第10讲物质与原子

PAGE56PAGE55第10讲物质与原子1.元素1.1四元素与三要素(1)古希腊早期的学说自人类出现后，就有很多人在探究自然的本源，自然地形成了多种对自然界的认识。西方哲学来自希腊。探讨一下希腊原子说的起源，是很有趣的。基本元素，泰勒斯以为是水，阿耶克西曼德以为是气，赫拉克利特以为是火。阿那克西曼德的元素——气——可以凝缩和稀薄起来，但其本质不变。赫拉克利特的无尽流动说说明他以为有一些看不见的粒子在运动，表现为水的蒸发和香气的弥散。(2)四元素说公元前4世纪的医生、哲学家恩培多克勒（Empedocles，495~435BC）综合了他以前哲学家们的见解，在他们所提出的水、气和火之外，又加上土，成为组成一切物质的四元素：火、气、水、土。水：球体，彼此间容易滑过去；土：立方体，稳定；火：锯齿状、尖锐，灼人。亚里士多德（Aristotle,384~322BC）在《论生成与消灭》中认为天体和地球是由不同的材料所组成的。他提出了月层的概念，月层以下的一切物体都是由土、火、水、气四种元素组成（认为土和水具有引力，总要趋于宇宙中心；气和火具有轻的性质，总要上升到高空中的天然位置）；月层以上的天体则是由一种纯洁的第五元素“以太”组成。亚里士多德认为这四种元素还不是“最终基质”，更基本的是四种不同的性质——冷、热、干、湿，他们两两结合而形成了这四种元素，如湿和冷结合形成了水，热和干结合形成了火。四大元素的不同组合就形成了世间的万物。古希腊的元素学说大多把某一些具体的感性事物看作构成万物本原的东西，在今天看来这种学说知识只是人类对物质构成的一种简单、幼稚的臆测。但是，它们是古人对自然科学知识的探索的开始，是人类幼年迈向真理道路的重要一步。(3)三元素说到了公元8世纪阿拉伯炼金术开始兴起。它主要继承了希腊炼金术，但他们不用希腊拉丁语源的化学（英文chemistry）一词，而用炼金术（英文为Alchemy）这一名称。阿拉伯炼金术早期著名人物一般都认为是贾比尔·伊本·海扬。他是一位学识渊博的学者，拥有多种著述。他认为物质基本就是冷、热、干、湿四要素，四种要素中的两两相配合便形成了世界上各种金属。他又提出两个特殊的金属元素硫和汞，认为硫是可燃性元素，汞是金属（光泽）元素。硫和汞是构成各种金属的两大成分。如何从物质实体中分离四要素？贾比尔主张采用蒸馏手段。这是他在炼金术中所直接涉及到的化学操作。贾比尔对金属的性质和化学操作方法有清楚的叙述。但由于当时条件所限，大部分都充满神秘感。13到14世纪，西方的炼金术士们对亚里斯多德的元素又做了补充，增加了三种元素：汞、硫和盐。这就是炼金术士们的所谓“三本原”。但是，他们所说的汞、硫和盐并非具体的水银、硫黄和盐这些实物。它们只是表现着物质的性质：汞——金属性质的体现物，硫——可燃性和非金属性的体现物，盐——溶解性的体现物。还有一些炼金术士们补充了另外三种元素：醇、油、蒸馏残物。三元素是随着15-16世纪欧洲医药化学的兴起而降生的。首创三元素说的是瑞士人帕拉塞斯（PhilippusAureolusParaselsus1493~1541），他是一位职业医生。帕拉塞斯提出了他的物质本原的观点，即三元素说。所谓三元素，即为炼金士所用的硫、汞和帕拉塞斯加入的新要素盐。他认为，万物是由盐、硫、汞三种元素以不同的比例构成的。汞是挥发的液体元素；盐是不挥发，不易燃的元素；硫是易燃的元素。物质中某一种元素成分的多寡，决定了该物质的性质。炼金术的目标是使贱金属变成贵金属，这用化学的方法是根本不可能实现的，但从历史的角度看它确实是一门“准科学”。炼金术有两个来源：第一是工匠来源，第二是哲学家来源。分别对其产生了不同的影响。炼金术的实用化导致了医药化学和矿物学的发展，而实用化学知识的增长最终促成了化学成为一门理论科学的诞生。帕拉塞尔苏斯、阿格里科拉、赫尔蒙特、波义耳是从炼金术向化学转化过程中的重要人物。1.2元素与化合波义耳（英国，RobertBoyle1627~1691）曾经说过：“不要把任何物体看作是一种真正的要素或元素，而应看作是业已化合的。我现在说的元素是指某些原初的和单纯的、即丝毫没有混合过的物体，这些物体不是由任何其他物体组成，也不是相互组成，而是作为配料，一切所谓的完全混合物体都直接由它们化合而成，最终也分解成它们。”波义耳波义耳是杰出的化学家。他主张化学要建立在大量的实验观察基础上，对物质的化学变化要进行定量研究。他的著名著作是1661年发表的《怀疑派化学家》。他对“点金术”的唯心主义“元素”观进行了批判，首先提出了元素的定义，使化学研究开始走上了科学的道路。他最早引入了“分析化学”的名称，将当时习惯应用的定量试验归纳为一个系统，开始了分析化学的研究。