道尔顿原子理论_原子理论的发展―纪念道尔顿原子理论发表200周年

　　摘要：回顾了原子理论的发展历史，并评述了原子理论的发展过程。 　　关键词：原子；原子论；原子模型；原子理论 　　文章编号：1005－6629(2009)01－0055－04中图分类号：G633.8文献标识码：B 　　 　　人作为智慧生命，与其他生命体的根本区别在于有思想，会思考。2007年5月14日，温家宝总理在同济大学建筑与城市规划学院钟厅向师生们作了一个即席演讲，其中就讲到：一个民族有一些关注天空的人，他们才有希望；一个民族只是关心脚下的事情，那是没有未来的。温家宝总理是想说明，理性思考是推动人类文明发展的主要动力，思考的广远与深邃则是文明发展程度的重要标志。原子理论的发展是一个生动的事例。 　　 　　1古典原子论 　　 　　古希腊是人类文明的光辉时代，产生了一大批著名的哲学家、思想家，古希腊文明是西方文明的源头。古希腊的一批哲人面对纷繁多样的世界，产生了很多思考：这纷繁多样的世界有着简单的共同组成吗？物质可以被无休止地一直分割下去，还是存在构成世界的最小物质结构单元？古希腊学者亚里士多德（前384～前322）认为物质是连续的，也就是说，人们可以将物质无限制地分割成越来越小的小块，人们永远不可能得到一个不可再分割下去的最小颗粒。我国战国时期也有“物质是连续的”这样类似的思想，《庄子・天下篇》中就有“一尺之棰，日取其半，万世不竭”的说法。但公元前5世纪的古希腊哲学家留基伯则认为：物质的分割过程不能永远继续下去，物质的碎片迟早会达到不可能分得更小的地步。他的学生德谟克利特（前460～前362）接受了这种物质碎片会小到不可再分的观念，并称这种物质的最小组成单位为“原子”（意思是“不可分割”）。现在化学中的原子一词就来自于德谟克利特的命名。德谟克利特认为事物的本源是原子的排列。原子是组成一切物质的基本单位，是不可再分的终极微粒。各种物质中原子的数目不同，但各种物质性质的不同只是表观的，而不是实在的。火的原子和水的原子在本质上是一样的，只是形状不同而已。所有的物质都是由同样的固定不变的原子所组成。物质之所以有形态、颜色、味道等许多不同，只是因为组成它们的原子有大小、形状及排列方式的不同。与德漠克利特同时代的人恩培多克勒（Empedocles）则持有不同的观点，他认为有若干种不同的原子，它们按不同比例掺杂起来，就构成了各种物质。恩培多克勒基于当时处于萌芽阶段的化学知识，提出了四种原子，以对应当时被认为是最基本的四种物质：土，水，空气和火。 　　古希腊的原子论只是猜测和假设，属于思辨的范畴，没有事实可以说明，也无法得到实验的验证，因此古典原子论不能称为科学，只是哲学观点、哲学思想。实证是科学的基本特征。 　　在中世纪，西方的经院神学家们却因为原子论与宗教学说教义相冲突而激烈反对这种观点，因此古典原子论在中世纪的欧洲并没有影响力。亚里士多德关于物质是连续的学说才是正统的。原子学说直到2000年后的17世纪才得以复活，“古代哲学家的那些理论，现在又在大声喝彩中复兴了，仿佛是现代哲学家发现的”（ 英国化学家玻义耳语）。古典原子论随着文艺复兴及近代科学的产生而重新引起人们的重视，更重要的是，哲学家的思想火炬开始传递到科学家手中，开始由思辨逐步转化为科学。玻义耳在其著作《怀疑派的化学家》（1661年出版）中提出“猜测世界可能由哪些基质组成是毫无用处的，人们必须通过实验来确定它们究竟是什么”，玻义耳显然点出了古典原子论和科学原子论的本质区别。原子论到底是不是科学的，那是要有事实依据、经实验检验的。他把任何不能通过化学方法将其分解成更简单组分的物质称为元素。在他看来，“元素……是指某种原始的、简单的、一点也没有搀杂的物体。元素不能用任何其他物体造成，也不能彼此相互造成”。后来使化学发生革命的化学家拉瓦锡把“元素”或“要素”定义为“分析所能达到的终点”。 　　玻义耳（1627－1691）是化学的奠基人，恩格斯高度评价玻义耳：“玻义耳把化学确立为科学”。化学成为科学是以玻义耳出版《怀疑派的化学家》（1661年）为标志的。如果说玻义耳对原子论的复活起到了重要作用，那么，真正让原子论成为科学理论的却是道尔顿。 　　 　　2 道尔顿原子模型 　　 　　道尔顿（1766－1844）原子论的提出有两个重要的科学基础，一是法国化学家普罗斯于1801年提出的定比定律（也称定组成定律）：参与化学反应的物质质量都成一定的整数比；或者说，每种物质都有固定的组成。