自然科学基础化学部分讲义.docx
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自然科学基础化学部分讲义
第一章自然界的物质
第一节物质微观结构的探索
茫茫玉宇,寥廓江天,沧海桑田,巍巍山峦。
仰望太空,斗转星移,俯察大地,声、光、热、电,这就是展现在我们面前的物质世界。
世界是由物质构成的,没有物质也就没有世界。
可是,世界上那形形色色、千变万化的物质,又是由什么构成的呢?
它的结构层次怎样?
本源是什么?
千百年来,人类一直在思考着,探索着。
物质结构科学是自亘古以来人们最为关注的重大科学命题之一。
一、对物质微观组成的漫长探索
几千年来,人类祖先对于物质结构的探讨,就十分活跃。
水受热化成汽,遇冷凝成冰;木材燃烧后成为炭;花香四处飘散……这些物质的变化和扩散现象使古代的哲学家们推测到,物质是由少数的基本元素所组成。
古希腊人认为水、火、泥土和空气是构成世间万物的基本元素。
中国古代也有“五行说”,即世界是由金、木、水、火、土五种元素组成。
但是经过历史的筛选和实验证实,堪称最伟大的古代学说的是古希腊的原子论。
古希腊的哲学家德谟克里特(公元前460~370年)对大量的自然现象加以分析和推测之后,得出了这样的结论:
物质都是由一些坚硬的、不可再分的微粒构成的。
他给这种小微粒起名叫做原子(按照希腊文的原意,就是不可再分的意思)。
但是,德谟克里特的原子概念提出后,并未得到重视和发展。
因为,这种朴素的古代原子论,是靠观察、推测而得出的结论,并没有被科学实验所证实,未能得到公认。
到了17世纪中叶,由于科学实验的兴起,积累了一些物质变化的定性和定量测定的资料后,才初步获得关于原子的正确概念。
为探索物质结构奠定了科学基础,最先在物质结构方面做出卓越贡献的,是著名的英国化学家道尔顿。
他把古代思辨的、模糊的原子假说发展为科学的原子理论,提出了著名的道尔顿原子论。
道尔顿原子论的重大意义,不在于他重申了两千多年前就提过的原子概念,而在于他提出:
一切物质都是由极小的微粒——原子组成的,但原子并不都是一模一样的小球;不同的物质含有不同的原子;不同的原子具有不同的性质、大小和不同的原子量。
在这里,他首先创立了原子量的概念,不同原子具有不同原子量的观点。
正因为如此,当1803年道尔顿在一次学术会上宣读论文之后,便立刻引起了科学界的震动。
人们听了他的论述,思想豁然开朗,因为有了原子量,使化学上一些定量的实验现象和基本定律都得到了合理的解释。
这是化学发展史上的一个重要里程碑。
恩格斯曾高度评价这一成就,他说,化学的新时代开始于道尔顿的原子论,并称他为“近代化学之父”。
揭示微观物质组成的底蕴,是意义及其重大的探索,它不但有助于了解宇宙万象的变化和演进,而且极大地推动了现代科学和技术的发展。
例如,若想了解太阳能的来源,就可以从原子核的裂变和聚变原理得到解答;如果要知道现代信息技术,就必须了解电子和光子的运动规律。
正是由于这些重要原因,在20世纪中凡是发现过一种新元素或重要粒子的,几乎都获得了诺贝尔奖。
早在古代后期和近代前期,有些科学家和炼金术士就大胆地设想原子可以分解,在那种人类技术还很低下的情况下,这些实际上都是幻想,甚至被说成巫术。
到了19世纪,科学有了较大发展。
1887~1900年,英国科学家洛奇尔(1836~1920)利用光谱仪观察太阳表面,发现不同温度时太阳谱线展示了元素的演化过程,就像达尔文进化论反映的生物进化过程一样。
那么无机物是否也像生物一样,有着进化的漫长过程呢?
如果是,那么它们的内在原因又是什么?
要解答这个问题,只有从研究物质的微观组成及其变化的规律着手。
直到十九世纪末期,原子一直都被认为是构成物质的不可再分割的最小微粒,原子的大门一直在禁锢着,谁也不知道,原子的内部世界,究竟是个什么样子。
二、敲开原子世界的大门
人们常说,19世纪末的三大发现(X射线、放射性、电子)揭开了现代科学革命的序幕。
1895年伦琴发现了X射线,1896年贝克勒尔发现了放射性,1897年汤姆逊发现了电子。
这些发现揭示了原子存在内部结构,从此人们开始真正步入了对原子微观世界的研究。
在这三大发现中,以电子的发现最为重要,因为比原子小的东西的存在意味着原子的分裂及其组成,对不久后原子模型的提出准备了实验的基础。
电子的发现是和阴极射线的研究密切相关的。
在充有稀薄气体的玻璃管两端加上高压电后,玻璃管内就发生放电现象。
如果提高真空度,玻璃管内的光线反而逐渐消失,在阴极对面的管壁上却会出现荧光。
经研究,这荧光是从阴极发出的某种射线,因而命名为“阴极射线”。
阴极射线是什么?
