江玉安

摘要：回顧了原子理論的發(fā)展歷史，并評(píng)述了原子理論的發(fā)展過程。

關(guān)鍵詞：原子；原子論；原子模型；原子理論

文章編號(hào)：1005－6629(2009)01－0055－04中圖分類號(hào)：G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

人作為智慧生命，與其他生命體的根本區(qū)別在于有思想，會(huì)思考。2007年5月14日，溫家寶總理在同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院鐘廳向師生們作了一個(gè)即席演講，其中就講到：一個(gè)民族有一些關(guān)注天空的人，他們才有希望；一個(gè)民族只是關(guān)心腳下的事情，那是沒有未來的。溫家寶總理是想說明，理性思考是推動(dòng)人類文明發(fā)展的主要?jiǎng)恿?，思考的廣遠(yuǎn)與深邃則是文明發(fā)展程度的重要標(biāo)志。原子理論的發(fā)展是一個(gè)生動(dòng)的事例。

1古典原子論

古希臘是人類文明的光輝時(shí)代，產(chǎn)生了一大批著名的哲學(xué)家、思想家，古希臘文明是西方文明的源頭。古希臘的一批哲人面對(duì)紛繁多樣的世界，產(chǎn)生了很多思考：這紛繁多樣的世界有著簡單的共同組成嗎？物質(zhì)可以被無休止地一直分割下去，還是存在構(gòu)成世界的最小物質(zhì)結(jié)構(gòu)單元？古希臘學(xué)者亞里士多德（前384～前322）認(rèn)為物質(zhì)是連續(xù)的，也就是說，人們可以將物質(zhì)無限制地分割成越來越小的小塊，人們永遠(yuǎn)不可能得到一個(gè)不可再分割下去的最小顆粒。我國戰(zhàn)國時(shí)期也有“物質(zhì)是連續(xù)的”這樣類似的思想，《莊子·天下篇》中就有“一尺之棰，日取其半，萬世不竭”的說法。但公元前5世紀(jì)的古希臘哲學(xué)家留基伯則認(rèn)為：物質(zhì)的分割過程不能永遠(yuǎn)繼續(xù)下去，物質(zhì)的碎片遲早會(huì)達(dá)到不可能分得更小的地步。他的學(xué)生德謨克利特（前460～前362）接受了這種物質(zhì)碎片會(huì)小到不可再分的觀念，并稱這種物質(zhì)的最小組成單位為“原子”（意思是“不可分割”）?，F(xiàn)在化學(xué)中的原子一詞就來自于德謨克利特的命名。德謨克利特認(rèn)為事物的本源是原子的排列。原子是組成一切物質(zhì)的基本單位，是不可再分的終極微粒。各種物質(zhì)中原子的數(shù)目不同，但各種物質(zhì)性質(zhì)的不同只是表觀的，而不是實(shí)在的?；鸬脑雍退脑釉诒举|(zhì)上是一樣的，只是形狀不同而已。所有的物質(zhì)都是由同樣的固定不變的原子所組成。物質(zhì)之所以有形態(tài)、顏色、味道等許多不同，只是因?yàn)榻M成它們的原子有大小、形狀及排列方式的不同。與德漠克利特同時(shí)代的人恩培多克勒（Empedocles）則持有不同的觀點(diǎn)，他認(rèn)為有若干種不同的原子，它們按不同比例摻雜起來，就構(gòu)成了各種物質(zhì)。恩培多克勒基于當(dāng)時(shí)處于萌芽階段的化學(xué)知識(shí)，提出了四種原子，以對(duì)應(yīng)當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是最基本的四種物質(zhì)：土，水，空氣和火。

古希臘的原子論只是猜測和假設(shè)，屬于思辨的范疇，沒有事實(shí)可以說明，也無法得到實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，因此古典原子論不能稱為科學(xué)，只是哲學(xué)觀點(diǎn)、哲學(xué)思想。實(shí)證是科學(xué)的基本特征。