例如1克氢和8克氧化合成9克水，假如不按这个一定的比例，多余的就要剩下而不参加化合。二是道尔顿自己发现的倍比定律：当两种元素所组成的化合物具有两种以上时，在这些化合物中，如果一种元素的量是一定的，则另一种元素在各化合物中的相对质量有简单倍数之比。倍比定律是在1803年由道尔顿用实验验证的。 　　为什么会有定比定律和倍比定律呢？道尔顿因此提出了他的原子学说。道尔顿用的就是德谟克利特的那个“原子”名词。正是这一借用，才使德谟克利特的古典原子论卓尔不群，也使道尔顿的原子论找到了历史源头。道尔顿的原子学说主要包含三个重要观点：①原子是不能再分的粒子；原子在所有化学变化中均保持自己的独特性质，原子既不能创造，也不能消灭。②同种元素的原子的各种性质和质量都相同，不同元素的原子，其形状、质量不同，各种性质也不相同；原子的质量是元素的基本特征。 ③化合物是由组成元素的原子聚集而成的“复杂原子”；在构成一种化合物时，其成分元素的原子数目保持一定，而且保持着最简单的整数。道尔顿的原子论在1803年提出，在1808年公开出版的名著《化学哲学的新体系》中作了系统地阐述。道尔顿的原子论与已发现的元素相对应，有多少种元素就有多少种原子；道尔顿还提出了原子量的概念，并用实验的方法测出了不少原子的相对原子质量。这样道尔顿就第一次把纯属猜测的、定性描述的原子概念变成一种具有一定质量、可以由实验来测定的物质实体，成为化学家们定量解释化学变化的重要理论。德谟克利特不但没有说明“原子”的质量有多大，而且认为原子只有一种，这与道尔顿的原子论不可同日而语。恩格斯对道尔顿的原子论给予了高度的评价：“化学中的新时代是随着原子论开始的，近代化学之父是道尔顿。”后来的阿伏加德罗分子假说是对道尔顿原子理论的发展与完善，门捷列夫的元素周期律则是以原子的相对质量从小到大排列的顺序为基础而发现的。 　　 　　3 现代原子理论 　　 　　直到19世纪末，人们还都认同道尔顿的“原子不可分”这一观点。但随着一个接一个科学新发现，这种信念终于被打破了。1895年11月8日，德国物理学家伦琴（1845～1923，获1901年首届诺贝尔物理学奖）发现了X射线；1896年5月18日，法国物理学家贝克勒尔（1852～1908，与居里夫妇因发现放射性同获1903年的诺贝尔物理学奖）发现了天然物质铀的放射性现象，后来居里夫妇又发现已知元素钍的放射性，并发现了新的放射性元素钋和镭（玛丽・ 居里因此获1911年诺贝尔化学奖）；1897年4月30日英国物理学家汤姆逊（1856～1940，获1906年的诺贝尔物理学奖）发现了电子。X射线、放射性。电子的发现被称为19世纪末物理学的三大发现。这三大发现，特别是电子的发现突破了道尔顿原子模型的框架，打开了原子大门。既然电子是从原子中跑出来的，那么就说明了原子并不是最小的终极微粒，原子是可分的。

　　3.1汤姆逊原子模型 　　打开大门的原子其结构是怎样的呢？电子是带负电的微粒，而已知原子是电中性的，所以原子中必然有带正电的部分。带负电的电子和原子中带正电的部分是怎样结合的呢？1904年汤姆逊提出了一种原子模型，认为原子的主体部分是一个平均分布着正电荷的原子球，带正电荷的原子球中镶嵌着许多电子，电子中和了正电荷，从而形成了中性原子。原子中的正负电荷通过静电作用达到稳定，电子就像葡萄干镶嵌在原子球的面包上一样，这个模型被叫做葡萄干面包模型。 　　3.2卢瑟福原子模型 　　汤姆逊的学生卢瑟福（1871～1937，因发现原子的衰变获1908年的诺贝尔化学奖）在研究原子结构时，他做了著名的α粒子（氦核）的散射实验。实验用高速飞行的α粒子作为“炮弹”，去轰击极薄的金箔，发现绝大多数α粒子仍在向前行进，并不改变它们的前进方向，但是也有一小部分α粒子改变了原来的途径，有一定角度的偏转，即发生了散射现象；只有极少数的α粒子（八千至一万中有一个）偏转得特别厉害，甚至完全弹了回来。由此，卢瑟福得到了令人惊讶的结论：只有假设入射α粒子与原子的正电部分相距小于原子直径的千分之一，才能对观察到的散射现象做出解释；而这又只有在入射α粒子和原子的正电部分统统比原子本身小上千倍时才能说得通。因此，卢瑟福的发现推翻了汤姆逊的原子模型，把汤姆逊那一大块正电体变成一小团位于原子正当中的原子核，而那群电子则留在外边。因此，汤姆逊葡萄干面包模型原子结构被卢瑟福的“太阳系－行星系式”原子模型（其中原子核是太阳，电子是行星）所取代，这是1911年发生的事。 　　