原子理论和动力学理论

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原子理论

数千年来,古希腊人一直认为所有纯净物(例如黄金、铁等)都由原子构成。他们认为,如果将纯净物切成小块,再将这些小块切开,如此反复,最终会得到无法再次切割的最小颗粒。这些无法再次切割的最小颗粒就被称为原子。“原子”一词源于希腊语,意为“不可分割”。

当时,人们认为原子是不可分割的。但后来一些科学家发现了电子和原子核(质子和中子),因此原子不可分割的假设是错误的。所以,原子由电子(带负电荷)和原子核组成。电子围绕原子核运动。原子核内部包含质子(带正电荷)和中子(不带电荷)。

还有另一种理论,叫做连续论。这种理论认为纯净物可以无限分割。根据这种理论,不存在最小的单元。最小的单元仍然可以被分割成更小的单元,因此,它就是无限的。那么,这两种理论哪一种才是正确的呢?原子论还是连续论?

在物理学中,任何理论只有通过实验验证才能被科学界认可。在18、19和20世纪,科学家们通过实验证实了原子论是正确的。

首先,请理解以下概念。元素是纯净物,不能通过化学方法分解成其他物质,例如金(Au)、铁(Fe)、铜(Cu)、锌(Zn)、钠(Na)、钙(Ca)、氯(Cl)、氮(N)、氧(O)、氢(H)等。除了元素之外,还有化合物。化合物由元素组成。由于化合物由元素构成,因此它仍然可以分解成元素。例如,水就是一种化合物。

元素的最小组成部分是原子,而化合物的最小组成部分是分子。分子由原子结合而成。纯金是元素的一个例子,它由金(Au)原子组成。铁块也是元素的一个例子,它由铁(Fe)原子组成。因此,元素是由相同原子构成的纯净物质。

你经常看到、拿着和喝的水是由水分子组成的(化学式为H₂O )。水分子由两个氢原子(H)和一个氧原子(O)组成。

以下是一些原子理论的证明:

首先,是不断比较的规律。

比较定律指出,如果组成元素结合形成化合物,则所形成化合物的质量比与组成元素的质量比相同。例如,食盐。我们看到的食盐是由盐分子(NaCl)组成的化合物。天然的盐分子总是由23个钠(Na)和35个氯(Cl)组成。

连续统理论无法解释这种现象,但原子论可以。根据原子论,原子是元素的最小组成部分,因此原子具有质量。化合物中各元素的质量比必然与构成该化合物的原子的相对质量有关。科学家根据构成化合物的每种元素的数量来确定原子的相对质量。之所以称之为相对质量,是因为元素的相对质量是与其他元素原子的相对质量进行比较得出的。

氢是最轻的原子,因此被用作基准。氢原子(H)的相对质量被赋予1。以氢原子的相对质量为基准,碳原子(C)的相对质量被赋予12。

氧原子(O)的相对质量被赋予16的值,以此类推(参见元素周期表)。碳原子的相对质量为12,这意味着一个碳原子的质量是一个氢原子(H)质量的12倍。氧原子的相对质量为16,这意味着一个氧原子的质量是一个氢原子(H)质量的16倍。

在国际单位制(SI)中,我们有一个质量标准,即铱铂,它储存在法国的国际计量机构中。根据国际协议,铱铂的质量为1千克,这是一个标准千克。在原子尺度上,我们还有第二个质量标准,即碳-12原子。根据国际协议,一个碳-12原子的质量为120000统一原子质量单位(简称u)。

1 u = 1.66 x 10 -27 kg。

一个碳原子 (C) 的质量为 12.0000 u,一个氢原子 (H) 的质量为 1,0078 u,一个氧原子 (O) 的质量为 15.9994 u,一个钠原子的质量为 22.9897 u,以此类推。关于原子质量,可以在元素周期表中找到完整信息。

除了原子质量之外,还有分子质量。分子质量是指分子中所有原子的总质量。例如,一个盐分子(NaCl)的质量等于一个钠原子(Na)的质量加上一个氯原子(Cl)的质量。水分子(H₂O)的质量等于两个氢原子(H)的质量加上一个氧原子(O)的质量。

第二,棕色运动

古代,有一位名叫罗伯特·布朗的英国生物学家。1827年,他研究了浸泡在水中的花粉。在显微镜下,水和花粉清晰可见。布朗发现花粉竟然会自行运动,这让他感到非常奇怪。花粉的运动方向虽然不固定,但却是连续的。他推测这种运动是生命力的体现,花粉之所以能够运动,是因为它存在于某种生命体中。然而,他的猜测是错误的,因为像花粉这样的微小有机颗粒在水中也会运动。这种运动被称为布朗运动。

直到动力学理论发展起来,这一发现才得以解释。

动力学理论

动能(Kinetic)一词源于希腊语,意为运动。动能理论认为,所有物质都由原子或分子构成,而原子或分子则持续进行随机运动。

运动时,原子或分子必须具有速度。原子或分子也具有质量。由于它们具有质量 (m) 和速度 (v),因此原子或分子具有动能 (EK) 和动量 (p)。动能:EK = 1/2 mv² 。动量:p = mv。除了动量之外,还有力。运动过程中,碰撞是可能发生的。因此,当发生碰撞时,由于动量的变化,就会产生力。

我们可以说,分子运动论基于动能、动量和力。这三者正是运动动力学(牛顿定律、冲量定律和动量定律)的研究对象。不同之处在于,分子运动论将动力学应用于原子或分子层面。分子运动论由波义耳(1627-1691)、丹尼尔·伯努利(1700-1782)、焦耳(1818-1889)、克罗尼格(1822-1879)、鲁道夫·克劳修斯(1822-1888)和克拉克·麦克斯韦(1831-1879)等人发展而来。

这种动力学理论的存在或许可以解释布朗的发现。根据动力学理论,花粉的运动是由快速运动的水分子驱动的。水分子数量极其庞大,因此花粉会受到来自各个方向的推动。

基于恒定比较定律和布朗运动的发现,原子理论越来越被科学家们所接受。原子是构成任何物质的最小单元。因此,原子具有大小。那么,原子的大小是多少呢?

1905年,爱因斯坦从理论上研究了原子的大小。基于原子论、分子运动论以及实验数据,他发现原子直径约为10⁻¹⁰米。因此,原子的直径是通过计算得到的。原子大小的发现,使得原子论和分子运动论得到认可。