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发信人: emacs (In the Name of Love), 信区: Science
标  题: 8.内部规律
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年08月04日11:19:09 星期天), 站内信件



　　　　　　 第三章 行政区划和管理制度

     
　　 　　8．内部规律

　　谈到王国的内部规律，即决定原子结构和产生原子特性的规律，需要把个人
的观点暂时搁置一边。这样说，是把问题看得有点严重了，因为可能有人争辩说
主宰化学元素王国的规律要比主宰我们自身生命的规律简单得多；甚至有人可能
争辩说这个规律比支配恒星、行星和其他一切看得见的所谓宏观物体的变化过程
要简单得多。量子力学象征着与过去的决裂，它代表着20世纪的科学。量子力学
对于了解周期王国的结构，解释王国的周期性变动，认识王国中各个领地为什么
以特殊的方式排列着，都极其重要。事实上，量子力学是阐明周期王国的关键。
如果我们要把以经验为主的各族元素关系图改进成更为实用、更为明了的图表，
那就必然需要量子力学了。

　　量子力学是必需的，因为我们不可避免地要谈到原子，而微小的原子只能用
量子力学的语言来说明。根据量子力学关于自然现象的描述，能量只能以不连续
的被称为量子的特定量值转变成某种客体，而不能像经典物理学家所推测的那样
连续而平稳地转变。此外，宏观世界中粒子和波动的区别已经消失，两种概念合
二为一。在量子领域中，可以认为物体具有粒子和波动的双重属性，而且根据人
们观察的方式，总有这样或那样的描述比较合适。周期王国受这种不连续性以及
波粒二相性支配，为了了解王国的制度和管理机构，我们需要接受上述看来似乎
有些古怪的概念。

　　我们用王国中的一颗卵石表示某种元素的一个原子，我们已经知道，这颗卵
石是极其微小的实体，其中的空隙比实际物质要多。具体地说，原子中心含有一
个结实而微小的原子核，原子核周围几乎是真空空间，然而这一空间并非完全是
真空的，其中弥漫着自然界（对化学来说）最重要的一种基本粒子，即电子。因
此，某种元素最初的原子简图就是由电子云包围着原子核的微粒。

　　19世纪初，曼彻斯特一位名叫约翰·道尔顿（John Dalton）的中学教师，
用实验方法仔细分析互相化合的一些物质质量，首先证实了原子的存在。他虽然
没有直接的证据说明原子的存在，但他从测量结果推断出在化学变化中含有某种
不变的实体。现在，我们拥有大量实在的关于原子的直接证据。我们的仪器主要
是精心改进的显微镜，可以把原子完完全全地展现在眼前。

　　19世纪末20世纪初，人们经过一系列实验，已经测定出原子的内部结构。在
剑桥大学工作的J．J汤姆森（J．J．Thomson）证明，电子是物质普遍的一种组
成成分。他使用一种仪器，即现代电视机显象管的前身，证明了可以把任何元素
的某种基本粒子显示出来。这种基本粒子称为电子。此后，经过一段时间，又测
定出电子的质量和它的负电荷。从某种意义上讲，整个王国是由电子覆盖着的，
我们将会看到，电子的不同排列方式决定了元素的不同特性。这里（如氦的领
地），电子是两两成组；那里（如镁的领地），电子是12个聚集在一起。法拉第
一定曾为这一发现而欣喜万分，因为这位电学方面的头号奇才深信，电与物质结
构是以某种方式密切联系的。最后，电解法的研究表明，通过电流，可以使物质
变成不同类型的物质。由于汤姆森的工作，人们明白了电子无所不及，物质是由
电子以某种方式构成的，电流仅仅是一连串的电子在流动。

　　最初发现电子时，关于电子及电子对原子结构的作用，存在两个意味深长的
问题。其一是在一个已知的原子中，究竟有多少个电子。因为人们知道1个原子
比1个电子要重几千倍，所以，即使是最简单的元素氢，它的原子也可能是由数
以百计的电子构成的。我们现在知道，事实上在这个按宇宙进化应属于旧石器时
代的元素氢中，只有1个电子。第二个问题是，原子中必须有正电荷，才能使整
个原子呈不带电这一自然状态。那么，关于这个问题，是像汤姆森认为的那样，
正电荷的基本状态犹如胶冻，其中隐含着成百上千的电子？还是它颇有几分结构
并十分复杂呢？

