原子論和動力學理論

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原子理論

數千年來,古希臘人一直認為所有純淨物(例如黃金、鐵等)都由原子構成。他們認為,如果將純淨物切成小塊,再將這些小塊切開,如此反复,最終會得到無法再次切割的最小顆粒。這些無法再次切割的最小顆粒就被稱為原子。 「原子」一詞源自希臘語,意為「不可分割」。

當時,人們認為原子是不可分割的。但後來一些科學家發現了電子和原子核(質子和中子),因此原子不可分割的假設是錯誤的。所以,原子是由電子(帶負電荷)和原子核組成。電子圍繞原子核運動。原子核內部包含質子(帶正電荷)和中子(不帶電荷)。

還有另一種理論,叫做連續論。這種理論認為純淨物可以無限分割。根據這種理論,不存在最小的單元。最小的單元仍然可以分割成更小的單元,因此,它就是無限的。那麼,這兩種理論哪一種才是正確的呢?原子論還是連續論?

在物理學中,任何理論只有經過實驗驗證才能被科學界認可。在18、19和20世紀,科學家透過實驗證實了原子論是正確的。

首先,請理解以下概念。元素是純淨物,無法透過化學方法分解成其他物質,例如金(Au)、鐵(Fe)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鈉(Na)、鈣(Ca)、氯(Cl)、氮(N)、氧(O)、氫(H)等。除了元素之外,還有化合物。化合物由元素組成。由於化合物由元素構成,因此它仍然可以分解成元素。例如,水就是一種化合物。

元素的最小組成部分是原子,而化合物的最小組成部分是分子。分子由原子結合而成。純金是元素的一個例子,它由金(Au)原子組成。鐵塊也是元素的一個例子,它由鐵(Fe)原子組成。因此,元素是由相同原子所構成的純淨物質。

你常看到、拿著和喝的水是由水分子組成的(化學式為H₂O )。水分子由兩個氫原子(H)和一個氧原子(O)組成。

以下是一些原子理論的證明:

首先,是不斷比較的規律。

比較定律指出,如果組成元素結合形成化合物,則所形成化合物的質量比與組成元素的質量比相同。例如,食鹽。我們看到的食鹽是由鹽分子(NaCl)組成的化合物。天然的鹽分子總是由23個鈉(Na)和35個氯(Cl)組成。

連續統理論無法解釋這種現象,但原子論可以。根據原子論,原子是元素的最小組成部分,因此原子具有質量。化合物中各元素的質量比必然與構成該化合物的原子的相對質量有關。科學家根據構成化合物的每種元素的數量來確定原子的相對質量。之所以稱之為相對質量,是因為元素的相對質量是與其他元素原子的相對質量進行比較得出的。

氫是最輕的原子,因此被用作基準。氫原子(H)的相對質量被賦予1。以氫原子的相對質量為基準,碳原子(C)的相對質量被賦予12。

氧原子(O)的相對質量被賦予16的值,以此類推(參見元素週期表)。碳原子的相對質量為12,這表示一個碳原子的質量是一個氫原子(H)質量的12倍。氧原子的相對質量為16,這表示一個氧原子的質量是一個氫原子(H)質量的16倍。

在國際單位制(SI)中,我們有一個品質標準,即銥鉑,它儲存在法國的國際計量機構中。根據國際協議,銥鉑的品質為1公斤,這是一個標準公斤。在原子尺度上,我們還有第二個質量標準,就是碳-12原子。根據國際協議,一個碳-12原子的質量為120000統一原子質量單位(簡稱u)。

1 u = 1.66 x 10 -27 kg。

一個碳原子 (C) 的質量為 12.0000 u,一個氫原子 (H) 的質量為 1,0078 u,一個氧原子 (O) 的質量為 15.9994 u,一個鈉原子的質量為 22.9897 u,以此類推。關於原子質量,可以在元素週期表中找到完整資訊。

除了原子質量之外,還有分子質量。分子質量是指分子中所有原子的總質量。例如,一個鹽分子(NaCl)的質量等於一個鈉原子(Na)的質量加上一個氯原子(Cl)的質量。水分子(H₂O)的質量等於兩個氫原子(H)的質量加上一個氧原子(O)的質量。

第二,棕色運動

古代,有一位名叫羅伯特·布朗的英國生物學家。 1827年,他研究了浸泡在水中的花粉。在顯微鏡下,水和花粉清晰可見。布朗發現花粉竟然會自行運動,讓他感到非常奇怪。花粉的運動方向雖然不固定,但卻是連續的。他推測這種運動是生命力的體現,花粉之所以能夠運動,是因為它存在於某種生命體中。然而,他的猜測是錯誤的,因為像花粉這樣的微小有機顆粒在水中也會運動。這種運動被稱為布朗運動。

直到動力學理論發展起來,這項發現才得以解釋。

動力學理論

動能(Kinetic)一詞源自希臘語,意為運動。動能理論認為,所有物質都由原子或分子組成,而原子或分子則持續進行隨機運動。

運動時,原子或分子必須具有速度。原子或分子也具有質量。由於它們具有質量 (m) 和速度 (v),因此原子或分子具有動能 (EK) 和動量 (p)。動能:EK = 1/2 mv² 。動量:p = mv。除了動量之外,還有力道。運動過程中,碰撞是可能發生的。因此,當發生碰撞時,由於動量的變化,就會產生力。

我們可以說,分子運動論是基於動能、動量和力。這三者正是運動動力學(牛頓定律、衝量定律和動量定律)的研究對象。不同之處在於,分子運動論將動力學應用於原子或分子層面。分子運動論由波義耳(1627-1691)、丹尼爾·伯努利(1700-1782)、焦耳(1818-1889)、克羅尼格(1822-1879)、魯道夫·克勞修斯(1822-1888)和克拉克·麥克斯韋(18383)等人發展。

這種動力學理論的存在或許可以解釋布朗的發現。根據動力學理論,花粉的運動是由快速運動的水分子驅動的。水分子數量極為龐大,因此花粉會受到來自各個方向的推動。

基於恆定比較定律和布朗運動的發現,原子理論越來越被科學家所接受。原子是構成任何物質的最小單元。因此,原子具有大小。那麼,原子的大小是多少呢?

1905年,愛因斯坦從理論上研究了原子的大小。基於原子論、分子運動論、實驗數據,他發現原子直徑約為10⁻¹⁰米。因此,原子的直徑是經由計算而得到的。原子大小的發現,使得原子論和分子運動論得到認可。