恩格斯曾指出：“波义耳把化学确立为科学。”他认为有必要重新来认识化学，首先要讨论的是什么是化学。波义耳根据自己的实践和对众多资料的研究，主张化学研究的目的在于认识物体的本性，因而需要进行专门的实验收集观察到的事实。这样就必须使化学摆脱从属于炼金术或医药学的地位，发展成为一门专为探索自然界本质的独立科学。至于自然界元素的数目，波义耳认为：作为万物之源的元素，将不会是亚里士多德的“四种”也不会是医药化学家所说的三种，而一定会有许多种。现在看来，波义耳的元素概念实质上与单质的概念差不多，元素的定义应是具有相同核电荷数的同一类原子的总称。波义耳在他的实验中几乎发现“氧”（空气的某个部分是燃烧所必须的），在他的实验中从硝酸银中沉淀出来的白色物质，“如果暴露在空气中，就会变成黑色”。波义耳1.3燃素说在人们的生活和生产活动中，火是历史最悠久、最普遍、最重要、又是最奇妙的化学现象。研究化学，自然首先从研究火开始。波义耳提出了火的微粒说。德国化学家斯塔尔(1660—1734)吸取了火的微粒说观点，提出燃素说。燃素说认为，火的微粒能够和其他元素结合而形成化合物，也能够用游离方式存在，由火的微粒构成的元素是燃素。物质燃烧时放出燃素，不燃烧的物质是因为缺少燃素。木柴等燃料不能自动放出燃素，要空气把燃素吸出来才能燃烧。由于燃素说能够解释当时知道的一些化学现象，炼金术逐渐被人们抛弃，化学从炼金术中解放出来。燃素说统治化学界达100年之久。波义耳曾对几种金属进行过煅烧实验，他认为金属在般烧后的增重是因为存在火微粒，在慑烧中，火微粒穿过器壁而与金属结合，即：金属+火微粒=金属灰。1723年，德国哈雷大学的医学与药理学教授施塔尔出版了教科书《化学基础》。他继承并发展了他的老师贝歇尔有关燃烧现象的解释，形成了贯穿整个化学的完整、系统的理论。《化学基础》是燃素说的代表作。施塔尔认为燃素存在于一切可燃物中，在燃烧过程中释放出来，同时发光发热。燃烧是分解过程：可燃物==灰烬+燃素；金属==锻灰+燃素。如果将金属锻灰和木炭混合加热，锻灰就吸收木炭中的燃素，重新变为金属，同时木炭失去燃素变为灰烬。木炭、油脂、蜡都是富含燃素的物质，燃烧起来非常猛烈，而且燃烧后只剩下很少的灰烬；石头、草木灰、黄金不能燃烧，是因为它们不含燃素。酒精是燃素与水的结合物，酒精燃烧时失去燃素，便只剩下了水。空气是带走燃素的必需媒介物。燃素和空气结合，充塞于天地之间。植物从空气中吸收燃素，动物又从植物中获得燃素。所以动植物易燃。斯塔尔将有关燃素的观点系统化，并以此来解释当时已知的化学现象。由于燃素说的解释较过去的合理，很快被化学家所接受，成为18世纪占统治地位的化学理论。1.4化学革命人称十八世纪法国有两次大革命，一次是政治大革命，另一次就是拉瓦锡所引起的化学大革命。拉瓦锡拉瓦锡（AntoineLaurentdeLavoisier，1743~1794）拉瓦锡是一位颇有远见的科学家，他很早就发现了燃素说的矛盾，立志要搞清这个问题，并预感到“这注定要在物理学和化学上引起一次革命。”1774年他重做了波义耳的煅烧金属的实验，但是他比波义耳高明，不仅秤了金属的重量，而且还秤了整个容器的重量，确认煅烧前后总的重量不变。所以他就很自然地发现了金属的增重刚好等于容器内空气的减重，那么燃烧就是物体同空气化合，很快得到了波义耳与舍勒所不可能得到的结论。那究竟是整个空气同金属化合，还是某种气体同金属化合呢？这是一个关键问题。拉瓦锡想，既然灰渣中包含着这种气体，那就要设法在灰渣中再把这种气体取出来，可是一直未能成功。他正在为难之际，有人却从瑞典、英国送来了宝贵的科学情报。1774年9月30日，拉瓦锡接到了舍勒的来信，舍勒建议他用聚光镜加热碳酸银，再用石灰水吸收二氧化碳，就可以得到一种能助燃的气体。但拉瓦锡可能没有重视这个建议，因为这种气体并不是从金属的灰渣中产生的。1774年10月，普里斯特列随设尔本勋爵访问巴黎，又向拉瓦锡报告了氧化汞加热后产生气体的实验，这立即就引起了拉瓦锡的注意。从1774年10月到次年3月，他重复了普里斯特列的实验，并使汞又变成氧化汞，原来减少的约1/6的气体又重新产生出来。他又重复舍勒燃烧磷的实验。容器内消失的那部分气体到哪儿去了呢？他没象舍勒那样迷失方向，而是仔细地秤了磷酸酐的重量，发现空气重量的减少恰恰等于磷酸酐的增重。他又发现木炭在封闭容器内燃烧后只剩下一点灰。但是他相信木炭的大部分重量绝不会消失，一定还在容器之内，果然，容器内空气的重量增加了。拉瓦锡终于弄清了在密封容器内空气与燃烧物重量的变化，科学地总结了波义耳、舍勒、普里斯特列等人的研究成果。