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数学史与科学史课件11wz

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    • 1、第 10 讲,物质与原子 What is the Matter?,第10讲 物质与原子,元素 原子 放射性现象,元素,四元素与三要素 元素与化合 燃素说 化学革命,古希腊早期的学说,泰勒斯 Thales c. 624547 BC 水是一种元素,阿纳克希米尼 Anaximenes c.500428BC 气是一种元素,赫拉克利特Heraclitus 533475BC 火是一种元素,四元素说,恩培多克勒 Empedocles, 495 435BC,火、气、水、土,水:球体,彼此间容易滑过去 土:立方体,稳定 火:锯齿状、尖锐,灼人,亚利士多德 Aristotle, 384 322BC,以太ether 发光的天体由以太组成,三要素说,帕拉赛尔苏斯 (瑞士) Philippus Aureolus Paraselsus 14931541,贾比尔 Jabil (8、9世纪) 阿拉伯炼金术家,金属:硫、贡,硫、贡、盐,两种学说,炼金术哲学家(亚利士多德信徒),物质:土、水、气、火,炼金士药剂师,物质:盐、硫、汞,元素,四元素与三要素 元素与化合 燃素说 化学革命,波义耳(英国) Robert Boyl

      2、e 1627 1691,怀疑的化学家 Sceptical Chymist 1661,明确“元素”的概念(澄清“化合物”的概念),对四(三)元素说的批判(对火的作用的误解),几乎发现“氧”(空气的某个部分是燃烧所必须的),燃素说,斯塔尔(德国) Georg Ernst Stahl, 1660 1734,燃烧现象的解释,木 = 灰烬 + 燃素,纸 = 灰烬 + 燃素,燃素:负重量,金属灰 + 燃素 = 金属,金属灰 金属,普列斯特利(英国,Joseph Priestley, 17331804) 在物理学中,质量不总是首先考虑的问题 牛顿的以太、富兰克林的电流、“热素”,元素,四元素与三要素 元素与化合 燃素说 化学革命,拉瓦锡 Antoine Laurent de Lavoisier (1743 1794),氧化理论取代燃素说,化学反应过程的物质守恒,化学元素,1774?, 拉瓦锡与普里斯特列,锡与铅加热,表面生成金属灰,但是封闭的容器的重量没有改变。由于金属灰金属,因此 拉瓦锡猜想:容器中的空气重量减少 当打开容器,空气进入,容器的质量果然较试验前增加。,(水银+空气)加热,生成红色矿会

      3、(氧化贡)。在集气瓶中加热氧化贡,得到氧气。 燃素+氧气,燃烧旺。 普里斯特列:氧气吸收燃素,使燃素加速离开原来的物体,脱燃素空气。,1773年5月5日在皇家学会上报告,硫在燃烧后,不仅不减少重量,反而增加重量。磷也是如此。 在化学过程中,这种增加的重量来自大量被凝固了的空气。,金属灰 = 金属 + 氧气,拉瓦锡的实验室,1781年,普利斯特列发现氢在空气中燃烧形成小露珠,卡文迪许重复试验,证明生成的是水,拉瓦锡: 水是氧与氢的化合物,把参加发酵的物质与发酵后的生成物列成一个代数式,假定方程式中的每一项都是未知数,然后计算出他们的值。由此,可以用计算来检验我们的试验,在利用试验;来验证我们的计算。,拉瓦锡提出建立化学反应方程式的构想将化学试验数学化。,化学元素说 1789年,拉瓦锡的元素表,New Names Light Caloric Oxygen Azote Hydrogen,砍下那个脑袋仅仅只要一会儿的功夫,但要在产生一个像那样的脑袋来,也许将需要100年。 拉格朗日 J. L. Lagrange,原子,原子论 元素周期表 原子核模型 原子序数,原子论创立者,德莫克利特 Demo

