原子学说的确立

原子学说的确立

在很早以前，已经有人提出了“物质是由原子构成的”这一猜想，但直到18世纪，尤其是18世纪后半期至19世纪中期，随着工业产业兴起，科学迅速发展，人们透过生产实践和大量化学、物理学实验，才加深了对原子的认识。

原子学说由推测转变为科学概念，归功于英国化学家道尔顿（1766－1844年），他是一个教会学校的化学教师，他对前人的研究结果加以分析，提出了关于原子的著名论断：物质是由具有一定质量的原子构成的；元素是由同一种类的原子构成的；化合物是由构成该化合物成分的元素的原子结合而成的；原子是化学作用的最小单位，它在化学变化中不会改变。

道尔顿的原子学说具备了雄厚的科学依据，但是新的实验事实面前又出现了新的矛盾。1811年意大利科学家阿伏加德罗在原子学说中引进了“分子”的概念。他认为，构成任何气体的粒子不是原子，而是分子；单质的分子是由同种原子构成的；化合物的分子是由几种不同的原子构成的。这样，经过不同国家的许多人的努力，才逐步地建立了原子分子学说。

这一学说认为：①物质是由分子组成的，分子是保留原物质性质的微粒。②分子是由原子组成，原子则是用化学方法不能再分割的最小粒子，它已失去了原物质的性质。例如，食盐（NaCl）的分子是由钠原子和氯原子组成的，氯是有毒的，显然食盐的性质与氯和钠的性质截然不同；而完全无害的元素碳和氮，组成的化合物却可以是剧毒的气体氰化物。

这一学说揭示了微观粒子的组合方式，为人们打开了研究化学反应本质，进一步研究物质的微观结构打开了关键的一扇大门。

一、原子概念的深度发展

原子概念的深度发展，指的是向深层次发展，向原子内部认识的深化。就概念而言，表现为原子概念内涵的深化。众所周知，概念是反映事物本质属性的思维形式，概念有其内涵和外延，概念的内涵就是概念所反映的事物的本质属性；人们通过概念反映的本质属性去认识具有这种属性的事物，这类事物的总体是概念所包括的事物的范围，也就是概念的外延。

原子概念的深度发展，以道尔顿原子概念为起点，经历了四个阶段，如果包括道尔顿的原子概念在内，原子概念的发展经历了五个阶段，具体表现为相继出现的五种原子模型。简要叙述如下：

第一个阶段，建立了第一个原子模型，即道尔顿的原子模型，这是一个实心球模型，与这个模型相联系，原子概念的内涵，也就是原子概念的含义是：不能再分的、不可破的最基本的物质微粒。

第二个阶段，以电子的发现为开端，建立了第二个原子模型。

在道尔顿提出化学论的原子概念以后，原子概念的深度发展，发端于电子的发现。电子的发现是一个认识过程，大体上可划分为三个时期。第一个时期，提出假设。由于道尔顿原子概念的确立和法拉第电解定律的发现，使一些化学家提出联想，既然物质由原子组成，与物质有当量关系的电可能也是由最小的电颗粒组成的，每个电颗粒带有最小的电荷单位。1872年，斯通尼（G．J．Stoney）提出了“电原子说”，把元电荷叫做电子。恩格斯从物质和运动的相互关系出发也提出了预言性的意见。恩格斯指出，物质和运动是不可分离的，具体的物质形式和具体的运动形式也是不可分离的，科学在研究了电现象或电的运动的基础上，“一个像道尔顿的发现那样给整个科学提供一个中心点并给研究工作打下巩固基础的发现，现在还有待人们去探求”，应当弄清楚，“什么在带电的物体中运动”，“什么是电运动的真正物质基础”，“什么东西的运动引起电现象”。第二个时期，定性研究。19世纪30年代以后，由于对低压气体放电现象的观察和研究，发现了阴极射线。这种射线是什么？经过实验研究，1879年克鲁克斯（william Crookes）发现，它是一种带负电的粒子流，而另一些科学家，例如赫兹（H．R．Hertz）和勒纳德（P．Lenard）则认为阴极射线是以太振动。前者实际上已发现了电子的存在，但尚未确证它的存在。第三个时期，定量测定。杰·汤姆逊于1897年用定量方法测定了阴极射线这种带电粒子的速度、质量、荷质比，并将这种粒子称为电子。

电子的发现打开了原子的大门。基于电子的发现和原子为电中性的事实，1902年，开耳芬（Lord Kelvin，即W．汤姆逊）提出一个类似于面包葡萄干原子模型；1903年，J．汤姆逊发展了这个模型。这个模型把原子看作一个半径大约为10^－10米的球体，正电荷均匀分布在整个球体空间，电子嵌在正电荷中。这是一个均匀原子模型，与这个模型相联系，原子不再是不能再分的、不可破的最基本的物质微粒，它也有自己的组成和结构。