提出了物质守恒定律：在一次化学反应中，所有反应物的总质量必定完全地等于所有生成物的总质量1775年5月，他宣布物体燃烧时同空气中的一部分相化合，这部分空气的密度同普通空气一样，可能比一般空气要纯净，这说明这时他还未真正意识到这是一种气体元素。1778年他把“空气本身”改为“空气中纯粹的部分”、“可供呼吸的部分”，后来才把它称为氧。所谓的燃素实际上是不存在的。拉瓦锡关于燃烧的氧化学说终于使人们认清了燃烧的本质，并从此取代了燃素学说，统一地解释了许多化学反应的实验事实，为化学发展奠定了重要的基础。1780年他在《燃烧通论》一书中系统地提出了氧化学说。1783年拉瓦锡夫人当众烧毁了斯塔尔的著作，宣布燃素时期的结束，化学新时期的到来。在拉瓦的研究过程中，一些科学家的工作使他的理论得到了实际的验证。1766年，英国化学家卡文迪许发表了《人造气体》一文，这篇论文纪录了卡文迪许对氢气的研究。文中指出，氢气是做为一种独特的物质存在的。并且他还用实验证明了氢能够燃烧。1774年，普利斯特列发现“氧气”（脱燃素空气）。1774年，他得到了一个大型凸透镜(火镜)，开始研究某些物质在凸透镜聚光产主的高温下放出的各种气体。他研究的物质中有“红色沉淀物”（氧化汞）和“汞灰”亦称水银烧渣，也就是（氧化汞）。普利斯特列把氧化汞放置在玻璃钟罩内的水银面上，用一个直径30厘米、焦距为50厘米的火镜，将阳光聚集在氧化汞上。很快就发现氧化汞被分解了，放出一种气体，将玻璃罩内的水银排挤出来。他把这种气体叫做”脱燃素的空气”。他以排水集气法，把这种气体收集起来，然后研究其性质。发现蜡烛会在这种空气中燃烧，火焰非常明亮，老鼠在这种气体中生活正常，且比在等体积的普通空气中活的时间长了约4倍；他还亲自尝试了一下，感觉这种空气使人呼吸轻快、舒畅。他对实验的全过程做了详细的描述。1781年，普利斯特列发现氢在空气中燃烧形成小露珠。后来卡文迪许重复试验，证明生成的是水。拉瓦锡得出结论：水是氧与氢的化合物。根据氧化理论，1777年拉瓦锡发表论文，指出动物呼吸是吸入氧气，呼出碳酸气。他与法国科学家拉普拉斯合作，1782年设计了冰的热量计，测定了一些物质的比热和潜热。同时证明动物的呼吸也属于一种燃烧现象。拉瓦锡的氧化学说是对燃素说的否定，他关于水的组成、空气的组成等一系列实验成果是对亚里士多德四元素说的批判，为了与新的理论相适应，1785年，拉瓦锡和他的同行戴莫维、贝托雷、佛克罗伊合作编写了《化学命名法》。这本专著强调指出每种物质必须有一固定名称，单质命名尽可能表达出它的特性，化合物的命名尽可能反映出它的组成，据此他们建议对过去被称为金属灰的物质应依据它的组成命名为金属氧化物；酸、碱物质使用它们所含的元素来命名；盐类则用构成它们的酸和碱来命名。这样一来，汞灰应称为氧化汞，矾油应叫作硫酸等等。从而奠定了现代化学术语命名的基础，当今所用的化学术语的大部分都是依据这一命名法而来的。1789年拉瓦又提出了元素表，在拉瓦锡的元素表中共有三十三种元素，其中就包括石灰和镁灰。拉瓦锡提出了建立化学反应方程式的构想，从而将化学试验数学化。2.原子2.1原子论原子论创立者留基伯（Leucippus，490~?BC）是古希腊爱奥尼亚学派中的著名学者，他首先提出物质构成的原子学说，认为原子是最小的、不可分割的物质粒子。原子之间存在着虚空，无数原子从古以来就存在于虚空之中，既不能创生，也不能毁灭，它们在无限的虚空中运动着构成万物。不同物质是由不同的原子或不同的原子组合所组成的。原子重新排列可以使一种物质转变成另一种物质。伊壁鸠鲁（Epicurus，341~270BC）及其学派以德谟克利特的观点为依据，认为万物都由不变的原子构成，原子不停地旋转并随机地相互碰撞。这个学说二百年后又在罗马诗人卢克莱修（Lucretius）的诗篇《物性论》中提了出来。伽桑狄（PierreGassendi，1592~1655）是17世纪法国著名唯物主义哲学家。他的主要哲学贡献在于恢复了伊壁鸠鲁的原子论哲学，批判了经院哲学和笛卡尔的形而上学，给后来法国唯物主义的发展以重大的影响。伽桑狄认为世界上的一切事物都由原子构成，原子的基本特性是大小、形状和重量；原子在虚空中运动，重量是原子运动的内在源泉；整个宇宙就是由在虚空中运动的原子形成的。他以此批评笛卡尔关于心灵实体的观点。但他也承认上帝是原子的创造者，并抛弃了伊壁鸠鲁的原子“倾斜说”，表现出机械论的局限性。他认为气体可以压缩和膨胀的实验，气体必定是由分布很广的质点所组成。1799年，法国化学家普鲁斯特（JosephLouisProust，1755~1826）归纳化合物组成测定的结果，提出定比定律，即每个化合物各组分元素的重量皆有一定比例（铜：碳：氧=5：4：1）。他证明无论怎样制备碳酸铜，其所含铜、碳和氧的重量比例都是一定的。