在中世紀(jì)，西方的經(jīng)院神學(xué)家們卻因?yàn)樵诱撆c宗教學(xué)說教義相沖突而激烈反對(duì)這種觀點(diǎn)，因此古典原子論在中世紀(jì)的歐洲并沒有影響力。亞里士多德關(guān)于物質(zhì)是連續(xù)的學(xué)說才是正統(tǒng)的。原子學(xué)說直到2000年后的17世紀(jì)才得以復(fù)活，“古代哲學(xué)家的那些理論，現(xiàn)在又在大聲喝彩中復(fù)興了，仿佛是現(xiàn)代哲學(xué)家發(fā)現(xiàn)的”（ 英國化學(xué)家玻義耳語）。古典原子論隨著文藝復(fù)興及近代科學(xué)的產(chǎn)生而重新引起人們的重視，更重要的是，哲學(xué)家的思想火炬開始傳遞到科學(xué)家手中，開始由思辨逐步轉(zhuǎn)化為科學(xué)。玻義耳在其著作《懷疑派的化學(xué)家》（1661年出版）中提出“猜測世界可能由哪些基質(zhì)組成是毫無用處的，人們必須通過實(shí)驗(yàn)來確定它們究竟是什么”，玻義耳顯然點(diǎn)出了古典原子論和科學(xué)原子論的本質(zhì)區(qū)別。原子論到底是不是科學(xué)的，那是要有事實(shí)依據(jù)、經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的。他把任何不能通過化學(xué)方法將其分解成更簡單組分的物質(zhì)稱為元素。在他看來，“元素……是指某種原始的、簡單的、一點(diǎn)也沒有攙雜的物體。元素不能用任何其他物體造成，也不能彼此相互造成”。后來使化學(xué)發(fā)生革命的化學(xué)家拉瓦錫把“元素”或“要素”定義為“分析所能達(dá)到的終點(diǎn)”。

玻義耳（1627－1691）是化學(xué)的奠基人，恩格斯高度評(píng)價(jià)玻義耳：“玻義耳把化學(xué)確立為科學(xué)”。化學(xué)成為科學(xué)是以玻義耳出版《懷疑派的化學(xué)家》（1661年）為標(biāo)志的。如果說玻義耳對(duì)原子論的復(fù)活起到了重要作用，那么，真正讓原子論成為科學(xué)理論的卻是道爾頓。

2 道爾頓原子模型

道爾頓（1766－1844）原子論的提出有兩個(gè)重要的科學(xué)基礎(chǔ)，一是法國化學(xué)家普羅斯于1801年提出的定比定律（也稱定組成定律）：參與化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)質(zhì)量都成一定的整數(shù)比；或者說，每種物質(zhì)都有固定的組成。例如1克氫和8克氧化合成9克水，假如不按這個(gè)一定的比例，多余的就要剩下而不參加化合。二是道爾頓自己發(fā)現(xiàn)的倍比定律：當(dāng)兩種元素所組成的化合物具有兩種以上時(shí)，在這些化合物中，如果一種元素的量是一定的，則另一種元素在各化合物中的相對(duì)質(zhì)量有簡單倍數(shù)之比。倍比定律是在1803年由道爾頓用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的。

