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1、第 10 讲,物质与原子 What is the Matter?,第10讲 物质与原子,元素 原子 放射性现象,元素,四元素与三要素 元素与化合 燃素说 化学革命,古希腊早期的学说,泰勒斯 Thales c. 624547 BC 水是一种元素,阿纳克希米尼 Anaximenes c.500428BC 气是一种元素,赫拉克利特Heraclitus 533475BC 火是一种元素,四元素说,恩培多克勒 Empedocles， 495 435BC,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,亚利士多德 Aristotle, 384 322BC,以太ether
2、 发光的天体由以太组成,三要素说,帕拉赛尔苏斯 （瑞士） Philippus Aureolus Paraselsus 14931541,贾比尔 Jabil (8、9世纪） 阿拉伯炼金术家,金属：硫、贡,硫、贡、盐,两种学说,炼金术哲学家(亚利士多德信徒）,物质：土、水、气、火,炼金士药剂师,物质：盐、硫、汞,元素,四元素与三要素 元素与化合 燃素说 化学革命,波义耳（英国） Robert Boyle 1627 1691,怀疑的化学家 Sceptical Chymist 1661,明确“元素”的概念（澄清“化合物”的概念）,对四（三）元素说的批判（对火的作用的误解）,几乎发现“氧”（空气的某个部
3、分是燃烧所必须的）,燃素说,斯塔尔(德国） Georg Ernst Stahl, 1660 1734,燃烧现象的解释,木 = 灰烬 + 燃素,纸 = 灰烬 + 燃素,燃素：负重量,金属灰 + 燃素 = 金属,金属灰 金属,普列斯特利（英国，Joseph Priestley, 17331804) 在物理学中，质量不总是首先考虑的问题 牛顿的以太、富兰克林的电流、“热素”,元素,四元素与三要素 元素与化合 燃素说 化学革命,拉瓦锡 Antoine Laurent de Lavoisier (1743 1794),氧化理论取代燃素说,化学反应过程的物质守恒,化学元素,1774？， 拉瓦锡与普里斯特列
4、,锡与铅加热，表面生成金属灰，但是封闭的容器的重量没有改变。由于金属灰金属，因此 拉瓦锡猜想：容器中的空气重量减少 当打开容器，空气进入，容器的质量果然较试验前增加。,（水银+空气）加热，生成红色矿会（氧化贡）。在集气瓶中加热氧化贡，得到氧气。 燃素+氧气，燃烧旺。 普里斯特列：氧气吸收燃素，使燃素加速离开原来的物体，脱燃素空气。,1773年5月5日在皇家学会上报告,硫在燃烧后，不仅不减少重量，反而增加重量。磷也是如此。 在化学过程中，这种增加的重量来自大量被凝固了的空气。,金属灰 = 金属 + 氧气,拉瓦锡的实验室,1781年，普利斯特列发现氢在空气中燃烧形成小露珠,卡文迪许重复试验，证明生
5、成的是水,拉瓦锡: 水是氧与氢的化合物,把参加发酵的物质与发酵后的生成物列成一个代数式，假定方程式中的每一项都是未知数，然后计算出他们的值。由此，可以用计算来检验我们的试验，在利用试验；来验证我们的计算。,拉瓦锡提出建立化学反应方程式的构想将化学试验数学化。,化学元素说 1789年,拉瓦锡的元素表,New Names Light Caloric Oxygen Azote Hydrogen,砍下那个脑袋仅仅只要一会儿的功夫，但要在产生一个像那样的脑袋来，也许将需要100年。 拉格朗日 J. L. Lagrange,原子,原子论 元素周期表 原子核模型 原子序数,原子论创立者,德莫克利特 Demo
6、critus (c. 460 357 BC),atomos 不可分割的,留基伯 Leucippus, 490 ? BC,伊壁鸠鲁 Epicurus (341270 BC ）,卢克莱修（罗马） Titus Lucretius Carus (96 55BC),De Rerum Natura 长诗物性论 56 BC,伽桑狄(法国) Pierre Gassendi, 15921655,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,普鲁斯特 （法国） Joseph Louis Proust 17551826,定比定律 1799年，普鲁斯特证明，无论怎样制备碳酸铜，其所含铜、碳和氧的重量比例
7、都是一定的。,铜:碳:氧 = 5:4:1,贝尔托莱 （法国） Comte Claude Louis Berthollet，(1748 - 1822),柏采留斯 （瑞典） Baron Jns Jakob Berzlius, 1779 - 1848,道尔顿 （英国） John Dalton, 17661844,一氧化碳（碳:氧=3:4) 二氧化碳（碳:氧=3:8),1803年: 多比定律,不同元素具有不同质量的原子 分子: 数目固定的不同原子组成 元素: 相同质量的原子组成,阿伏伽德罗 (意大利) Comte Amedeo Di Quaregna Avogadro (1776 - 1856),阿伏
8、伽德罗假说,等体积的气体是由等数目的质点所组成,坎尼札罗 （意大利） Stanislao Cannizzaro 1826 - 1910,1860年，德国 第一次国际化学会议,提出确定原子量的新方法,斯塔斯 (比利时） Jean-Servais Stas, 1813-1891,1865年 新的原子量表,原子,原子论 元素周期表 原子核模型 原子序数,门捷列夫 （俄国） Dmitri Ivanovich Mendeleev 18341907,1864年，英国化学家纽兰兹（John A. R. Newlands, 18381898),1862年，法国地质学家比古耶德尚库图（de Chaucourto