贝尔托莱（法国，ComteClaudeLouisBerthollet，1748~1822）认为化合物可以由不同比例的元素组成。瑞典化学家柏采留斯（BaronJönsJakobBerzélius，1779~1848）验证定比定律是正确的，并加以改进，形成我们现今所用的体系，即用字母为符号去代表同一个元素的原子量相当的该元素的相对质量。道尔顿例如H不是模糊地代表氢元素，而是代表等于1（1克、1磅或其他单位）的氢的质量；O代表等于同一单位的16倍的氧元素的质量。后来发表了四十六种元素的比较精确的原子量。道尔顿结合质量守恒定律，1803年道尔顿提出原子学说，并从这个学说引伸出倍比定律。这个推论得到定量实验结果的充分印证。原子学说建立后，化学这门科学开始宣告成立。道尔顿（JohnDalton，1766～1844）是英国化学家和物理学家。1793～1799年在曼彻斯特新学院任数学和自然哲学教授。1794年任曼彻斯特文学和哲学学会会员，1800年任学会秘书，1817～1818年任会长。1835～1836年任英国学术协会化学分会副会长。1816年当选为法国科学院通讯院士。1822年当选为英国皇家学会会员。道尔顿最大的贡献是在原子理论方面。古希腊的自然哲学，包括元素和原子的种种学说，对他的启发很大；后又受到牛顿的影响。在1803年提出原子学说，其要点为：1.化学元素均由不可再分的微粒组成。这种微粒称为原子。原子在一切化学变化中均保持其不可再分性。2.同一元素的所有原子，在质量和性质上都相同；不同元素的原子，在质量和性质上都不相同。3.不同的元素化合时，这些元素的原子按简单整数比结合成化合物。道尔顿原子学说为近代化学和原子物理学奠定了基础，是科学史上一项划时代的成就。道尔顿由于创立原子论及在生物学方面的卓越成就，在1826年获得英国皇家学会的第一枚金质奖章。主要著作为《化学哲学的新体系》（第一册，1808；第二册，1810）,并在曼彻斯特文学和哲学学会宣读过116篇论文。他根据水由35份氧和15份氢组成的实验结果，得到了氧和氢化合的质量比；又由氨气的分析得到了氮和氢化合的质量比。有了这些质量比还不够，还必须知道化合物的微粒究竟由几个原子组成，才能换算出原子的相对质量。对此道尔顿提出了由原子构成微粒（分子）的基本原则。两种元素A和B间，若只存在一种化合物，其分子为AB；若存在两种化合物，其分子为AB、ABB或AAB；若存在三种时，可能是AB、AA或ABB……，在这样的规定下，他以氢原子量作为基准，利用化学家对一些物质的分析结果，换算出一批原子的相对质量，这就是世界上第一张原子相对质量表，记载在1803年9月6日道尔顿的日记中，这一天恰好是道尔顿37岁的生日。道尔顿创立原子论的一个目标即确定单质和化合物中原子的相对重量，但是，由于他没有考虑到元素化合时定比的多样性，所以没有能测得准确的原子量。例如，他（以氢的原子量为标准单位1）根据水是由8份氧气和1份氢气化合而成，得出氧的原子量是8。实际上，他自己后来也发现，氧和氢化合成水有许多定比方式，正确的化合方式是两个氢原子与一个氧原子相化合，这样氧的原子量应是16。1808年，盖·吕萨克发现了气体化合前后体积有十分简单的比例关系，世称盖·吕萨克气体化合体积定律。如果化合反应后所产生的化合物在实验室温度下仍然是一种气体，那么化合物的体积与参与化合的元素体积有一种简单的关系。例如，2个体积的氢气加3个体积的氧气化合成2个体积的水蒸气，1个体积的氮气加3个体积的氢气生成2个体积的氨气等等。这使他猜想，相同体积中的不同气体所含原子数目可能都相同。他原以为这是对道尔顿原子论的支持，没想到，道尔顿坚决反对这一设想。在道尔顿看来，不同元素的原子大小并不相同，同体积的不同气体的原子数不可能相等。为了解决这两人之间的矛盾，意大利物理学家阿伏伽德罗于1811年提出分子概念，调解了道尔顿与盖·吕萨克之间的争端。阿伏伽德罗阿伏伽德罗(ComteAmedeoDiQuaregnaAvogadro，1776~1856)1792年入都灵大学学习法律，1796年获法学博士学位。毕业后当律师。1800年起，开始研究物理学和数学。1806年任都灵大学讲师。1809年任韦尔切利大学哲学教授。1820年任都灵大学数学和物理学教授，不久就被解聘，1834年他重新被聘任为都灵大学教授，直到1850年退休。1804年他被都灵科学院选为通讯院士，1819年当选院士。他还担任过意大利度量衡学会会长，由于他的努力，使公制在意大利得到推广。阿伏伽德罗阿伏伽德罗的分子假说是:“同体积的气体，在相同的温度和压力时，含有相同数目的分子。”现在把这一假说称为阿伏伽德罗定律。