原子論

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原子論將物質想像成一大柞細細粒嘅原子。

原子論英文atomic theory)係物理學化學上嘅一個科學理論,核心諗頭係「物質由叫原子離散(discrete)嘅單位組成」。

點確立[編輯]

睇埋:化學史

要確立原子論,可以由化學反應嘅角度諗,想像以下呢兩句相對立(兩句嘢冇得同時成立)嘅假說[1]

  • 假說 1:物質冚唪唥都係由一大柞細細粒嘅嘢(原子;atom)組成嘅,呢啲細細粒嘅嘢係冇得再斬細啲嘅(原子論)[註 1]
  • 假說 2:物質冇所謂嘅原子,是但攞一嚿物質,嚿物質都係連續(continous)嘅,即係(最少理論上)斬到幾細件都得嘅;

首先,由日常生活當中經已可以得知化學反應嘅現象:好多時,一隻物質喺接觸到某啲特定物質而且又有某啲特定環境條件嗰陣都會變樣,慢慢(或者好快)噉變做第隻物質,例如係生鏽嘅現象噉,就算一個人完全唔知現代嘅化學知識,佢都能夠觀察得到好多金屬-尤其係-喺潮濕嘅環境下接觸到空氣(當中嘅)慢慢噉變質,變成唔同種嘅[2][註 2]

好似生鏽等多種日常生活都會睇到嘅現象表明,一種物質好多時都可以透過用某一啲特定嘅物質接觸嚟變成第種物質。

19 世紀初嘅英國化學家道耳頓(John Dalton)做咗大量嘅實驗同觀察。佢發現咗一個重要嘅事實:

化學反應會消耗嘅反應物量硬係會出現一啲整數比例-例如係同氧之間嘅反應噉,100 嘅錫做起反應上嚟一係消耗 13.5 克咁多氧、一係消耗 27 克咁多氧(13.5:27 啱啱好係 1:2),而兩種反應會出兩種外觀特性明顯唔同嘅反應產物(可以睇吓氧化亞錫二氧化錫);除咗錫同氧之外,道耳頓仲試咗好多款唔同嘅化學反應,發覺無論係邊種反應,都一樣睇到『嗌兩隻反應物做 A 同 B,X 咁多嘅 A 做起反應上嚟,實係會消耗 y1 咁多或者 y2 咁多或者 y3 咁多... 嘅 B,當中呢啲 y1、y2... 彼此之間永遠都係成簡單嘅整數比例』。

已知質量唔會無端端少咗或者多咗,原子論能夠解釋得到呢種現象-想像錫同氧都係由一大柞細細粒、冇得斬件嘅原子組成嘅,錫原子同氧原子喺質量等特性上有差異,而兩者之間嘅化學反應涉及錫粒子同氧粒子結合,(例如)每粒錫粒子都會同一粒或者兩粒氧粒子結合,會出兩種唔同嘅產物;相比之下,如果假說 2 係真,就會出現「點解 100 克嘅錫唔能夠淨係消耗 20.25 克咁多嘅氧?」噉嘅問題[1][3]。基於以上呢個觀察同埋第啲打後嘅實驗證據,道耳頓等嘅早期化學家就主張,物質係由原子(冇得斬件嘅細粒粒子)組成嘅。到咗廿一世紀初,化學界同物理學界經已完全噉確立咗原子論-化學家都係以「物質冚唪唥都係由離散(discrete)嘅粒子組成嘅」為前題做化學上嘅研究[4]

發現原子[編輯]

內文:電子質子、 同 中子
睇埋:古典力學古典電磁學同埋量子力學

電子同質子嘅發現源於 19 世紀中物理學上用映像管做嘅研究:當時啲物理學家發現,駁咗映像管(下圖嘅抽象圖解)條陰極(cathode)會射一啲肉眼睇唔到嘅、有質量而且帶有負電荷嘅嘢出嚟[5][6]