第三个阶段，基于α粒子散射实验观察到的事实以及对实验结果的理论研究，建立了第三个原子模型，即原子的有核模型。

1909年，盖革和马斯登观测α粒子透过金属箔的散射分布，发现大部分α粒子通过金属箔按直线或近似直线的路径前进，少量α粒子发生散射，个别α粒子的散射角远远大于按照汤姆逊模型所作的理论预测。1911年，卢瑟福提出了原子的有核模型。他认为，要使α粒子产生大角度散射，原子的正电荷必须集中在半径为10^－15米的范围以内，而原子的半径有10^－10米，因此推断原子里面绝大部分是空虚的。这个模型很快得到了实验证实。原子的有核模型否定或代替了原子的均匀模型，与这个模型相联系，原子被看作由原子核和核外电子组成的体系。

第四个阶段，为解决原子有核模型中存在的矛盾，解释原子光谱，建立了第四个原子模型，即氢原子的玻尔模型。

原子有核模型表明，原子核外的电子绕核转动的圆运动是加速运动，依据经典电动力学，电子在运动中应该辐射电磁波。于是，电子由于不断辐射电磁波而不断丧失能量，电子将会不断接近原子核，最后掉到核内去，致使原子崩溃。同时，依据上述推论，核外电子的旋转半径逐步缩小，它向外辐射的电磁波应当是连续的。然而，这些事情都没有发生，原子是稳定的，说明电子并没有掉到核里去，原子光谱不是连续光谱而是分立的线光谱。早在1885年巴尔末就仔细研究了氧原子的光谱，指出了氢原子光谱是不连续的线状光谱，一定波长的光谱线具有稳定的位置，谱线的次序很有规律。依据理论作出的推论和事实发生了尖锐的矛盾，这就迫使科学家们对理论进行重新考察。1913年，玻尔建立了氢原子结构模型，该模型以实验为基础提出了新的假设：第一，氢原子中的一个电子绕原子核做圆周运动；第二，电子只能处于一些分立的轨道上，它在这些轨道上运动不辐射电磁波，这就是说，在氢原子中存在着一些具有确定能量的稳定态；第三，电子从一个稳定态跳跃到另一个稳定态时，则辐射或吸收一份电磁辐射，即发射或吸收光子。玻尔的氢原子模型成功地解释了氢原子光谱。这个模型是在原子有核模型基础上建立的，又使原子有核模型获得了发展，使人们对原子核外电子运动轨道的性质有了进一步认识。

第五个阶段，以承认波粒二象性为基础，建立了量子力学，从而提出了第五个原子模型，即原子的波动力学模型。

玻尔的氢原子模型支持和发展了量子论，可是，玻尔的理论只能用于只有一个电子的原子，对于复杂原子则遇到了困难。即使对单电子原子，也只能计算谱线的频率，不能计算谱线的相对强度。波尔理论是从经典理论向现代理论的过渡，它本身还不够完善。1923年，路易·德布罗意（Louis V．de Broglie）提出，过去一向被认为是粒子的电子也应该具有波动性的物质，预言了电子衍射现象的存在，1927年，这个预言得到了实验证实。1926年，薛定谔连续发表了六篇论文，发展了德布罗意的物质波思想，建立了波动力学。依据波动力学，电子在核外可能的空间运动状态，可以用一个波函数来描述，而波函数从统计规律看是指波的强度所反映的电子在空间出现的几率，现在通常用电子云形象化地表示几率密度分布。以波动力学为基础建立的原子模型，可以称为波动力学模型。

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阿伏加德罗与分子学说

在物理学和化学中，有一个重要的常数叫阿伏加德罗常数。NA＝6．02205×10²³摩尔。它表示1摩尔的任何物质所含的分子数。在物理学和化学中，还有一常见的定律叫阿伏加德罗定律。它的内容是在同一温度、同一压强下，体积相同的任何气体所含的分子数都相等，这一定律是意大利物理学家阿伏加德罗（1776－1856年）于1811年提出的；在19世纪，当它没有被科学界所确认和得到科学实验的验证之前，人们通常把它称为阿伏加德罗的分子假说。假说得到科学的验证，被确认为科学的真理后，人们才称它为阿伏加德罗定律。在验证中，人们证实在温度、压强都相同的情况下，1摩尔的任何气体所占的体积都相等。例如在0℃、压强为760mmHg时，1摩尔任何气体的体积都接近于22．4升，人们由此换算出：1摩尔任何物质都含有6．02205×10²³个分子，这一常数被人们命名为阿伏加德罗常数，以纪念这位杰出的科学家。阿伏加德罗在科学史上占据这样一个重要地位，那么他究竟是个什么样的人呢？让我们从分子论的提出说起。

