原子间的差异

原子间的差异

如果存在着不同类型的原子，那么就有理由认为它们的特性必定存在着某些差异。如果不是这样的话，如果所有原子自身的特性都相同的话，那么，为什么有些原子堆积在一起时成为金，而另外一些原子堆在一起又会成为铅呢？

古希腊人所获得的最伟大的智力成就，在于他们发展了严格的几何学。因此，他们中的一些人在思考构成他们的“元素”的原子时，很自然地会用一些几何形状来设想它们。古希腊人认为，水的原子看上去可能像一个个球体，相互之间很容易滑过去，这就是水为什么可以倾注的道理。土的原子呈立方体，且是稳定的，因而土不能流动。火的原子则呈锯齿状，而且很尖，这就是火会使人感到灼痛的缘故，如此等等。

在古希腊人的脑海中，对于一类原子不能变成另一类原子这一点并不十分清楚。如果你认为金和铅基本上是土元素的两种类型，那可能会感到特别真切。也许只须将铅中的土原子拉开距离，使它们变成另外一种排列，便可使铅变成金；或者说人们也许只要对铅中的土原子稍加修正即可将它们变成金这种形式。

在大约2 000年的历史进程中，各种各样的人，其中不乏一些认真的和有科学头脑的人，同时也包括大量十足的骗子和冒充内行的其他人，他们总想着将铅那样的普通金属变成金这种贵金属。这就被称为变质，英语中称为transmutation，此词源自拉丁语，原意为“转变成希望的状态”。但他们总是失败。

到了现代原子理论被提出的时候，认为原子之间不但互不相同，而且一种类型的原子不能转变成另一种类型的原子，这种观点似乎已经很清楚。每种原子的特性是固定的和永久的，因此，铅原子不可能变成金原子。（随着时间的推移，正如我们将会看到的那样，在非常特殊的情况下，这一点并非完全正确。)

不过，倘若不同类型的原子相互不同的话，那么，真正不同的究竟是什么呢？道尔顿提出的推理如下。假如水分子由8份氧和1份氢组成，并且假如该分子由一个氧原子和一个氢原子组成，那么，单个氧原子的重量必定是单个氢原子重量的8倍。（更严格地说应该讲：单个氧原子的“质量”是单个氢原子的8倍。一个物体的重量是指由于地球对它的吸引而受到的力，而一个物体的质量粗略地讲就是它所含的物质的量。质量是这两个概念中更为基本的一个。)

当然，道尔顿没法知道氢原子或氧原子的质量，但是，不管它们是多少，氧原子的质量肯定是氢原子的8倍。你可以说，如果氢原子的质量为1，而不必说1的单位是什么；那么，你就可以说氧原子的质量为8。（事实上，我们现在说氢原子的质量为1道尔顿，乃是为了纪念这位科学家，然而，通常我们仍然把它简称为1。)

此后，道尔顿继续研究含有其他元素的一些化合物，并得出代表所有这些化合物相对质量的一整套数字。他称它们为“原子量”。这一术语至今仍被继续沿用，尽管我们应该把它叫做原子质量。（这种事情是常常会发生的，即科学家们开始使用一个特定的术语，然后发现另一个术语比原先用的术语更好。但是，他们发现要想改变已经为时太迟。因为人们长期以来对那个较差的术语已经太习惯了。在本书中我们还会碰到其他这类情况。)

使用道尔顿确定原子量的方法时，麻烦在于他被迫作出一些假设，而这些假设又太容易出错了。例如，他假设水分子是由一个氢原子和一个氧原子组成的，但是，他却不能对此提供任何证据。

在这种情况下，人们必须寻找证据。1800年，英国化学家尼科尔森（William Nicholson，1753—1815)使电流通过酸性水，获得了氢气和氧气两种气泡。然后，他继续对此现象进行研究，发现生成的氢气容积刚好是氧气容积的2倍，虽然释放出来的氧的质量是容积为其2倍的氢的质量的8倍。

那么，为什么生成的氢的容积与氧相比会是2倍呢？难道水分子是由2个氢原子和1个氧原子组成，而不是每样1个吗？难道氧原子的重量是2个氢原子加在一起的重量的8倍，或者说氧原子的重量是单个氢原子的16倍吗？换句话说，如果氢原子的重量是1，难道氧原子的重量是16，而不是8吗？

道尔顿拒绝接受这种观念。（这种事是常常发生的，即一位伟大的科学家，已经向前迈进了一大步，但却拒绝再多走几步——仿佛这伟大的第一步已经使他精疲力尽——并将它们留给其他人继续向前挺进。)

在这种情况下，是柏齐力乌斯继续向前迈步，将氢定为1，将氧定为16。然后，他继续研究其他一些元素。1828年，他发表了一张原子量表，这张表要比道尔顿的表好得多。根据柏齐力乌斯的研究结果，这一点似乎很清楚，即每种元素都有不同的原子量，每种特定元素的每个原子都有相同的原子量。（这里必须再次提醒大家，这些结论最终可能会被证明并非完全正确。但是，在近一个世纪来，对于化学家来讲，使用它们就已经近乎足够准确了。最终，随着获得更多的知识，这些观点会以各种途径被修正，从而慢慢地改变并不可估量地加强了原子理论。这种对理论的改进，一而再、再而三地发生，这就是科学的自豪。假定事情不是这样，假定理论从一开始就应该绝对正确，那就是假定一个向上通到五层楼的楼梯应该就是单独一格便有五层楼那么高。)