為什么會(huì)有定比定律和倍比定律呢？道爾頓因此提出了他的原子學(xué)說。道爾頓用的就是德謨克利特的那個(gè)“原子”名詞。正是這一借用，才使德謨克利特的古典原子論卓爾不群，也使道爾頓的原子論找到了歷史源頭。道爾頓的原子學(xué)說主要包含三個(gè)重要觀點(diǎn)：①原子是不能再分的粒子；原子在所有化學(xué)變化中均保持自己的獨(dú)特性質(zhì)，原子既不能創(chuàng)造，也不能消滅。②同種元素的原子的各種性質(zhì)和質(zhì)量都相同，不同元素的原子，其形狀、質(zhì)量不同，各種性質(zhì)也不相同；原子的質(zhì)量是元素的基本特征。 ③化合物是由組成元素的原子聚集而成的“復(fù)雜原子”；在構(gòu)成一種化合物時(shí)，其成分元素的原子數(shù)目保持一定，而且保持著最簡單的整數(shù)。道爾頓的原子論在1803年提出，在1808年公開出版的名著《化學(xué)哲學(xué)的新體系》中作了系統(tǒng)地闡述。道爾頓的原子論與已發(fā)現(xiàn)的元素相對(duì)應(yīng)，有多少種元素就有多少種原子；道爾頓還提出了原子量的概念，并用實(shí)驗(yàn)的方法測出了不少原子的相對(duì)原子質(zhì)量。這樣道爾頓就第一次把純屬猜測的、定性描述的原子概念變成一種具有一定質(zhì)量、可以由實(shí)驗(yàn)來測定的物質(zhì)實(shí)體，成為化學(xué)家們定量解釋化學(xué)變化的重要理論。德謨克利特不但沒有說明“原子”的質(zhì)量有多大，而且認(rèn)為原子只有一種，這與道爾頓的原子論不可同日而語。恩格斯對(duì)道爾頓的原子論給予了高度的評(píng)價(jià)：“化學(xué)中的新時(shí)代是隨著原子論開始的，近代化學(xué)之父是道爾頓?！焙髞淼陌⒎拥铝_分子假說是對(duì)道爾頓原子理論的發(fā)展與完善，門捷列夫的元素周期律則是以原子的相對(duì)質(zhì)量從小到大排列的順序?yàn)榛A(chǔ)而發(fā)現(xiàn)的。

3 現(xiàn)代原子理論

直到19世紀(jì)末，人們還都認(rèn)同道爾頓的“原子不可分”這一觀點(diǎn)。但隨著一個(gè)接一個(gè)科學(xué)新發(fā)現(xiàn)，這種信念終于被打破了。1895年11月8日，德國物理學(xué)家倫琴（1845～1923，獲1901年首屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）發(fā)現(xiàn)了X射線；1896年5月18日，法國物理學(xué)家貝克勒爾（1852～1908，與居里夫婦因發(fā)現(xiàn)放射性同獲1903年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）發(fā)現(xiàn)了天然物質(zhì)鈾的放射性現(xiàn)象，后來居里夫婦又發(fā)現(xiàn)已知元素釷的放射性，并發(fā)現(xiàn)了新的放射性元素釙和鐳（瑪麗· 居里因此獲1911年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)）；1897年4月30日英國物理學(xué)家湯姆遜（1856～1940，獲1906年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）發(fā)現(xiàn)了電子。X射線、放射性。電子的發(fā)現(xiàn)被稱為19世紀(jì)末物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)。這三大發(fā)現(xiàn)，特別是電子的發(fā)現(xiàn)突破了道爾頓原子模型的框架，打開了原子大門。既然電子是從原子中跑出來的，那么就說明了原子并不是最小的終極微粒，原子是可分的。

3.1湯姆遜原子模型

打開大門的原子其結(jié)構(gòu)是怎樣的呢？電子是帶負(fù)電的微粒，而已知原子是電中性的，所以原子中必然有帶正電的部分。帶負(fù)電的電子和原子中帶正電的部分是怎樣結(jié)合的呢？1904年湯姆遜提出了一種原子模型，認(rèn)為原子的主體部分是一個(gè)平均分布著正電荷的原子球，帶正電荷的原子球中鑲嵌著許多電子，電子中和了正電荷，從而形成了中性原子。原子中的正負(fù)電荷通過靜電作用達(dá)到穩(wěn)定，電子就像葡萄干鑲嵌在原子球的面包上一樣，這個(gè)模型被叫做葡萄干面包模型。

