PDF《原子物理学（讲稿）》

2000 多年前的这种关于物质世界的层次问题的朴实观念,在近代开始得到科学实验 的检验.特别是

19 世纪以后,已经积累了大量的证据支持物质是由原子组成的概念.

1806 年,法国普鲁斯脱(J. L. Proust)发现了化合物分子的定组成定律(定比定律):当 化学元素在适当的条件下化合成特定的化合物时,参与化合的元素重量之比总是相同的.

1807 年,英国道尔顿(J. Dalton)发现了化合物分子的倍比定律:如果甲、乙两种元素相

1 互化合能生成几种化合物,则在这些化合物中,与一定质量的甲元素相化合的几个乙元素的各质 量之间,互成简单的整数比. 道尔顿为了解释定比定律和倍比定律.提出了原子假说.他认为:(1)一定质量的某种元 素,是由很大很大数目的该元素的原子所构成;

(2)每一种元素的原子,都具有相同的质量, 不同元素的原子,质量各不相同;

(3)两种可以化合的元素,它们的原子可能按照几种不同的 简单的整数比例组合成化合物的分子. 化学家可以利用化学定律,确定各种元素原子的相对质量―原子量 A.现在原子量一般采用 同位素碳-12 作为标准,定义碳-12 的原子量为 12. 例如,实验发现 63.5 g 的铜总是和

16 g 的氧化合氧化铜,而63.5 g 的铜总是和

8 g 的氧化 合成氧化亚铜.应用原子假说,由于铜和氧的原子量之比为 63.5 : 16,因此氧化铜的分子式(或 者化学式)为CuO,而氧化亚铜的分子式为 Cu2O. 应用原子这个简单的假说,就可以对整个简单的无机化学种所观察到的化合物质量给予定量 的解释. 当物质处在气态的时候,参与化学反应的元素不仅其重量,而且其体积也遵循简单的定律.

1808 年,法国盖 ・ 吕萨克(J. L. Gay-Lussac)发现盖 ・ 吕萨克定律:气体化合时,反应的气 体和生成的气体之间成简单整数比的定律,由此他认为元素气体在相等体积中的重量应该正比例 于它的原子量.后来发现,这个定律,只有当气体非常近似地遵循理想气体的定律时才能应用. 考虑上面三个定律以及原子假设,就很容易得到这样的结论:气体的体积和其中所含的粒子 数目有关,这就是

1811 年,意大利阿伏加德罗(A. Avogadro)提出的阿伏加德罗定律:在同温 同压下,同体积的气体含有相同数目的分子. 利用阿伏加德罗定律,我们就可以引入一个常数:Avogadro 常数,记为 NA.这个常数是 联系微观和宏观量的一个数.由此还可以引入一个概念:物质的量,其单位为摩尔(mol),它 的定义为:如果某物质含有 NA 常数个微粒,这种物质的量就是

1 mol.现在一般规定:定义摩 尔是一系统物质的量,该系统中所包含的基本单元数(原子,分子,离子或者其他粒子)和12 g 碳-12的原子数相等,这个原子数目就是 Avogadro 常数,记为 NA,即有: NA = 6.023 *

1023 mol?1 阿伏加德罗常数可以有多种方法测量,所有这些方法都是基于原子假说,不同方法所得结果 的一致性,对该假说提供了有力的支持. 麦克斯韦和玻耳兹曼发展起来的气体分子运动论所取得的巨大成就,给原子学说提供了进一 步的支持.对原子假说的最引人注目的支持,也许来自于对布朗运动的观察.1826 年,英国布 朗(R. Brown)观察到液体中的悬浮微粒在做无规则的起伏运动.分子运动论把气体的压力解释 ―

2 ― 为由于气体分子对器壁撞击的结果,与此类似,当把小颗粒放在液体中时,它会受到液体分子的 撞击,并且由于分子的数目有限,在任何时刻都不会出现完全的平衡,结果就经历无规运动.事 实上,阿伏加德罗常数的最早的值,是根据涨落的量度而算出的. 利用 Avogadro 常数我们可以估算原子的半径.我们假定在固体元素(例如金属)中的原子 堆积在一起,以致相邻的原子都互相接触.对任何这种原子 AX,A 克X原子具有 NA 个X原子,假如这种原子的质量密度是 ρ(g/cm3),那么 A 克X原子的总体积就是 A/ρ,假如一个原子 占有体积为