      4、critus (c. 460 357 BC),atomos 不可分割的,留基伯 Leucippus, 490 ? BC,伊壁鸠鲁 Epicurus (341270 BC ),卢克莱修(罗马) Titus Lucretius Carus (96 55BC),De Rerum Natura 长诗物性论 56 BC,伽桑狄(法国) Pierre Gassendi, 15921655,气体可以压缩和膨胀的实验,气体必定是由分布很广的质点所组成,普鲁斯特 (法国) Joseph Louis Proust 17551826,定比定律 1799年,普鲁斯特证明,无论怎样制备碳酸铜,其所含铜、碳和氧的重量比例都是一定的。,铜:碳:氧 = 5:4:1,贝尔托莱 (法国) Comte Claude Louis Berthollet,(1748 - 1822),柏采留斯 (瑞典) Baron Jns Jakob Berzlius, 1779 - 1848,道尔顿 (英国) John Dalton, 17661844,一氧化碳(碳:氧=3:4) 二氧化碳(碳:氧=3:8),1803年: 多比定律,不同元素具有

      5、不同质量的原子 分子: 数目固定的不同原子组成 元素: 相同质量的原子组成,阿伏伽德罗 (意大利) Comte Amedeo Di Quaregna Avogadro (1776 - 1856),阿伏伽德罗假说,等体积的气体是由等数目的质点所组成,坎尼札罗 (意大利) Stanislao Cannizzaro 1826 - 1910,1860年,德国 第一次国际化学会议,提出确定原子量的新方法,斯塔斯 (比利时) Jean-Servais Stas, 1813-1891,1865年 新的原子量表,原子,原子论 元素周期表 原子核模型 原子序数,门捷列夫 (俄国) Dmitri Ivanovich Mendeleev 18341907,1864年,英国化学家纽兰兹(John A. R. Newlands, 18381898),1862年,法国地质学家比古耶德尚库图(de Chaucourtois),1869年,德国化学家迈耶尔(Julius Lother Meyer, 18301895),门捷列夫 元素周期表 1869年,1875年,布瓦博德朗(法国)发现了第一个,命名为镓(以“法国”的

      6、拉丁文命名)。,1879年,尼尔森(瑞典)发现了第二个,命名为钪(以“斯堪的纳维亚”命名)。,1886年,温克勒(德国)发现了第三个,命名为锗(以“德国”这个名字命名)。,原子,原子论 元素周期表 原子核模型 原子序数,汤姆森 (英国) Joseph John Thomson, 18561940,1906年获诺贝尔奖,汤姆森的布丁原子模型,卢瑟福 (英国) Lord Ernest Rutherford 1871 - 1937,1906年,卢瑟福用金箔作了粒子的散射实验,说明了原子里有一个很小的核。,原子核带正电,它集中了原子的所有质量。,1908年获诺贝尔化学奖,电子轨道的半径是核的半径的100,000倍,卢瑟福的原子模型,1911年,卢瑟福: 原子核由核子nucleons组成,核子分成两种类型: 带正电荷, 质子 proton 电中性, 中子 neutron,查德威克 (英国) James Chadwick 1891-1974,1932年发现中子,1935年获诺贝尔奖,原子核模型,原子: 原子核+电子 原子核: 带正电的质子+不带电的中子 原子核电荷数=核内质子数 核内质子数=核外电

      7、子数 原子是电的中性体,原子,原子论 元素周期表 原子核模型 原子序数,莫塞莱 (英国) Henry Gwyn-Jeffreys Moseley 18871915,原子序数= 核电荷数 (1913年),1915年 在土耳其的加利波利阵亡,放射性现象,X-射线 镭与钋的发现 同位素 蜕变,伦琴 (德国) Wilhelm Konrad Roentgen 18451923,X- Ray,1895年12月28日,伦琴宣布发现了X射线。,1901年获诺贝尔奖,1895年11月5日,发现阴极射线管能产生一种能够穿越墙壁的辐射。,柏克勒耳 (法国) Henri Becquerel,1852-1908,能发出荧光的物质可否发出X射线?,荧光材料: 硫酸钾双氧铀,1896年3月发现铀的放射性,1903年获诺贝尔奖,放射性现象,X-射线 镭与钋的发现 同位素 蜕变,居里夫人(法国) Marie Curie,18671934,1897年 准备博士论文选题,含铀化合物中不断放出的辐射线的性质,发现: 铀元素的放射性不受外部的影响,在钍的化合物中发现了同样强度的射线,确定仅仅在铀钍矿石含有放射性,某种矿石的放射