阿伏伽德罗在1811年的著作中写道：“盖-吕萨克在他的论文里曾经说,气体化合时，它们的体积成简单的比例。如果所得的产物也是气体的话，其体积也是简单的比例。这说明了在这些体积中所作用的分子数是基本相同的。由此必须承认，气体物质化合时，它们的分子数目是基本相同的。”阿伏伽德罗还反对当时流行的气体分子由单原子构成的观点，认为氮气、氧气、氢气都是由两个原子组成的气体分子。英、法、德国的科学家都不接受阿伏伽德罗的假说。一直到1860年，欧洲100多位化学家在德国的卡尔斯鲁厄举行学术讨论会，会上S.坎尼扎罗散发了一篇短文“化学哲学教程概要”，才重新提起阿伏伽德罗假说。这篇短文引起了J.L.迈尔的注意，他在1864年出版了《近代化学理论》一书，许多科学家从这本书里了解并接受了阿伏伽德罗假说。现在，阿伏伽德罗定律已为全世界科学家所公认。阿伏伽德罗数是1摩尔物质所含的分子数，其数值是6.0221367×1023。随着元素数目在十九世纪的增多，每一种元素都具有不同的特性，化学家们开始感到他们像是迷失在一座茂密的丛林中：自然界究竟有多少种元素？它们之间的内在关系怎样？有没有规律？怎样分类？由于科学的精髓就在于要从表面的杂乱中理出秩序来，所以科学家们一直想从元素的特性当中找出某种规律来。1829年已经知道的元素有五十种左右。德国人多贝赖纳发现有些元素性质相近，在原子量上有一种算术级数的关系。他对十五种元素进行分组，三个一组，分成五组。这是根据元素性质和原子量对部分元素进行分类的首次尝试，它对后来周期律的发现是很有启发的。2.2元素周期表1862年，即在坎尼札罗把原子量确定为化学上的一个重要的研究手段以后，法国的地质学家比古耶·德尚库图瓦发现，如果按原子量递增的顺序把元素排列成表的形式，他能使性质相似的元素处在同一栏内。坎尼机罗在19世纪中期提出了原子量与分子量的正确概念（发现了坎尼札罗反应）。提出了确定分子量的新方法。斯塔斯（Stas）等人增加测定原子量的精确度以后，也不能消除这个偏差。要证明物质具有共同基础并把原子量归结为整数，还得等候半个世纪；这种工作是当时的实验和理论能力办不到的。1865年，英国工业化学家纽兰兹提出了“八音律”。他把当时已知的元素按原子量递增顺序排列成表：H1F8Cl15Co,Ni22Li2Na9K16Cu23G3Mg10Ca17Zn24Bo4Al11Cr19Y25C5Si12Ti18In26N6P13Mn20As27O7S14Fe21Se28Br29Pd36I42Pt,Ir50Rb30Ag37Cs44Os51Sr31Cd38Ba,V45Hg52Ce,La33U40Ta46Tl53Zr32Sn39W47Pb54Di,Mo34Sb41Nb48Bi55Ro,Ru35Te43Au49Th56发现元素的性质有周期性的重复，第八个元素与第一个元素性质相近，就好象音乐中八音度的第八个音符有相似的重复一样。纽兰兹这个表的前两个纵列相应于现代周期表的第二、三周期，但从第三纵列以后就不能令人满意了，有六个位置同时安置了两种元素，还有些顺序考虑到元素的性质而大胆地颠倒了，但并不恰当。纽兰兹没有充分估计到原子量值会有错误，更没有考虑到那些未被发现的元素应该预先留出空位。他只是机械地将元素按原子量大小的顺序连续地排列起来。结果锰和氮、磷、砷排成了性质相似的一排；钴和镍在氯、溴之间，也属于了卤素！——也只好由它们这样。这样做把事物内在的本质规律掩盖起来了。1871年，俄国化学家门捷列夫指出三个待补元素的大致性状。门捷列夫门捷列夫（DmitriIvanovichMendeleev，1834~1907）的最大贡献是发现了化学元素周期律。他在批判地继承前人工作的基础上，对大量实验事实进行了订正、分析和概括，总结出一条规律：元素（以及由它所形成的单质和化合物）的性质随着原子量（现根据国家标准称为相对原子质量）的递增而呈周期性的变化。这就是元素周期律。门捷列夫他根据元素周期律编制了第一个元素周期表，把已经发现的63种元素全部列入表里，从而初步完成了使元素系统化的任务。他还在表中留下空位，预言了类似硼、铝、硅的未知元素（门捷列夫叫它类硼、类铝和类硅，即以后发现的钪、镓、锗）的性质，并指出当时测定的某些元素原子量的数值有错误。而他在周期表中也没有机械地完全按照原子量数值的顺序排列。若干年后，他的预言都得到了证实。1875年，布瓦博德朗（法国）发现了第一个，命名为镓（以“法国”的拉丁文命名）；1879年，尼尔森（瑞典）发现了第二个，命名为钪（以“斯堪的纳维亚”命名）；1886年，温克勒（德国）发现了第三个，命名为锗（以“德国”这个名字命名）。门捷列夫工作的成功，引起了科学界的震动。人们为了纪念他的功绩，就把元素周期律和周期表称为门捷列夫元素周期律和门捷列夫元素周期表。