在19世纪最后的20到30年内对阴极射线的认识,就形成了完全对立的两种观点。
一种是德国学派主张的射线波动说,一种是英国学派主张的带电微粒说。
1878年,英国科学家克鲁克斯研究发现,当管内阴极前面放有障碍物时,对面发光的玻璃上便会出现阴影;若放一个可以转动的小叶轮,那叶轮就会转动起来。
这就证明,从阴极发射出来的,是一束看不见的、具有一定质量和速度的粒子流。
人们从实验中还发现,阴极射线在电场或磁场中会发生偏转。
在电场中,射线偏向正极。
这就进一步说明,阴极射线是带负电的微粒流。
对阴极射线进行了精细研究,并取得卓越成就的,是英国著名的物理学家汤姆逊。
1897年,英国科学家汤姆逊(1856~1940)设计了新的阴极射线管,成功测得了组成阴极射线的带电粒子的电荷和质量的比值,发现这种带电粒子的质量非常小,大约是氢原子质量的1/2000。
到此,汤姆逊证实了,的确存在着比原子更小的单位,称为“微粒”,并把这种微粒命名为电子。
从而在实验上发现了电子。
这是第一个被发现的基本粒子。
阴极射线实际是高速的电子流。
后来人们又发现,炽热发光的电灯丝也会发射电子,光照在某些物质上也会发出电子,电子在各种物质中都有,它是原子的组成部分。
后来人们更精密地测定了电子的质量,它是氢原子质量的1/1837。
汤姆逊由于发现了电子,于1906年荣获诺贝尔物理学奖。
电子的发现打破了认为原子是组成物质的最小单元的传统观念。
汤姆逊被称为是“最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。
三、原子结构模型探索
人们在确认电子是原子的一个组成部分之后自然就想到,既然原子可分,那么它就存在着内部结构的问题,电子是怎样“安置”在原子里面的呢?
在20世纪初,人们对原子结构的探讨是利用假说模型形式进行的。
(一)汤姆逊的葡萄干蛋糕模型
1903年,也就是发现电子6年以后,汤姆逊总结已经发现的事实,第一个提出了原子结构的理论。
他给原子王国描绘了这样一幅图像:
原子是一个均匀的带正电的球,在这个球里面,飘浮着许多电子。
这许多电子带的负电,正好和这个球所带的正电相等,所以整个原子是中性的。
如果失掉了几个电子,这个原子的正电荷就过多了,形成阳离子;如果多了几个电子的话,这个原子的负电荷就过多了,形成阴离子。
在汤姆逊提出的这种原子模型中,电子镶嵌在正电荷液体中,就象葡萄干点缀在一块蛋糕里一样(见图1-1),所以又被人们称为“葡萄干蛋糕模型”。
图1-1汤姆逊葡萄干蛋糕模型
从经典物理学的角度看,汤姆逊的模型是很成功的。
它不仅能解释原子为什么是电中性的,电子在原子里是怎样分布的。
此外,从汤姆逊模型出发,还能估计出原子的大小约为一亿分之一(10-8)cm,这也是一项惊人的成就。
并且,汤姆逊还得出一个结论:
原子中电子的数目等于门捷列夫元素周期表中的原子序数,这个结论是正确的。
因此,在一段时间里,汤姆逊的原子模型得到了广泛的承认。
然而葡萄干蛋糕模型存在理论上的困难,如对多电子原子要找到他们的平衡位置是极不容易的。
因而在十多年后,终于被他的学生卢瑟福的有核原子模型所代替。
(二)卢瑟福的原子有核模型
卢瑟福是英籍新西兰物理学家,1895年他来到英国成为了汤姆逊的一名研究生。
由于在放射性研究方面的出色成果,早在1908年他就获得了诺贝尔化学奖。
1909年,卢瑟福指导他的学生盖革、马斯登等进行了著名的α粒子散射的研究(见图1-2)。
他们用α粒子去轰击很薄的金箔做的靶子的实验时,从大量的观察记录中,发现绝大多数α粒子直接穿过了金箔,居然约有八千分之一的α粒子偏转90°,甚至有少数被弹回来(约占总数的1/20000)。
卢瑟福为此苦想了好几个星期,他说:
“这是我一生中从未有过的最难以置信的事件,它的难以置信好比你对一张白纸射出一发15英寸的炮弹,结果却被顶了回来打在自己身上”。