一、分子论的提出

就在英国化学家道尔顿正式发表科学原子论的第二年（1808年），法国化学家盖·吕萨克在研究各种气体在化学反应中体积变化的关系时发现，参加同一反应的各种气体，在同温同压下，其体积成简单的整数比。这就是著名的气体化合体积实验定律，常称为盖·吕萨克定律。盖·吕萨克是很赞赏道尔顿的原子论的，于是将自己的化学实验结果与原子论相对照，他发现原子论认为化学反应中各种原子以简单数目相结合的观点可以由自己的实验而得到支持，于是他提出了一个新的假说：在同温同压下，相同体积的不同气体含有相同数目的原子。他自认为这一假说是对道尔顿原子论的支持和发展，并为此而高兴。

没料到，当道尔顿得知盖·吕萨克的这一假说后，立即公开表示反对。因为道尔顿在研究原子论的过程中，也曾作过这一假设后被他自己否定了。他认为不同元素的原子大小不会一样，其质量也不一样，因而相同体积的不同气体不可能含有相同数目的原子。更何况还有1体积氧气和1体积氮气化合生成2体积的一氧化氮的实验事实（O₂＋N₂─→2NO）。若按盖·吕萨克的假说，n个氧和2n个氮原子生成了2n个氧化氮复合原子，岂不成了一个氧化氮的复合原子由半个氧原子、半个氮原子结合而成？原子不能分，半个原子是不存在的，这是当时原子论的一个基本点。为此道尔顿当然要反对盖·吕萨克的假说，他甚至指责盖·吕萨克的实验有些靠不住。

盖·吕萨克认为自己的实验是精确的，不能接受道尔顿的指责，于是双方展开了学术争论。他们俩人都是当时欧洲颇有名气的化学家，对他们之间的争论其他化学家没敢轻易表态，就连当时已很有威望的瑞典化学家贝采里乌斯也在私下表示，看不出他们争论的是与非。

就在这时意大利一位名叫阿伏加德罗的物理学教授对这场争论发生了浓厚的兴趣。他仔细地考察了盖·吕萨克和道尔顿的气体实验和他们的争执，发现了矛盾的焦点。1811年他写了一篇题为：“原子相对质量的测定方法及原子进入化合物的数目比例的确定”的论文，在文中他首先声明自己的观点来源于盖·吕萨克的气体实验事实，接着他明确地提出了分子的概念，认为单质或化合物在游离状态下能独立存在的最小质点称作分子，单质分子由多个原子组成，他修正了盖·吕萨克的假说，提出：“在同温同压下，相同体积的不同气体具有相同数目的分子。”“原子”改为“分子”的一字之改，正是阿伏加德罗假说的奇妙之处。由此可见，对科学概念的理解必须一丝不苟。对此他解释说，之所以引进分子的概念是因为道尔顿的原子概念与实验事实发生了矛盾，必须用新的假说来解决这一矛盾。例如单质气体分子都是由偶数个原子组成这一假说恰好使道尔顿的原子论和气体化合体积实验定律统一起来。根据自己的假说，阿伏加德罗进一步指出，可以根据气体分子质量之比等于它们在等温等压下的密度之比来测定气态物质的分子量，也可以由化合反应中各种单质气体的体积之比来确定分子式。最后阿伏加德罗写道：“总之，读完这篇文章，我们就会注意到，我们的结果和道尔顿的结果之间有很多相同之点，道尔顿仅仅被一些不全面的看法所束缚。这样一致性证明我们的假说就是道尔顿体系，只不过我们所做的，是从它与盖·吕萨克所确定的一般事实之间的联系出发，补充了一些精确的方法而已。”这就是1811年阿伏加德罗提出分子假说的主要内容和基本观点。

二、分子假说的曲折经历

现在，大家都认识到分子论和原子论是个有机联系的整体，它们都是关于物质结构理论的基本内容。然而在阿伏加德罗提出分子论后的50年里，人们的认识却不是这样。原子这一概念及其理论被多数化学家所接受，并被广泛地运用来推动化学的发展，然而关于分子的假说却遭到冷遇。阿伏加德罗发表的关于分子论的第一篇论文没有引起任何反响。三年后的1814年，他又发表了第二篇论文，继续阐述他的分子假说。也在这一年，法国物理学家安培，就是那个在电磁学发展中有重要贡献的安培也独立地提出了类似的分子假说，仍然没有引起化学界的重视。已清楚地认识到自己提出的分子假说在化学发展中的重要意义的阿伏加德罗很着急，在1821年他又发表了阐述分子假说的第三篇论文，在文中他写道：“我是第一个注意到盖·吕萨克气体实验定律可以用来测定分子量的人，而且也是第一个注意到它对道尔顿的原子论具有意义的人。沿着这种途径我得出了气体结构的假说，它在相当大程度上简化了盖·吕萨克定律的应用。”在他讲述了分子假说后，他感慨地写道：“在物理学家和化学家深入地研究原子论和分子假说之后，正如我所预言，它将要成为整个化学的基础和使化学这门科学日益完善的源泉。”尽管阿伏加德罗作了再三的努力，但是还是没有如愿，直到他1856年逝世，分子假说仍然没有被大多数化学家所承认。