3.2盧瑟福原子模型

湯姆遜的學(xué)生盧瑟福（1871～1937，因發(fā)現(xiàn)原子的衰變獲1908年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)）在研究原子結(jié)構(gòu)時(shí)，他做了著名的α粒子（氦核）的散射實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)用高速飛行的α粒子作為“炮彈”，去轟擊極薄的金箔，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)α粒子仍在向前行進(jìn)，并不改變它們的前進(jìn)方向，但是也有一小部分α粒子改變了原來的途徑，有一定角度的偏轉(zhuǎn)，即發(fā)生了散射現(xiàn)象；只有極少數(shù)的α粒子（八千至一萬中有一個(gè)）偏轉(zhuǎn)得特別厲害，甚至完全彈了回來。由此，盧瑟福得到了令人驚訝的結(jié)論：只有假設(shè)入射α粒子與原子的正電部分相距小于原子直徑的千分之一，才能對(duì)觀察到的散射現(xiàn)象做出解釋；而這又只有在入射α粒子和原子的正電部分統(tǒng)統(tǒng)比原子本身小上千倍時(shí)才能說得通。因此，盧瑟福的發(fā)現(xiàn)推翻了湯姆遜的原子模型，把湯姆遜那一大塊正電體變成一小團(tuán)位于原子正當(dāng)中的原子核，而那群電子則留在外邊。因此，湯姆遜葡萄干面包模型原子結(jié)構(gòu)被盧瑟福的“太陽系－行星系式”原子模型（其中原子核是太陽，電子是行星）所取代，這是1911年發(fā)生的事。

原子和太陽系的這種相似性還由下述事實(shí)得到更進(jìn)一步的加強(qiáng)：原子核占整個(gè)原子質(zhì)量的99.97%，太陽占整個(gè)太陽系質(zhì)量的99.87%；電子間的距離與電子直徑之比也與行星間距離與行星直徑之比相近（達(dá)上千倍）。

然而，最重要的相似之點(diǎn)在于，原子核與電子間的電吸引力也好，太陽與行星間的萬有引力也好，都遵從平方反比規(guī)律（即力與兩者距離的平方成反比）。在這種類型的力的作用下，電子繞原子核描繪出圓形或橢圓形的軌道，如同太陽系中各行星和彗星的情況一樣。

3.3玻爾原子模型

盧瑟福的學(xué)生，丹麥的物理學(xué)家玻爾（1885～1962，因?qū)α孔永碚摰呢暙I(xiàn)獲1922年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）發(fā)現(xiàn)原子的“太陽系－行星系式”模型存在嚴(yán)重的缺陷：首先這是一個(gè)不穩(wěn)定的電子運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，因?yàn)楫?dāng)電子繞核運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)該不斷地輻射電磁波，電子的運(yùn)動(dòng)能量也應(yīng)不斷減少，最后會(huì)使電子墜落到原子核上，原來的原子很快就會(huì)毀滅，這顯然與事實(shí)不符；其次，電子在繞核運(yùn)動(dòng)中能量逐漸減少，輻射的電磁波的頻率應(yīng)是逐漸變化的，發(fā)出的光譜應(yīng)是連續(xù)的，但實(shí)際測得的原子光譜，卻不是連續(xù)的光譜，而是由分立的譜線組成，這又是“太陽系－行星系式”模型無法解釋的。

1913年玻爾依據(jù)普朗克的量子理論，提出了原子的量子化軌道模型的假說。他假定原子中電子只能在具有一定能量的特定軌道上運(yùn)動(dòng)而不能在任意軌道上運(yùn)動(dòng)，電子在這些特定軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，既不吸收能量也不輻射能量；當(dāng)電子從能量高的軌道向能量低的軌道躍遷時(shí)，它們就發(fā)射電磁波，反之就吸收電磁波。顯然，由于電子在原子中各穩(wěn)定態(tài)（軌道）的能量是分立的（不連續(xù)的，即量子化的），所以所獲得的光譜線的頻率自然也是分立的。玻爾的量子化軌道模型成功地解釋了氫原子的原子線狀光譜，也解答了電子為什么不會(huì)落到原子核上的問題。

