。
至此，道爾頓完成了提出原子論的歷史使命，由于該學(xué)說(shuō)解決了很多化學(xué)基本定律的解釋，所以很快為化學(xué)界所接受。
關(guān)于原子
英文名atom
原子是化學(xué)變化中的最小微粒。（沒(méi)有外殼）是人類最經(jīng)典的、使用最為廣泛的基本假設(shè)。原子的假設(shè)，可用來(lái)精確的解釋物理學(xué)中力學(xué)、熱力學(xué)、光學(xué)、量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)等等幾乎物理方方面面的問(wèn)題，以及同為自然科學(xué)的生物學(xué)（用物理學(xué)家的眼光看，一切生物過(guò)程都是原子的運(yùn)動(dòng)）、化學(xué)（化學(xué)可以使用量子力學(xué)等解釋）等等，在未來(lái)，或許會(huì)延伸到各個(gè)學(xué)科。
原子的假設(shè)建立時(shí)是基于人類直觀的感覺(jué)-物質(zhì)的粒子性。但在物質(zhì)波動(dòng)性上也可以神奇地找到它的影子。也許就是因?yàn)樵拥募僭O(shè)，使物理學(xué)有現(xiàn)在這樣輝煌的成果。
原子可看作地球一樣大的體育館里的一顆乒乓球（原子半徑的數(shù)量級(jí)在10的-10次方），研究原子的方法也好比在這個(gè)體育館里放置10的23次方以上的乒乓球，并且讓這些球不停地跳動(dòng)起來(lái)。
原子是構(gòu)成自然界各種元素的基本單位，由原子核和核外軌道電子（又稱束縛電子或繞行電子）組成。原子的體積很小，直徑只有10的-8次cm，原子的質(zhì)量也很小，如氫原子的質(zhì)量為1.67356*10的-24g，而核質(zhì)量占原子質(zhì)量的99%以上。原子的中心為原子核，它的直徑比原子的直徑小很多。
原子核帶正電荷，束縛電子帶負(fù)電荷，兩者所帶電荷相等，符號(hào)相反，因此，原子本身呈中性。束縛電子按一定的軌道繞原子核運(yùn)動(dòng)，當(dāng)原子吸收外來(lái)能量，使軌道電子脫離原子核的吸引而自由運(yùn)動(dòng)時(shí)，原子便失去電子而顯電性，成為離子。
原子是構(gòu)成元素的最小單元，是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)層次．原子一詞來(lái)自希臘文，“意思是不可分割的。”公元前4世紀(jì)，古希臘物理學(xué)家德謨克利特提出這一概念，并把它當(dāng)作物質(zhì)的最小單元，但是差不多同時(shí)代的亞里士多德等人卻反對(duì)這種物質(zhì)的原子觀，他們認(rèn)為物質(zhì)是連續(xù)的，這種觀點(diǎn)在中世紀(jì)占優(yōu)勢(shì)，但隨著科學(xué)的進(jìn)步和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，物質(zhì)的原子觀在16世紀(jì)之后又為人們所接受，著名學(xué)者伽利略、笛卡兒、.牛頓等人都支持這種觀點(diǎn)．著名的俄國(guó)化學(xué)家門捷列夫所發(fā)現(xiàn)的周期律指出各種化學(xué)元素的原子間相互關(guān)聯(lián)的性質(zhì)是建立原子結(jié)構(gòu)理論時(shí)的一個(gè)指導(dǎo)原則．從近代物理觀點(diǎn)看，原子只不過(guò)是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)層次，這個(gè)層次介于分子和原子核之間．
原子組成
原子核中的質(zhì)子和中子緊密地堆在一起，因此原子核的密度很大。質(zhì)子和中子的質(zhì)量大致相等，中子略高一些。質(zhì)子帶正電荷，中子不帶電荷，是電中性的。所以整個(gè)原子核是帶正電荷的。原子核即使和原子相比，還是非常細(xì)小的——比原子要小100,000倍。原子的大小主要是由最外電子層的大小所決定的。如有原子是一個(gè)足球場(chǎng)，那原子核就是場(chǎng)中央的一顆綠豆。所以原子幾乎是空的，被電子占據(jù)著。
電子是帶負(fù)電荷的。它們遠(yuǎn)比質(zhì)子和中子輕，質(zhì)量只有質(zhì)子的約
。它們高速地圍著原子核運(yùn)轉(zhuǎn)。電子圍繞原子核的軌道并不都一樣。它們?cè)谝恍┙须娮訉拥膮^(qū)域內(nèi)圍著原子核轉(zhuǎn)，那些最接近原子核的在一層，遠(yuǎn)一些的又在另外一層。每一層都有一個(gè)數(shù)字。最內(nèi)層的是層1，外一層的是層2，如此類推。每一層都可以容納一個(gè)最高限量數(shù)的電子數(shù)目，層1可容納兩個(gè)，層2八個(gè)，層3十八個(gè)，層4三十二個(gè)，越往外層可容納的電子就越多。
若設(shè)層數(shù)為n，則第n層可容納電子數(shù)為
個(gè)。最外層電子不大于8個(gè)，最接近最外層的電子層不大于十八個(gè)，但也有特例。
在一顆電中性的原子中，質(zhì)子和電子的數(shù)目是一樣的。另一方面，中子的數(shù)目不一定等于質(zhì)子的數(shù)目。帶電荷的原子叫離子。電子數(shù)目比質(zhì)子小的原子帶正電荷，叫陽(yáng)離子。相反的原子帶負(fù)電荷，叫陰離子。金屬元素最外層電子一般小于四個(gè)，在反應(yīng)中易失去電子，趨向達(dá)到穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，成為陽(yáng)離子。