道尔顿的原子论发表后，测定各元素的原子量成为化学家最热门的课题。尽管采用了多种方法，但因为不承认分子的存在，化合物的原子组成难以确定，原子量的测定和数据呈现一片混乱，难以统一。于是部分化学家怀疑到原子量到底能否测定，甚至原子论能否成立。不承认分子假说，在有机化学领域中同样产生极大的混乱。分子不存在，分类工作就难于进行下去，例如醋酸竟可以写出19个不同的化学式。当量有时等同于原子量，有时等同于复合原子量（即分子量），有些化学家干脆认为它们是同义词，从而进一步扩大了化学式、化学分析中的混乱。

无论是无机化学还是有机化学，化学家对这种混乱的局面都感到无法容忍了，强烈要求召开一次国际会议，力求通过讨论，在化学式、原子量等问题上取得统一的意见。于是1860年9月在德国卡尔斯鲁厄召开了国际化学会议。来自世界各国的140名化学家在会上争论很激烈，但未达成协议。这时意大利化学家康尼查罗散发了他所写的小册子，希望大家重视研究阿伏加德罗的学说。他回顾了50年来化学发展的历程，成功的经验，失败的教训都充分证实阿伏加德罗的分子假说是正确的，他论据充分，方法严谨，很有说服力。经过50年曲折经历的化学家此时已能冷静地研究和思考，终于承认阿伏加德罗的分子假说的确是扭转这一混乱局面的唯一钥匙。阿伏加德罗的分子论终于被确认，阿伏加德罗的伟大贡献终于被发现，可惜此时他已溘然长逝了。甚至没有为后人留下一张照片或画像。现在唯一的画像还是在他死后，按照石膏面模临摹下来的。

在科学上的业绩令他永载史册，流芳千古。阿伏加德罗出生在一个世代相袭的律师家庭。按照他父亲的愿望，他攻读法律，16岁时获得了法学学士学位，20岁时又获得宗教法博士学位。此后当了三年律师。喋喋不休的争吵和尔虞我诈的斗争使他对律师生活感到厌倦。1800年他开始研究数学、物理、化学和哲学，并发现这才是他的兴趣所在。1799年意大利物理学家伏打发明了伏打电堆，使阿伏加德罗把兴趣集中于窥视电的本性。1803年他和他兄弟费里斯联名向都灵科学院提交了一篇关于电的论文，受到了好评，第二年就被选为都灵科学院的通讯院士。这一荣誉使他下决心全力投入科学研究。1806年，阿伏加德罗被聘为都灵科学院附属学院的教师，开始了他一边教学、一边研究的新生活。由于阿伏加德罗的才识，1809年他被聘为维切利皇家学院的数学物理教授，并一度担任过院长。在这里他度过了卓有成绩的10年。分子假说就是在这里研究和提出的。1819年，阿伏加德罗成为都灵科学院的正式院士，不久担任了都灵大学第一个数学物理讲座的第一任教授。1850年，阿伏加德罗从这一教职上退休。

自从1821年他发表的第三篇关于分子假说的论文仍然没有被重视和采纳后，他开始把主要精力转回到物理学方面。阿伏加德罗发表了很多著作，重要的著作是四大卷的《可度量物体物理学》。从历史观点来说，这是关于分子物理学最早的一部著作。

这些著作和论文是阿伏加德罗辛勤劳动的结晶。从一个律师成为一个科学家，他是作了很大的努力的。他精通法语、英语和德语，拉丁语和希腊语的造诣也很高。他那渊博的知识来源于勤奋的学习。他博览群书，所做的摘录多达75卷，每卷至少700页。最后一卷是1854年编成的，是他逝世前两年的学习记录，可谓活到老学到老。

阿伏加德罗生前非常谦逊，对名誉和地位从不计较。他没有到过国外，也没有获得任何荣誉称号，但是在他死后却赢得了人们的崇敬。1911年，为了纪念阿伏加德罗定律提出100周年，在纪念日颁发了纪念章，出版了阿伏加德罗选集，在都灵建成了阿伏加德罗的纪念像并举行了隆重的揭幕仪式。1956年，意大利科学院召开了纪念阿伏加德罗逝世100周年纪念大会。在会上意大利总统将首次颁发的阿伏加德罗大金质奖章授予两名著名的诺贝尔化学奖获得者：英国化学家邢歇伍德、美国化学家鲍林。他们在致词中一致赞颂了阿伏加德罗，指出“为人类科学发展作出突出贡献的阿伏加德罗永远为人们所崇敬”。