3.4 現(xiàn)代原子模型

但是玻爾的量子化軌道模型卻不能解釋多電子原子的原子光譜，對(duì)氫原子光譜的細(xì)節(jié)部分也解釋不了，這是因?yàn)樵?、離子、電子等微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與宏觀物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是迥然不同的。只有從微觀粒子的本性——波粒二象性出發(fā)，才能使探究核外電子運(yùn)動(dòng)的研究邁向一個(gè)嶄新的階段。1923年法國物理學(xué)家德波羅意（1892～1987，獲1929年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）提出電子等微觀粒子也具有波動(dòng)性和粒子性的假說，1926年奧地利物理學(xué)家薛定諤（1887～1961，與P.A.M.狄拉克共獲1933 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）建立了電子波動(dòng)方程。運(yùn)用薛定諤波動(dòng)力學(xué)建立的原子模型又是一個(gè)全新的模型：除原子核近似看成不動(dòng)外，核外的電子并不是繞著原子核旋轉(zhuǎn)的情況，電子的運(yùn)動(dòng)遵守測不準(zhǔn)原理和統(tǒng)計(jì)規(guī)律?！皽y不準(zhǔn)原理”是由德國物理學(xué)家海森堡（1901～1976獲1932年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）提出的。電子在核外有些地方出現(xiàn)的幾率大，在有些地方出現(xiàn)的幾率小，通常用所謂的“電子云”名稱形象地加以描述。電子運(yùn)動(dòng)的軌道也不是傳統(tǒng)意義上的軌道，而是通過求解薛定諤波動(dòng)方程的一個(gè)統(tǒng)計(jì)值，指的是電子出現(xiàn)幾率最大的區(qū)域。這個(gè)建立在量子力學(xué)基礎(chǔ)上的原子結(jié)構(gòu)模型才是今天我們認(rèn)識(shí)的、完整的、科學(xué)的原子結(jié)構(gòu)理論。

現(xiàn)代原子結(jié)構(gòu)理論才是化學(xué)的根本理論。原子的化學(xué)性質(zhì)實(shí)際上就是電子特別是價(jià)電子的性質(zhì)；元素性質(zhì)的周期性變化規(guī)律是電子分層排布引起的自然結(jié)果?，F(xiàn)代原子理論使我們可以預(yù)測原子的化學(xué)性質(zhì)，也從根本上解釋了元素周期律的原因。

還需補(bǔ)充說明的是，雖然道爾頓的原子理論被大多數(shù)化學(xué)家欣然接受，物理學(xué)家的原子論也很有市場，但是不同的聲音從來就沒有消失過。相當(dāng)一部分的物理學(xué)家因原子論缺乏物理實(shí)驗(yàn)證明而拒絕承認(rèn)。到了1905年，愛因斯坦在其"奇跡年"中完成了一篇關(guān)于布朗運(yùn)動(dòng)的論文，在這篇論文中愛因斯坦對(duì)支配布朗運(yùn)動(dòng)的定律做了推導(dǎo)，首先將布朗運(yùn)動(dòng)的研究量化。接著，在1908年，法國物理學(xué)家佩蘭做了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。這一出色實(shí)驗(yàn)使分子實(shí)在性的證據(jù)變得明確無誤，說服了絕大多數(shù)的物理學(xué)家。1982年賓寧和羅雷爾在IBM公司蘇黎士實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了一項(xiàng)非凡表面成像技術(shù)：掃描隧道顯微鏡（STM）。通過這一技術(shù)，人們可以獲得漂亮清晰的原子排列圖像，使科學(xué)家可償試操縱原子完成化學(xué)反應(yīng)的途徑。

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