　　原子不带电虽是一种自然现象，但是这个现象却比较复杂。1910年，欧内斯
特·卢瑟福（Ernest Rutherford）以他卓越的实验才能着手解决王国中卵石的
结构问题。卢瑟福在学生汉斯·盖革（Hans Geiger）和爱德华·马斯登
（Edward Marsden）的帮助下，测试了a粒子。这是一种极微小的粒子，可由重
元素在金箔上的放射性衰变产生。他原以为这样做时会像把牛奶冻扔到涂有牛奶
冻的墙壁时那样，牛奶胶粒混入墙壁上的牛奶胶粒，但他后来回想说：“这是我
一生所发生的最不可思议的一件事。”实验结果出乎意料，就像当时流行的一句
话：“你对着一张棉纸发射十五英寸口径的炮弹，结果炮弹反而射中了你自己。”
假定上述的是一些胶粒，那么这些胶粒具有特殊的反射能力。卢瑟福仔细考虑实
验结果后得出一个看法，即正电荷不是质地柔软的胶质球体，而是一个非常结实、
非常集中的核心，原子的其余大部分空间是真空。1911年，核型原子诞生了。在
这一模型中，原子中心有一个微粒状、大而重的原子核，它集中了原子的正电荷
及几乎整个原子的质量，原子核周围的稀薄电子云中有足够的电子可以抵销原子
核的全部正电荷。王国中的每一颗卵石都是一个带核的实体，一个带电的微粒控
制着几乎是真空的空间。

　　卢瑟福能够估算出金原子核的正电荷，并得出几十个单位电荷的电量。于是
他断定，原子中并没有成百上千的电子，最多只有几十个电子。这一数字被卢瑟
福的另一位学生、年轻的物理学家亨利·莫塞列（Henry Moseley）用不同的观
测方法测量出来。莫塞列对原子发射的X射线的特性进行了研究，计算出原子核
的正电荷。他可以用这种方法测定出原子中心有条不紊的顺序数，即元素的原子
序数，后来被认作是原子核的单位正电荷数。我们知道，氢的原子序数为1，所
以它的原子核带有1个单位的正电荷，并被1个电子环绕着，抵消了它的核电荷。
碳的原子序数为6，它的原子核带有6个单位的正电荷，因此只有6个电子围绕它
才形成一个中性原子。王国南部海岸卵石的原子序数为100左右，所以它们所带
的电子也在100个左右。

　　大约就在这个时期，已有可能通过实验精确测定原子核质量。一个多世纪以
后，道尔顿关于某一元素所有原子都相同的观点，终于可以由试验加以证明。令
人意想不到的是，试验结果证明道尔顿的推测是错的。人们发现某个元素的原子
质量有一系列值。这些质量不同但却属于王国同一领地的原子，被叫作同位素
（isotopes），源于希腊文“相同的位置”一词。有些元素，特别是轻元素，含
有1个，最多2个或3个同位素；但王国南部较重的元素却常常含有12个左右的同
位素。显然，正如我们已推测的那样，元素的原子质量并非其基本特性。

　　某种元素的一个原子只具有一个表示其特性的原子序数，而它的质量却可以
在一定范围内变动，这一认识使我们能进一步了解原子核的内部结构，即原子核
由一些更小的微粒构成。这样，就形成了一种模型，每个原子核包含一组带正电
荷的基本粒子，叫作质子，其数目等于元素的原子序数。例如，氢的原子核含有
1个质子，碳的原子核含有6个质子，铀的原子核含有92个质子。这些质子的数目
不变，质子数目一旦改变，元素也就不同了。质子数是识别元素性质的唯一合格
的参量。然而，我们还知道，每一种元素的原子核可能含有数目不等的中子，除
了不带电，中子几乎和质子一样，它也是一种基本粒子。

　　原子核内的中子数不会使元素性质发生变化，但却能使元素的原子质量发生
一定变化。原子核内的中子数一般与质子数相近（通常稍多一些），但有时也有
些变化。例如，碳的原子核内除含有6个质子，一般含有6个中子，但现已得知，
也存在含有7个和8个中子的碳的同位素。在王国的南部，中子数的变化幅度逐渐
增大，同时，中子所占的比例也逐渐增大，这是富含质子的原子核得以牢固结合
所要求的。例如，在铀的领地，原子核中有92 个质子，大约伴有150个中子，最
常见的是146个。

　　现在我们可以了解，为什么原子量大致与王国的周期性相关，但又为什么有
时会产生误差。首先要指出的是，元素的许多特性决定于原子核周围的电子数目
及电子的排列方式，原子核外的电子易于重新排列，而且有些电子容易丢失。因
为原子的电荷等于零，原子所含有的电子数必然等于原子核内的质子数。于是我
们可以推测元素特性与其原子序数之间存在着某种联系。然而，某种元素，其原
子核内的中子数与原子序数相比虽略有超出，但大体上也随原子序数同步增大。
因此，当核外电子数增加时，核内较重的质子和中子总数也增加。由于原子核内
质子和中子的总数决定着原子质量，所以可以知道，当核外电子数增加时，原子
质量也加大。结果是，原子核外的电子数（和元素特性）与原子质量之间存在着
相关性。

　　然而，有一个值得注意的细节，即除了特殊情况外，某一“原子量”的测定
结果并不就是单个原子的质量。我们通常测定试样的平均原子质量，而试样中含
有若干不同的同位素。由于试样的平均原子质量不能保证与原子序数准确地同步
增大，所以我们可以预料，在反映原子质量的王国地势图上会略有误差。正如门
捷列夫不得不承认的那样，元素特性与原子量之间的相关性并不精确。他承认某
些测定数值不正确。但我们从认识原子核后的观察高度考虑问题，就能了解上述
误差产生的原因并对这些误差进行解释。




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