      8、性 计算值,1898年4月 沥青铀矿铜铀云母含有两种未知的新元素,居里夫妇宣称存在镭元素的论文手稿,1898年12月 宣布一种放射性比铀元素强百万倍的新元素,命名为“镭”,1898年,1902年,在8吨的沥青铀矿废渣中提炼1克纯镭,测定出镭元素的原子量为225,用于发现镭与钋的沥青铀矿样品,居里夫人博士论文封面,1903年,1903年的居里夫人,居里夫妇在1903年获得的诺贝尔奖证书,放射性现象,X-射线 镭与钋的发现 同位素 蜕变,索迪 (英国) Frederick Soddy 18771956,这些不同类型的原子应该是相同的元素,称为“同位素”。,1921年,获诺贝尔奖,阿斯顿 (英国) Francis William Aston,18771945,1000个氖原子,1919年,发明质谱仪,1922年,获诺贝尔奖,909个氖20 88个氖22 3个氖21,原子量=20.18,氢同位素,同位素只是原子量的不同,不影响相关的化学性质。保持了元素周期表的完整。,放射性现象,X-射线 镭与钋的发现 同位素 蜕变,1900年,英国的克鲁克斯(William Crookes, 18321919

      9、)发现,经过提纯的铀几乎没有放射性,而杂质中则具有明显的放射性。,1902年,索迪发现钍也存在上述现象。,卢瑟福与索迪:当铀原子放出放射性辐射时,它会蜕变成放射性更强的元素的原子。,三种放射性辐射,1898年, 柏克勒耳与居里夫人就怀疑铀与钍的放射性辐射不止一种类型。,1899年,卢瑟福发现了射线、射线,1900年,法国的维拉尔(Paul Ulrich Villard, 18601934) 发现了射线,三种射线粒子,氦原子,粒子是氦核,原子量为4,带两个正电荷,粒子是电子,带一个负电荷,粒子不带电荷,原子量为0,铀238蜕变为钍234,铀原子的原子量为238,原子序数92,U-238,放射出一个粒子, 原子量为4,原子序数为2,原子量: 238 4 = 234 原子序数: 92 2 = 90,Th-232,Th-234,普通的Th-232放射出粒子,铀蜕变的Th-234放出粒子,粒子,原子序数为-1,原子量0,原子量: 238 0 = 234 原子序数: 90 + 1 = 91,钍234蜕变为镤234,中间元素,铀(92)和钍(90)都可以蜕变成其他元素,后者再进一步蜕变,直至变成没有放射性的元素铅(82) 。,在铀(92)与铅(82)之间(1914年) 已知: 铋(83)、钋(84)、镭(88)、锕(89) 未知: 原子序数为85、86、87、91,放射性蜕变是一种元素的原子变为另一种元素的原子,这是一种核变化。,在化学变化的范畴内,原子不变。,The End,理查兹 (美国) T. W. Richards 1868-1928,1904年开始,理查兹以从未达到过的精确度测定了原子量。,1914年获得诺贝尔化学奖,皮埃尔在索邦大学( Sorbonne,巴黎大学前身)任教,尤里 (美国) Harold Clayton Urey,1893-1981,1931年发现氘,1934年获诺贝尔奖,每7000个氢原子中,有一个氢2,1913年,布拉格父子测定X射线的波长 1915年,获诺贝尔奖,William Henry Bragg (18621942),Willi

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