原子和粒子是初几的知识（如何测量原子的质量和体积）

上节课结束以后，我们已经说完了电子的发现过程，最后我们就获得了一个关于电子非常重要的参数，荷质比。

但是我们这个时候并不知道电子具体的电荷和质量到底是多少？所以接下来最重要的工作就要是求出电子的电荷，或者是质量，只要知道其中一个就能算出另外一个。

但这并不是关键的问题，关键的问题是只要我们知道其中一个量，我们就能算出每一个原子的质量和体积，神奇吧，这就是科学的魅力，原子它很小，我们不可能拿着称，拿着尺子去量它，我们只能通过间接的手段把它算出来。

方法其实也很简单，因为在汤姆逊测量电子之前，我们已经获得了两个重要的关于原子性质的比值；

比如说19世纪初道尔顿的相对原子质量，也就是把一个原子的质量当作基准值，然后算出其他原子相对于它的质量的比值，算出来是多少，相对原子质量就是多少。

那么知道了这个比值，就意味着，我们只要知道其中一个原子的质量，那其他的原子的质量都可以算出来。

还有一个是法拉第在做电解实验的时候，就测量出了关于原子质量和电子电荷的比值，这就意味着只要我们能测出电子的电荷，就能算出某一个原子的质量，那整个元素周期表中的原子质量都可以算出来。

那关于原子的体积那就更好算了，因为密度是我们掌握的一个最早的关于物质质量和体积的关系，那我们现在知道了原子的质量，它的体积也就算出来了。

整个过程就是这么的简单，符合逻辑，但是说起来简单做起来比登天还要难。所以接下来我想用几个视频的时间，把这件事从头到尾说清楚，只要你了解了其中的逻辑关系，你就会发现，科学其实非常有趣，也不得不佩服科学家们聪明的头脑。

好，那今天我们就先说铺垫第一个问题，相对原子质量。

在上世纪以前，原子是不是真的存在是一个非常有争议的话题，很多人不相信原子存在，比如马赫和奥斯瓦尔德，他们坚持的思想是，原子不能被直接看到，所以假设它存在就不科学。

还有一些人就认为原子存在，比如麦克斯韦，还有玻尔兹曼，当然还有近代原子论鼻祖道尔顿。

它们假设原子存在是因为，这样的假设可以解释很多的现象，比如气体表现出来的温度和压力，就被麦克斯韦和玻尔兹曼解释为分子的热运动，以及道尔顿最早发现的元素化合物的倍比关系，也可以通过假设原子的存在给出解释。

关于道尔顿的研究，是人们在他的实验笔记中看到的，是最早关于原子相对质量的研究记录，时间大约为1802到1804年。

道尔顿在做实验的时候就发现了这样一个现象，把一个元素和另外一个元素化合，它们之间总是有确定质量比，比如说他就发现，当氢在氧气中燃烧的时候，消耗一克氢的同时，总是会消耗5.5克的氧，这是当年道尔顿的数据，可以看出这个测量一点都不准，今天我们知道这个比例是1：8。

除了氢和氧有这样的比例关系以外，其他的元素在化合的时候也一样，道尔顿就觉得这件事比较奇怪，为什么这些比例是固定的，为什么就不能生成含氧多一点，或者少一点的水？

道尔顿最重要的贡献就是他用原子论的思想解释了这个实验结果，他说假如水是由粒子构成的， 在水的粒子中有一个氢原子和一个氧原子，这就可以解释化合物元素固定比例的问题了。

他因此也就推断出了，一个氧原子的质量是氢原子的5.5倍，按照这个方法道尔顿就以氢原子的质量为基准测量了一些原子的相对质量，比如氮的相对原子质量是4.2、碳是4.3、硫是14.4，可以看出道尔顿的测量都是错的。

有两个原因，第一个就是他的测量误差太大，第二个是他不知道化合物的分子式，比如他说水是HO，其实是H₂O，那么按照正确的化学式，算出来的氧的相对原子质量是11，和今天的近似值16就差的不远了。

上图就给出了一些元素的相对原子质量，可以看出今天的值和道尔顿当年测量的值相差很大，需要注意的是，今天的相对原子质量不在是以氢的原子质量为基准的，而是以碳12原子质量的1/12为基准测量出来的。其实碳12原子质量的1/12和氢的原子质量非常接近，但还是有0.8%的差别。