图1-2α粒子的散射图像图1-3卢瑟福的有核结构模型
经过严谨的理论推导,卢瑟福于1911年提出了原子的“有核结构模型”(见图1-3)。
卢瑟福所设想的原子模型是这样的:
原子内部并非是均匀的,它的大部分空间是空虚的,它的中心有一个体积很小、质量较大、带正电的核,原子的全部正电荷都集中在这个核上。
带负电的电子则以某种方式分布于核外的空间中。
有核模型能够很好地解释α粒子散射现象。
由于原子核的个头儿很小,与原子相比,就好象一颗芝麻放在一幢大厦的中心一样。
然而,它却占有了原子的几乎全部的质量(原子质量的99%以上),所以根据计算,这样的一个核心堡垒将有足够的力量抵抗“入侵”的α粒子,并把那些敢于直接进攻核心的“入侵者”——α粒子弹回去。
按照卢瑟福的原子模型,只要α粒子是正对着原子核撞过去的,它们就有可能被原路弹回。
而按照汤姆逊模型,这是不可思议的。
原子不像葡萄干蛋糕了,而像有核的桃子或杏子。
但是这个比喻也不够恰当,因为和原子中的情况相比,核在整个果子中所占的体积就显得太大了。
更恰当一点的比喻是像个小小的太阳系,“太阳”是带正电的原子核,绕着“太阳”转的“行星”就是带负电的电子。
只是在这个太阳系里,支配一切的是强大的电磁力,而不是万有引力。
从汤姆逊模型发展到卢瑟福模型,标志着人类对原子结构的认识又迈出了一大步。
尤其是原子具有带正电的核心这个结论被其后所有的实验所证实。
但是这种简单的类似太阳系原子模型仍然面临着一系列事实的挑战——这就是原子的稳定性问题。
(三)玻尔的原子结构模型
20世纪的初期,在物理学的发展史上是一段魔术般的、令人生畏而又振奋的时期,到处充满着似乎是互相矛盾的事情:
不但光既象粒子又象波动——具有波粒二象性,而且原子里面电子绕核旋转的形象也与事实统一不起来。
而这一切,正是预示重大变革即将来临的象征。
在卢瑟福原子模型遇到极大困难时,一位丹麦青年物理学家使这种原子模型转危为安,他的名字叫尼尔斯·玻尔。
卢瑟福的有核原子模型,其主要困难为不能解释原子的稳定性。
根据已经知道的电磁运动的规律,电子在运动的时候会放出电磁波(能量)。
因此,绕着原子核旋转的电子,因为能量逐渐减小,应当沿着一条螺旋形的轨道转动,离中心的原子核越来越近,最后碰在原子核上。
这样一来,原子就被破坏了。
实际上,原子很稳定,有一定大小,并没有发生这种电子同原子核碰撞的情况。
这该怎样解释呢?
作为卢瑟福学生的玻尔,他相信原子有核结构的猜想是正确的,但又认为建立在实验基础上的卢瑟福模型同当代的物理学说是水火不相容的,这种矛盾并不表示卢瑟福模型不行,而是预示着在原子世界中存在着全新的物理规律,这种规律是经典物理学所不能解释的,必须从根本上另找出路。
于是,他毅然决定不应该再把经典电磁理论的规律强加于原子。
他想到了普朗克的能量子假说,他把有核结构的思想与能量子假说结合起来,对卢瑟福的模型加以修正,于1913年提出了他的原子结构能级模型,迈出了革命性的一步。
玻尔假设是在卢瑟福原子有核模型基础上提出的,内容是:
第一,原子内部的电子在绕原子核旋转时,只能在一些特定的轨道上运行,不能在其它轨道上运行;并且“规定”,电子在这些轨道上作加速运动时,既不吸收能量也不辐射能量。
所以电子不会掉到原子核上去。
一个轨道对应一个能量值,所以电子在原子内不能具有任意能量,只能具有特定能量。
原子的能量是不连续的,这些分立的能量称之为“能级”。
并且在离核较近的轨道上电子的能量较低,在离核远的轨道上电子的能量则较高。
第二,当电子从较高能级(能量为E1)跃迁到较低能级(能量为E2)时,它将会放出一个能量为h的光子;反之电子若吸收一能
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