9、is),1869年，德国化学家迈耶尔（Julius Lother Meyer, 18301895),门捷列夫 元素周期表 1869年,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）。,原子,原子论 元素周期表 原子核模型 原子序数,汤姆森 （英国） Joseph John Thomson, 18561940,1906年获诺贝尔奖,汤姆森的布丁原子模型,卢瑟福 （英国） Lord Ernest Rutherfo
10、rd 1871 - 1937,1906年，卢瑟福用金箔作了粒子的散射实验，说明了原子里有一个很小的核。,原子核带正电，它集中了原子的所有质量。,1908年获诺贝尔化学奖,电子轨道的半径是核的半径的100，000倍,卢瑟福的原子模型，1911年,卢瑟福: 原子核由核子nucleons组成,核子分成两种类型: 带正电荷， 质子 proton 电中性， 中子 neutron,查德威克 （英国） James Chadwick 1891-1974,1932年发现中子,1935年获诺贝尔奖,原子核模型,原子: 原子核+电子 原子核: 带正电的质子+不带电的中子 原子核电荷数=核内质子数 核内质子数=核外电
11、子数 原子是电的中性体,原子,原子论 元素周期表 原子核模型 原子序数,莫塞莱 （英国） Henry Gwyn-Jeffreys Moseley 18871915,原子序数= 核电荷数 （1913年）,1915年 在土耳其的加利波利阵亡,放射性现象,X-射线 镭与钋的发现 同位素 蜕变,伦琴 （德国） Wilhelm Konrad Roentgen 18451923,X- Ray,1895年12月28日，伦琴宣布发现了X射线。,1901年获诺贝尔奖,1895年11月5日，发现阴极射线管能产生一种能够穿越墙壁的辐射。,柏克勒耳 （法国） Henri Becquerel，1852-1908,能发出
12、荧光的物质可否发出X射线？,荧光材料: 硫酸钾双氧铀,1896年3月发现铀的放射性,1903年获诺贝尔奖,放射性现象,X-射线 镭与钋的发现 同位素 蜕变,居里夫人（法国） Marie Curie，18671934,1897年 准备博士论文选题,含铀化合物中不断放出的辐射线的性质,发现: 铀元素的放射性不受外部的影响,在钍的化合物中发现了同样强度的射线,确定仅仅在铀钍矿石含有放射性,某种矿石的放射性 计算值,1898年4月 沥青铀矿铜铀云母含有两种未知的新元素,居里夫妇宣称存在镭元素的论文手稿,1898年12月 宣布一种放射性比铀元素强百万倍的新元素，命名为“镭”,1898年,1902年，在8
13、吨的沥青铀矿废渣中提炼1克纯镭,测定出镭元素的原子量为225,用于发现镭与钋的沥青铀矿样品,居里夫人博士论文封面，1903年,1903年的居里夫人,居里夫妇在1903年获得的诺贝尔奖证书,放射性现象,X-射线 镭与钋的发现 同位素 蜕变,索迪 （英国） Frederick Soddy 18771956,这些不同类型的原子应该是相同的元素，称为“同位素”。,1921年，获诺贝尔奖,阿斯顿 （英国) Francis William Aston，18771945,1000个氖原子,1919年，发明质谱仪,1922年，获诺贝尔奖,909个氖20 88个氖22 3个氖21,原子量=20.18,氢同位素,
14、同位素只是原子量的不同，不影响相关的化学性质。保持了元素周期表的完整。,放射性现象,X-射线 镭与钋的发现 同位素 蜕变,1900年，英国的克鲁克斯(William Crookes, 18321919)发现，经过提纯的铀几乎没有放射性，而杂质中则具有明显的放射性。,1902年，索迪发现钍也存在上述现象。,卢瑟福与索迪：当铀原子放出放射性辐射时，它会蜕变成放射性更强的元素的原子。,三种放射性辐射,1898年， 柏克勒耳与居里夫人就怀疑铀与钍的放射性辐射不止一种类型。,1899年，卢瑟福发现了射线、射线,1900年，法国的维拉尔（Paul Ulrich Villard, 18601934) 发现了
15、射线,三种射线粒子,氦原子,粒子是氦核，原子量为4，带两个正电荷,粒子是电子，带一个负电荷,粒子不带电荷，原子量为0,铀238蜕变为钍234,铀原子的原子量为238，原子序数92，U-238,放射出一个粒子, 原子量为4，原子序数为2,原子量: 238 4 = 234 原子序数: 92 2 = 90,Th-232,Th-234,普通的Th-232放射出粒子,铀蜕变的Th-234放出粒子,粒子，原子序数为-1，原子量0,原子量: 238 0 = 234 原子序数: 90 + 1 = 91,钍234蜕变为镤234,中间元素,铀（92）和钍（90）都可以蜕变成其他元素，后者再进一步蜕变，直至变成没有
16、放射性的元素铅（82） 。,在铀(92)与铅(82)之间（1914年） 已知: 铋（83）、钋（84）、镭（88）、锕（89） 未知: 原子序数为85、86、87、91,放射性蜕变是一种元素的原子变为另一种元素的原子，这是一种核变化。,在化学变化的范畴内，原子不变。,The End,理查兹 （美国） T. W. Richards 1868-1928,1904年开始，理查兹以从未达到过的精确度测定了原子量。,1914年获得诺贝尔化学奖,皮埃尔在索邦大学（ Sorbonne，巴黎大学前身）任教,尤里 （美国） Harold Clayton Urey，1893-1981,1931年发现氘,1934年获诺贝尔奖,每7000个氢原子中，有一个氢2,1913年，布拉格父子测定X射线的波长 1915年，获诺贝尔奖,William Henry Bragg (18621942),Willi