所以接下来的问题是，人们是怎样知道化合物的分子式的？这是精确测量相对原子质量的关键。

在道尔顿提出相对原子质量没过多久，也就是1808年，法国人盖吕萨克就写了一篇论文，文中说，两种气体元素化合的时候，除了按一定的质量比，还按照一定的体积比化合，比如两份体积的氢，再加一份体积的氧，就可以化合成两份体积的水蒸汽。这叫体积组成定律。

到了1811年，阿伏伽德罗就对这个定律做出了这样解释，他假定在相同的温度和压强下，两种体积相等的气体，具有相等数量的气体粒子，也就是说1升氢气和一升氧气的分子数量是一样的。

那么根据这这个假设，阿伏伽德罗就推算出了水的化学式是H₂O，因为2升氢气会消耗1升的氧气，这就说明在水的分子中，氢原子的数量是氧原子数量的2倍。

还有1升的氮气会消耗掉3升的氢气生成氨气，这就说明在氨分子中氢原子的数量是氮原子的3倍。所以氨的化学式就是NH₃。

通过阿伏伽德罗的假设，我们就能判断出化合物正确分子式，如果再能准确测量出参与反应的元素的与生成化合物的质量比，那么我们就能确定大部分的原子的相对原子质量了。

相对原子质量知道了，那相对分子质量也就知道了，就是相对原子质量之和，比如水的分子量就是2 16。

这里我们再说一个非常重要的单位叫摩尔质量，它的定义是，1摩尔就等于分子量的克数，比如说，1摩尔的氢气是2克，1摩尔的水是18克，也就是分子量是多少，一摩尔就是多少克，这样的规定就意味着一摩尔的任何物质都有相同的分子或者是原子数，而这个数就叫阿伏伽德罗常数。后面我们再说到电解的时候还会再提到这个问题。下面我们再说最后一个问题，相对原子质量为什么不是整数？先看一个表。

在表中可以看出，就算以碳12原子质量的1/12为基准，算出的原子相对质量表。就连碳的相对原子质量也不是整数，而是12.011，为什么会这样？

其实这个问题一开始也困扰着科学家，因为有些原子的相对质量它比较接近整数，给人的感觉好像是，原子都是由某些整数倍的基本粒子组成的。你看氢的相对原子质量是1.0079，非常接近1，还有很多的原子的相对质量是这样的。

我们现在知道这个猜测其实是正确的，原子确实是由某些整数倍的基本粒子组成的，我们知道是质子和中子。

但是有些原子的相对原子质量就不接近整数，偏差就比较大，比如氯元素35.45，这就和上面的猜测出现了矛盾，所以人们就想，我们算出来的相对原子质量可能不是这个元素中所有原子的相对原子质量，而是一个平均值。

其实这个猜测也是正确的，现在我们知道几乎所有的元素都有好几种不同形式的原子，它们叫同位素，之所以取这样的名字是因为它们的化学性质是一样的，区别是相对原子质量不同，所以化学家索迪在1910年就认为应该把化学性质相同的元素，放在化学周期表的同一格子里，所以就取名叫同位素。

同位素的发现主要是因为人们先发现了元素的放射性，因为放射性可以产生很多元素的变种，比如混在铀矿石中的铅元素，人们就发现这些铅也具有放射性，但是和普通铅在化学性质上却没办法区分，只是相对于原子质量不同。

随后人们就在放射性元素中发现了大量的同位素，就猜测同位素可能是放射性元素的特例，并不会出现在普通元素当中。

很明显，这回猜错了！1913年汤姆逊在做阳极射线的时候就发现，不仅放射性元素具有同位素，普通的轻元素也有同位素，因为它发现了氖离子的两种比，一个是氢的20倍，一个是氢的22倍，这就说明相对于氢来说，一个的相对于原子质量是20，一个是22。

质荷

这就说明在空气中，有两种氖元素，一种原子量是22，一种原子量是20，现在我们知道它们的占比分别是10%和90%。平均原子量算下来就是20.2。

那么氯元素也是一样的，它的相对原子质量偏离整数，主要也是因为同位素的原因，氯有两种同位素一种是35，一种是37，占比分别是77.5%和22.5%，算下来大约也就是35.45这个平均相对原子质量了。

那么相对原子质量不等于整数，除了同位素的原因以外，还有一部分原因是，原子核的核能，其实原子的质量并不严格的等于质子和中子的质量和，还有它们之间的结合能，每种原子核的束缚结构不同，蕴含的能量也不同，所以在质量上就有差异了，这个我们在后面讲到原子核的时候，还会详细的说。

好了，那今天的相对原子质量就说到这里，下节课我们说法拉第如何在电解实验中获得原子质量和电荷之比的。

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