门捷列夫因发现周期律而获得英国皇家学会戴维奖章（1882年）。他还曾获英国科普利奖章（1905年）。1955年科学家们为了纪念元素周期律的发现者门捷列夫，将101号元素命名为钔。门捷列夫运用元素性质周期性的观点写成《化学原理》一书（1869年），曾被译成多种文字。元素周期律的发现激起了人们发现新元素和研究无机化学理论的热潮，元素周期律的发现在化学发展史上是一个重要的里程碑，它把几百年来关于各种元素的大量知识系统化起来形成一个有内在联系的统一体系，进而使之上升为理论。在此基础之上探索原子内部的结构成了当时的科学家们所关心的问题。2.3原子核模型近代的原子结构理论是建立在电子的发现和放射性的各种事实的基础上的。1897年，英国物理学家汤姆孙测定阴极射线粒子的质量发现第一个亚原子粒子——电子，因此荣获1906年诺贝尔物理学奖。这是人类认识的第一个基本粒子，不仅打破了道尔顿的“不可分”的原子，而且打破了物质结构的“终极”观念，把科学研究引上了一条出人意料的道路。于是，在20世纪前夕，科学家面临着一个完全陌生而又非常奇特的世界。汤姆森布丁模型原子模型最早是由汤姆森提出来的，他认为原子就像一个西瓜，瓜子就是带负电的电子均匀撒在西瓜瓤中，而西瓜瓤就是带正电的物质，原子是正负电量相等，所以整个原子呈中性，如果因外力是电子跑出去几个原子就是正电性质，这种带电原子就叫“离子”汤姆森布丁模型1906年，卢瑟福用金箔作了α粒子的散射实验，说明了原子里有一个很小的核。卢瑟福行星模型卢瑟福（ErnestRutherford，1871～1937）在英国剑桥大学卡文迪许实验室学习了三年，当时领导实验室的是卓越的物理学家汤姆生。由于他对于原子衰变的研究，获得了1908年诺贝尔化学奖。卢瑟福行星模型1911年他发表了题为《物质的α和β粒子的散射和原子结构》的论文，提出了有核模型。原子结构的有核模型说：原子有一个极小的可以叫做原子核的中心体，原子的质量几乎全部集中在这个核上，这个核只有原子大小的几万分之一，带正性电荷。核外有电子围绕旋转，电子带负电荷。由于核与电子电荷量相等，所以整个原子显中性或不显电性。卢瑟福在这里提出的原子有核模型和原子核概念，为微观物理学的发展奠定了重要基石。1918年，卢瑟福接替退休的汤姆生的职位，担任卡文迪许实验室主任，他在那里一直工作到逝世。1919年他用α粒子轰击氮原子，结果氮原子转变成一个氧原子加一氢原子，第一次实现了原子核的人工转变，把一种元素变成了另一种元素，揭开了探索原子核的序幕，开辟了核能研究的新时代。1920年，他还预见到中子以及氯、氦同位素的存在。1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮核，得到了质子，进而猜想原子核内存在不带电的中子，这一猜想被他的学生查德威克用实验证实。查德威克（英国，JamesChadwick1891~1974）于1932年发现了和质子同质量的、不带电的中性粒子，也就是中子。他就此作了有关报告。1935年，他荣获诺贝尔物理学奖。中子的发现，一方面打开了人类认识原子核内部结构的大门，另一方面又为人类进一步进行人工核反应研究提供了更有效的实验手段。2.4原子序数到了l9l3年，荷兰物理学家范丁·布鲁克大胆指出，就每个化学元素而言，它们的用基本电荷单位表示的核电荷数，等于这个元素在周期表上所占的位置序数(即原子序数Z)。这就是说，某元素原子核所带的正电荷数和该元素在周期表中的原子序数相同，所以元素的化学性质和核电荷数有关。而核电荷数的精确测定，可以纠正元素排列中的混乱现象。起初人们试图严格地按原子量的递增次序来排列元素的位置。结果发现碘和碲、镍和钴、钾和氩的位置发生了颠倒。而从核电荷数角度上看，碘比蹄、镍比钴、钾比氩都是大一个单位。因此碘、镍和钾在周期表中的位置理应分别在碲、钴和氩的后面，这就避免了元素排列中的混乱现象。同时，通过核电荷的精确测定，还可预测那些在自然界中应该存在而至今末被人们发现的元素。由此可见，对于某种特定的元素而言，原子序数是比原子量更为基本、更带有特征性的参量。但是，核电荷数的精确测定还是要归功于前面提到的巴克拉所开创的研究路线。他从研究X射线的衍射中，发现各种原子都会反射一种具有特殊穿透能力的X射线，而且原子量越高的原子所反射的X射线，其穿透能力愈强。人们把此种X射线命名为“特征X射线”。紧接着在1913年，英国物理学家莫塞莱（HenryGwyn-JeffreysMoseley，1887～1915）进一步研究了X射线谱与原子序数之间的关系，从而精确地测定了原子核的电荷数。他通过X射线在晶体中发生衍射的方法，精确地测定了各种原子的特征X射线的波长。