好了，当我们用电流将水分解时，生成的氢的容积是氧的容积的2倍。我们又怎么能由此知道在水分子中存在着2个氢原子和1个氧原子呢？柏齐力乌斯作出如此的假设似乎是合理的，但他也不知道是否确切。尽管此后所得到的证据比道尔顿假定水分子中存在1个氢原子和1个氧原子所得的证据更多，但这毕竟还只是一种假设。

1811年，意大利物理学家阿伏伽德罗（Amedeo Avogadro，1776—1856)作了更为普遍的假设。他提出，就任何气体来说，在一个给定的容积中总是含有相同数目的分子。假如一种气体的容积是另一种气体的2倍，那么，第一种气体所含的分子数一定是另一种气体的2倍。这就被称为阿伏伽德罗假说。（假说是一种假设，有时提出假说只是为了看一看将会出现什么样的结果。如果结果与已知的观测结果出现矛盾，那么假说就是错的，可以将它取消。)

当然，当一个有竞争力的科学家提出一项他认为可能是真理的假说时，结果查明此说正确的可能性就比较大。例如，检验阿伏伽德罗假说的一种方法是：在承认假说是事实的基础上，对大量的不同气体进行研究，查明在这些气体的分子中所含的每种不同类型原子的数目。

假如有人这样去做，结果与已有的观测相违，或者结果产生矛盾——假如根据该假说得出的一个系列的论据表明，一种特定的分子必须有某种确定的原子组分；而另一个系列的论据又表明它必须具有不同的原子组分——那么就必须丢弃阿伏伽德罗的假说。

事实上，从来没有人在任何情况下发现使用阿伏伽德罗假说会导致错误。尽管在有些情况下必须对它作出修正，但这个理论已不再是假说了，而被认为是事实。然而，由于化学家们已经习惯于原来的叫法，因此，仍把它叫做阿伏伽德罗假说。

然而，问题在于当阿伏伽德罗假说最初被提出来时，几乎没有化学家对它给予任何关注。他们或是没有听说过它，或是认为它荒谬或无足轻重而不屑一顾。即便是柏齐力乌斯也未使用该假说，因而他的原子量表也到处出错。

到了1858年，意大利化学家坎尼札罗（Stanislao Cannizzaro，1826—1910)偶尔见到了阿伏伽德罗假说，并看出这就是为了理解某种化合物中的每种元素各有多少个原子以及得出正确的原子量表所需要的东西。

1860年，召开了大型国际化学专业会议，来自整个欧洲的化学家们出席了会议（这是首次此类国际专业会议)。在那次会议上，坎尼札罗对这一假说作出了令人信服的解释。

这样，关于原子量的整个观念立即改进了。大约在1865年，比利时化学家斯塔斯（Jean-Servais Stas，1813—1891)公布了一张新的原子量表，它比柏齐力乌斯的原子量表更好。40年后，美国化学家理查兹（Theodore William Richards，1868—1928)进行了精确得多的观测，并获得了（就像我们将要看到的)至此人们所能获得的最佳数值。由于这些新的发现，有关原子量的整个研究内容就必须予以修正。在理查兹的时代，诺贝尔奖已开始颁发。鉴于他在原子量方面的研究工作，理查兹荣获了1914年的诺贝尔化学奖。

偏巧，原子量最低的元素是氢。如果人为地将它的原子量定为1，那么，氧的原子量就是比16稍微小一点。（它不是刚好等于16，这一点我们将在后面再谈。)然而，由于氧很容易与许许多多其他元素化合，因此，将一些特定元素的原子量与氧进行比较将会比与氢进行比较更为简便。那么，为了方便起见，就可将氧的原子量设定为恰好等于某个整数。但不应该将它设定为1，因为那样就会有7种元素的原子量小于1，这将会给化学计算带来不便。

此后，人们便习惯于把氧的原子量定为恰好等于16，这样就使氢的原子量刚好比1稍大一点。那就意味着没有一种元素的原子量会比1小。斯塔斯的表格就是以这种方式列出的，它成了化学家的时尚。（然而，在最近几年，情况已发生非常微小的变化，其理由将在后面说明。)

假如将元素按照原子量逐渐增大的次序列出，那么，就有可能将它们排列成一张相当复杂的表格，此表格表明具有某些特定性质的元素会周期性地重复出现。如果表格的排列正确的话，则性质相似的元素就会落在同一列内。这被称为周期表。1869年，俄国化学家门捷列夫（Dmitri Ivanovich Mendeleev，1834—1907)首先提出了这种周期表的有效版本。

起先，由于门捷列夫并不知道所有的元素，因而周期表具有一定的试验性。当时有许多元素还未被发现，在排表时，为了使性质相似的元素排在相应的列中，门捷列夫被迫留出了一些空格。他感到这些空格均代表一些尚未发现的元素，并选择了其中三个空格，于1871年对这三种尚未被发现的元素进行了说明。他详细地阐明，一旦发现这三种元素，它们应该具有怎样的特性。及至1885年，所有这三种元素均被发现，一丝不差地证明了门捷列夫预言的每个细节。这就提供了非常有力的证据，证明周期表是合理的，但是无人能解释为什么会这样。（我们在后文还会再谈这个问题。)