非金屬元素最外層電子一般多于四個(gè)，在化學(xué)反應(yīng)中易得到電子，趨向達(dá)到穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，成為陰離子。
原子序決定了該原子是那個(gè)族或那類元素。例如，碳原子是那些有6顆質(zhì)子的原子。所有相同原子序的原子在很多物理性質(zhì)都是一樣的，所顯示的化學(xué)反應(yīng)都一樣。質(zhì)子和中子數(shù)目的總和叫質(zhì)量數(shù)。中子的數(shù)目對(duì)該原子的元素并沒(méi)有任何影響——在同一元素中，有不同的成員，每個(gè)的原子序是一樣的，但質(zhì)量數(shù)都不同。這些成員叫同位素。元素的名字是用它的元素名稱緊隨著質(zhì)量數(shù)來(lái)表示，如碳14(每個(gè)原子中含有6個(gè)質(zhì)子和8個(gè)中子)
只有94種原子是天然存在的(其余的都是在實(shí)驗(yàn)室中人工制造的)每種原子都有一個(gè)名稱，每個(gè)名稱都有一個(gè)縮寫。
首20種原子（或元素）依次為氫、氦、鋰、鈹、硼、碳、氮、氧、氟、氖、鈉、鎂、鋁、硅、磷、硫、氯、氬、鉀、鈣。它們的簡(jiǎn)寫是H、He、Li、Be、B、C、N、O、F、Ne、Na、Mg、.Al.、Si.、P.、S、.Cl、Ar、K、Ca。
發(fā)展史
前400年，希臘哲學(xué)家德謨克列特提出原子的概念。1803年，英國(guó)物理學(xué)家約翰·道爾頓提出原子說(shuō)。1833年，英國(guó)物理學(xué)家法拉第提出法拉第電解定律，表明原子帶電，且電可能以不連續(xù)的粒子存在。1874年，司通內(nèi)建議電解過(guò)程被交換的粒子叫做電子。1879年，克魯克斯從放電管(高電壓低氣壓的真空管)中發(fā)現(xiàn)陰極射線。1886年，哥德斯坦從放電管中發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極射線。1897年，英國(guó)物理學(xué)家湯姆生證實(shí)陰極射線即陰極材料上釋放出的高速電子流,并測(cè)量出電子的荷質(zhì)比。
。1909年，美國(guó)物理學(xué)家密立根的油滴實(shí)驗(yàn)測(cè)出電子之帶電量，并強(qiáng)化了“電子是粒子”的概念。1911年，英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福的α粒子散射實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)原子有核，且原子核帶正電、質(zhì)量極大、體積很小。其條利用帶正電的α粒子(即氦核)來(lái)轟擊金屬箔，發(fā)現(xiàn)大部分(99.9%)粒子，穿過(guò)金屬箔后仍保持原來(lái)的運(yùn)動(dòng)方向，但有絕少數(shù)α粒子發(fā)生了較大角度的偏轉(zhuǎn)。在分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，盧瑟福提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型：在原子的中心有一個(gè)很小的原子核，原子核的全部正電荷和幾乎全部的質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外空間繞核運(yùn)動(dòng)，就像行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)那樣。1913年，丹麥科學(xué)家玻爾改進(jìn)了盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型，認(rèn)為電子只能在原子內(nèi)的一些特定的軌道上運(yùn)動(dòng)。1913年，英國(guó)物理學(xué)家莫塞萊分析了元素的X射線標(biāo)識(shí)譜，建立原子序數(shù)的概念。1913年，湯姆生殖質(zhì)譜儀測(cè)量質(zhì)量數(shù)，并發(fā)現(xiàn)同位素。1919年，盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子。其利用α粒子撞擊氮原子核與發(fā)現(xiàn)質(zhì)子，接著又用α粒子撞擊硼(B)、氟(F)、鋁(A1)、磷(P)核等也都能產(chǎn)生質(zhì)子，故推論“質(zhì)子”為元素之原子核共有成分。1932年，英國(guó)物理學(xué)家乍得威克利用α粒子撞擊鈹原子核，發(fā)現(xiàn)了中子。1935年，日本物理學(xué)家湯川秀樹建立了介子理論。原子趣聞：人體中每秒有40萬(wàn)個(gè)放射性原子蛻變?yōu)槠渌?。人體每個(gè)細(xì)胞平均有90萬(wàn)億個(gè)原子，是40萬(wàn)個(gè)原子的22500萬(wàn)倍。
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