  • 下圖嘅 fluorescent screen(熒幕)係一塊特製嘅表面,已知呢種表面俾輻射射到嗰陣會變色;研究者發現,映像管條陰極對住嗰一忽「熒幕」會變色,而且佢哋仲發現如果佢哋搵嚿物體遮住條陰極,塊「熒幕」上面會有個「影」,即係有一笪空間冇變色(反映嗰笪冇俾輻射射到);上述嘅結果顯示,條陰極應該係射咗啲肉眼睇唔到嘅嘢出嚟。
  • 條陰極射出嚟嘅嘢會推郁一啲輕嘅物體;噉即係表示,陰極射出嚟嗰啲嘢有動量(momentum),而一樣嘢有動量就表示嗰樣嘢有質量同速度。有關動量同速度等概念嘅詳情,可以睇吓古典力學
  • 條陰極射出嚟嘅嘢嘅郁動軌跡可以因為磁場(下圖嘅 deflecting coil)而彎曲;噉即係表示,陰極射出嚟嗰啲嘢有電荷(electric charge)-由打前少少嘅古典電磁學研究嗰度已知,係有電荷嘅物體先會因為磁場而改變郁動方向嘅。而且古典電磁學上仲有方法按件物體郁動方向點變(例如「向左定向右」同埋「變咗幾多角度」)嚟知道件物體帶嘅係正定負電荷同埋質量有幾大,進一步嘅分析顯示,條陰極射出嚟嘅嘢帶負電荷,而且質量好細(根據廿一世紀初嘅估計,一粒電子嘅質量大約係 9.1093837015 × 10-31 kg [7])。

而且打後嘅研究仲試過,搵多種用唔同材料造嘅陰極嚟搞同樣嘅實驗,發現用唔同材料造嘅陰極都出到噉嘅現象。於是科學界就萌生咗「電子」嘅概念-原子當中有質量極細、兼且帶負荷嘅組成部份[5][8]。而且電子嘅存在亦都表示,原子入面實係有一啲帶同等正電荷嘅嘢,所以原子整體先會帶中性電荷;而打後由紐西蘭物理學家盧瑟福(Ernest Rutherford)喺廿世紀頭嗰廿年做嘅一系列實驗顯示,用多種材料造嘅陽極會射出一啲帶正電荷、質量大過電子好多嘅嘢出嚟-萌生咗「質子」嘅概念[9][10];而量子力學上嘅發展亦都引致科學界喺 1930 年代初發現中子[11]

Cathode ray Tube.PNG

註釋[編輯]

  1. 根據現代物理學研究,原子查實係有可能再揼散啲嘅,但用一般地球環境下做到嘅方法正路做唔到揼散原子。
  2. 要留意埋化合物混合物之間嘅差異。

睇埋[編輯]

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  1. 1.0 1.1 How Did We Figure Out Atoms Exist?. Space.com.
  2. Waldman, J. (2015): Rust - the longest war. Simon & Schuster, New York.
  3. John Dalton and Atomic Theory.
  4. Theodore L. Brown, H. Eugene Lemay, Bruce Edward Bursten, H. Lemay. (1999). Chemistry: The Central Science. Prentice Hall; 8th Ed.
  5. 5.0 5.1 Plücker, M. (1858-12-01). "XLVI. Observations on the electrical discharge through rarefied gases". The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 16 (109): 408–418.
  6. Leicester, H.M. (1971). The Historical Background of Chemistry. Courier Dover. pp. 221-222.
  7. Electron. Encyclopedia Britannica.
  8. O'Hara, J. G. (March 1975). "George Johnstone Stoney, F.R.S., and the Concept of the Electron". Notes and Records of the Royal Society of London. Royal Society. 29 (2): 265-276.
  9. Wien, Wilhelm (1904). "Über positive Elektronen und die Existenz hoher Atomgewichte". Annalen der Physik. 318 (4): 669–677.
  10. Petrucci, R. H.; Harwood, W. S.; Herring, F. G. (2002). General Chemistry (8th ed.). Upper Saddle River, N.J. : Prentice Hall. p. 41.
  11. Discovery of the Neutron.