结果发现，原子量越大的原子其特征X射线的波长就越短，穿透能力也就越强。由于周期表上各元素的原子序数基本上是按原子量的大小排列的，所以说特征X射线的波长随着原子序数的增大而愈来愈短。莫塞莱经过多次实验后认为，各种原子的特征X射线的波长取决于各种元素的核电荷数。我们知道随着原子序数增加核电荷数也相应增加，因为核外的电子数增加了。这样一来，我们不但能用特征X射线来确定原子核的电荷数，而且可把元素的核电荷数和周期表上的原子序数互相等同起来。另外，莫塞莱借助玻尔的原子理论，分析了电子在核壳层中的静态分布。并进一步研究了电子在壳层之间跃迁时的动态特性，并建立了它们之间的经验关系式，实验测量结果符合得非常好。这就充分说明，原子序数和核电荷数是互相关联的。莫塞莱的这一发现，不仅使门捷列夫周期表有了重大的改进，而且确立了X射线分析技术，并由此填补了元素周期表中的若干空缺。很可惜莫塞莱在第一次世界大战中被应征入伍，中断了他成功在即的X射线光谱学的研究工作。尽管卢瑟福以科研工作需要为由，多方奔走为其挽留，但终没有成功。最后莫塞莱阵亡在土耳其前线。莫塞莱去世后，瑞典物理学家西格班（1886～1978）继续了莫塞莱的X射线光谱学研究，并获得了诺贝尔物理学奖。3.放射性现象早在19世纪30年代，法拉第就发现真空中放电会发生辉光现象。随着真空技术的发展，物理学家进一步发现，真空管内的金属电极在通电时其阴极会发出某种射线，这种射线受磁场影响，具有能量，被称为阴极射线。X射线伦琴伦琴（WilhelmKonradRoentgen，1845~1923），德国实验物理学家。1895年11月8日，伦琴在进行阴极射线的实验时第一次注意到放在射线管附近的氰亚铂酸钡小屏上发出微光。经过几天废寝忘食的研究，他确定了荧光屏的发光是由于射线管中发出的某种射线所致。因为当时对于这种射线的本质和属性还了解得很少，所以他称它为X射线，表示未知的意思。伦琴同年12月28日，《维尔茨堡物理学医学学会会刊》发表了他关于这一发现的第一篇报告。他对这种射线继续进行研究，先后于1896年和1897年又发表了新的论文。1896年1月23日，伦琴在自己的研究所中作了第一次报告；报告结束时，用X射线拍摄了维尔茨堡大学著名解剖学教授克利克尔一只手的照片；克利克尔带头向伦琴欢呼三次，并建议将这种射线命名为伦琴射线。伦琴射线是人类发现的第一种所谓“穿透性射线”，它能穿透普通光线所不能穿透的某些材料。在初次发现时，伦琴就用这种射线拍摄了他夫人的手的照片，显示出手的骨结构。这种发现实现了某些神话中的幻想，因而在社会上立即引起很大的轰动，为伦琴带来了巨大的荣誉。1901年诺贝尔奖第一次颁发，伦琴就由于这一发现而获得了这一年的物理学奖。在此之后，贝可勒尔发现天然放射性，标志着原子核物理学的开始。贝克勒尔是法国人，1892年，44岁的贝克勒尔，对物理学已很有研究了。这一年的1月20日，法国科学院举行了一次重要学术讨论会。会上，来自全国各地的科学家聚精会神地听大名鼎鼎的数学家和物理学家、天文学家彭加勒做学术报告。彭加勒给与会者展示了伦琴刚刚寄给他的X射线照片，引起学者们的极大兴趣。这时，一位中年物理学家站起来请教主讲人X射线发射区精确地讲应该是哪一部分。彭加勒说是阴极射线照射的玻璃冻壁，贝克勒尔当即表示不同意这种看法，并当场提出阴极射线会使整个玻璃体产生荧光，在阴极射线的照射下，可能还有其他物也会发出同X射线类似的射线。为了验证自己的设想，他立即进行试验。贝克勒尔选择氧化铀作为主攻对象，他精心设计了研究方案，用一张黑纸包好一张感光底片，在底片上放置两小块铀盐和钾盐的混合物。在其中一块和底片之间放了一枚银元，然后把这些东西放在阳光下放置几小时，让底片略微有些感光，虽不太清晰，但还可以分解银元的影象。可是凑巧碰上连阴雨，他只好把实验的东西原封不动地锁进抽屉。5天后，天放晴，继续中断的试验。他是个细心过人的人，在试验前他重新检查一遍实验品。使他吃惊的是，在没有阳光的情况下，底片上竟然出现明显的感光现象。这说明铀本身在发光！第二天他在科学院的学术报告上公布这一新发现。他又用验电器对这种射线进行了定量研究，终于揭示了放射性的奥妙。发现放射性的初期，人们不知它的危害，贝克勒尔由于毫无防护下长期接触放射物质，健康受到严重损害，50多岁就逝世了。科学界为了表彰他的杰出贡献，将放射性物质的射线定名为“贝克勒尔射线”。将放射性的研究推向一个新的高度的是波兰籍女科学家居里夫人。3.2放射性元素居里夫人居里夫人（MarieCurie，1867~1934）是法国物理学家和放射化学家。在贝克勒尔发现铀的放射现象以后，居里和居里夫人首先对各种物质进行放射性考察，发现元素钍也具有放射性，铀矿物则有着比纯铀高得多的放射性。