原子和太阳系的这种相似性还由下述事实得到更进一步的加强：原子核占整个原子质量的99.97%，太阳占整个太阳系质量的99.87%；电子间的距离与电子直径之比也与行星间距离与行星直径之比相近（达上千倍）。 　　然而，最重要的相似之点在于，原子核与电子间的电吸引力也好，太阳与行星间的万有引力也好，都遵从平方反比规律（即力与两者距离的平方成反比）。在这种类型的力的作用下，电子绕原子核描绘出圆形或椭圆形的轨道，如同太阳系中各行星和彗星的情况一样。 　　3.3玻尔原子模型 　　卢瑟福的学生，丹麦的物理学家玻尔（1885～1962，因对量子理论的贡献获1922年的诺贝尔物理学奖）发现原子的“太阳系－行星系式”模型存在严重的缺陷：首先这是一个不稳定的电子运动系统，因为当电子绕核运动时应该不断地辐射电磁波，电子的运动能量也应不断减少，最后会使电子坠落到原子核上，原来的原子很快就会毁灭，这显然与事实不符；其次，电子在绕核运动中能量逐渐减少，辐射的电磁波的频率应是逐渐变化的，发出的光谱应是连续的，但实际测得的原子光谱，却不是连续的光谱，而是由分立的谱线组成，这又是“太阳系－行星系式”模型无法解释的。 　　1913年玻尔依据普朗克的量子理论，提出了原子的量子化轨道模型的假说。他假定原子中电子只能在具有一定能量的特定轨道上运动而不能在任意轨道上运动，电子在这些特定轨道上运动时，既不吸收能量也不辐射能量；当电子从能量高的轨道向能量低的轨道跃迁时，它们就发射电磁波，反之就吸收电磁波。显然，由于电子在原子中各稳定态（轨道）的能量是分立的（不连续的，即量子化的），所以所获得的光谱线的频率自然也是分立的。玻尔的量子化轨道模型成功地解释了氢原子的原子线状光谱，也解答了电子为什么不会落到原子核上的问题。 　　3.4 现代原子模型 　　但是玻尔的量子化轨道模型却不能解释多电子原子的原子光谱，对氢原子光谱的细节部分也解释不了，这是因为原子、离子、电子等微观粒子的运动规律与宏观物体的运动规律是迥然不同的。只有从微观粒子的本性――波粒二象性出发，才能使探究核外电子运动的研究迈向一个崭新的阶段。1923年法国物理学家德波罗意（1892～1987，获1929年的诺贝尔物理学奖）提出电子等微观粒子也具有波动性和粒子性的假说，1926年奥地利物理学家薛定谔（1887～1961，与P.A.M.狄拉克共获1933 年诺贝尔物理学奖）建立了电子波动方程。运用薛定谔波动力学建立的原子模型又是一个全新的模型：除原子核近似看成不动外，核外的电子并不是绕着原子核旋转的情况，电子的运动遵守测不准原理和统计规律。“测不准原理”是由德国物理学家海森堡（1901～1976获1932年诺贝尔物理学奖）提出的。电子在核外有些地方出现的几率大，在有些地方出现的几率小，通常用所谓的“电子云”名称形象地加以描述。电子运动的轨道也不是传统意义上的轨道，而是通过求解薛定谔波动方程的一个统计值，指的是电子出现几率最大的区域。这个建立在量子力学基础上的原子结构模型才是今天我们认识的、完整的、科学的原子结构理论。 　　现代原子结构理论才是化学的根本理论。原子的化学性质实际上就是电子特别是价电子的性质；元素性质的周期性变化规律是电子分层排布引起的自然结果。现代原子理论使我们可以预测原子的化学性质，也从根本上解释了元素周期律的原因。 　　还需补充说明的是，虽然道尔顿的原子理论被大多数化学家欣然接受，物理学家的原子论也很有市场，但是不同的声音从来就没有消失过。相当一部分的物理学家因原子论缺乏物理实验证明而拒绝承认。到了1905年，爱因斯坦在其"奇迹年"中完成了一篇关于布朗运动的论文，在这篇论文中爱因斯坦对支配布朗运动的定律做了推导，首先将布朗运动的研究量化。接着，在1908年，法国物理学家佩兰做了验证性实验。这一出色实验使分子实在性的证据变得明确无误，说服了绝大多数的物理学家。1982年宾宁和罗雷尔在IBM公司苏黎士实验室发明了一项非凡表面成像技术：扫描隧道显微镜（STM）。通过这一技术，人们可以获得漂亮清晰的原子排列图像，使科学家可偿试操纵原子完成化学反应的途径。 　　 　　参考文献： 　　[1]G・伽莫夫著.暴永宁译. 从一到无穷大[M]. 科学出版社，2005. 　　[2]李松华主编.化学发展简史[M]. 人民教育出版社，辽宁教育出版社，2000. 　　[3]韩雪涛.原子的历程[J]. 《三思科学》电子杂志，2005.