依靠科学推测和精巧实验技术，1898年在铀矿物中发现了放射性元素钋和镭，开创了一门新的科学──放射化学。居里夫人“放射性”这个术语是居里夫人提出来的，她用它来描述铀的辐射能力。居里夫人还进一步发现了第二种放射性物质——钍。在这以后，很快又有别的科学工作者作出了许多重要的发现。他们的发现证明，放射性物质的辐射不但比X射线具有更大的穿透力，而且也更强。此外，科学工作者又发现，放射性物质还会发出别种射线，这又使科学家们在原子的内部结构方面得到了一些新的发现。放射性元素在发出射线的过程中会转变为另一种元素。第一个发现这一现象的是居里夫人，她是在无意中发现的。有一次，居里夫人和她的丈夫为了弄清一批沥青铀矿样品中是否含有值得加以提炼的铀，他们对其中的含铀量进行了测定，但他们惊讶地发现，有几块样品的放射性甚至此纯铀的放射性还要大。这就很明显地意味着，在这些沥青铀矿石中一定还含有别的放射性元素。这些黑色粉末含有一种在化学性质上和碲很相似的新元素，因此，它在周期表中的位置似乎应该处在碲的下面。居里夫妇把这个元素定名为钋，以纪念居里的祖国波兰。但是钋只是使她们的黑色样品具有这样强的放射性的部分原因。因此，她们又把这项工作继续进行下去，到1898年12月，居里夫妇又提炼出一些放射性此钋还要强的东西，其中含有另一种在化学特性上和钡很相似的元素，居里夫妇把它定名为镭，意思是“射线”。居里夫妇为了收集足够多的纯镭以便对它进行研究，又进行了四年的工作。居里夫人在1903年就她所进行的研究写了一个提要，作为她的博土论文。这也许是科学史上最出色的博土论文，它使她两次获得了诺贝尔奖金。居里夫人和她的丈夫以及贝克勒尔因在放射性方面的研究而获得了1903年的诺贝尔物理学奖，1911年，居里夫人因为她在发现钋和镭方面立下的功绩而单独获得了诺贝尔化学奖。钋和镭远比铀和钍不稳定，换句话说，前者的放射性远比后者显著，每秒钟有更多的原子发生衰变。它们的寿命非常之短，因此，实际上宇宙中所有的钋和镭都应当在一百万年左右的时间内全部消失。那么，为什么我们还能在这个已经有几十亿岁的地球上发现它们呢，这是因为在铀和钍衰变为铅的过程中会继续不断地形成镭和钋。凡是能找到铀和钍的地方，就一定能找到痕量的钋和镭。它们是铀和钍衰变为铅的过程中的中间产物。在铀和钍衰变为铅的过程中还形成另外三种不稳定元素，它们有的是通过对沥青铀矿的细致分析而被发现的，有的则是通过对放射性物质的深入研究而被发现的。1899年，德比埃尔内根据居里夫妇的建议，在沥青铀矿石中继续寻找其他放射性元素，终于发现了被他定名为锕的元素，这个元素后来被列为第89号元素；1900年，德国物理学家多恩指出，当镭发生衰变时，会生成一种气态元素。放射性气体在当时是一种新鲜的东西，这个元素后来被命名为氡，并被列为第86号元素；最后，到1917年，两个研究小组——德国的哈恩和梅特涅小组、英国的索迪和克兰斯顿小组——又从沥青铀矿石中分离出第9l号元素——镤。到1925年为止，已被确认的元素总共巳达八十八种，其中有八十一种是稳定的，七种是不稳定的。这样一来，努力找出尚未发现的四种元素(即第43，61，85，87号元素)就成为科学家们的迫切愿望了。由于在所有已知元素中，从第84到92号都是放射性元素，因此，可以很有把握地预测第85和87号元素也应该是放射性元素。另一方面，由于第43号和第61号元素的上下左右都是稳定元素，所以似乎没有任何理由认为它们不是稳定元素。因此，它们应该可以在自然界中找到。由于第43号元素在周期表中正好处在铼的上面，人们预料它和铼具有相似的化学特性，而且可以在同一种矿石中找到。事实上，发现铼的研究小组认为，他们肯定已测出了波长相当于第43号元素的X射线。因此，他们宣称第43号元素已被发现。但是他们的鉴定并没有得到别人的肯定。在科学上，任何一项发现至少也应该被另一位研究者所证实，否则就不能算是一项发现。3.3同位素某些放射性元素具有相同的化学性质，但是却有不同的放射性特征。这些不同类型的原子应该是相同的元素，称为“同位素”。索迪（英国，FrederickSoddy，1877~1956），1898年毕业于牛津大学。1900～1903年,在加拿大蒙特利尔的麦吉尔大学随卢瑟福工作，共同创立放射性衰变的理论，修正了道尔顿原子学说。1903～1904年，在伦敦大学和拉姆齐合作，证明镭能产生氦。随着各种放射性物质的发现，出现了两种或两种以上放射性物质无法用化学分离手段分开的事例。索迪认为这是同一元素不同质量的一些原子混合在一起的结果，提出了同位素的概念,同位素一词是他的1913年首先使用的。他曾预言同质异能素的存在。索迪首先发现放