上節(jié)課結(jié)束以后，我們已經(jīng)說(shuō)完了電子的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，最后我們就獲得了一個(gè)關(guān)于電子非常重要的參數(shù)，荷質(zhì)比。

但是我們這個(gè)時(shí)候并不知道電子具體的電荷和質(zhì)量到底是多少？所以接下來(lái)最重要的工作就要是求出電子的電荷，或者是質(zhì)量，只要知道其中一個(gè)就能算出另外一個(gè)。

但這并不是關(guān)鍵的問(wèn)題，關(guān)鍵的問(wèn)題是只要我們知道其中一個(gè)量，我們就能算出每一個(gè)原子的質(zhì)量和體積，神奇吧，這就是科學(xué)的魅力，原子它很小，我們不可能拿著稱(chēng)，拿著尺子去量它，我們只能通過(guò)間接的手段把它算出來(lái)。

方法其實(shí)也很簡(jiǎn)單，因?yàn)樵跍愤d測(cè)量電子之前，我們已經(jīng)獲得了兩個(gè)重要的關(guān)于原子性質(zhì)的比值；

比如說(shuō)19世紀(jì)初道爾頓的相對(duì)原子質(zhì)量，也就是把一個(gè)原子的質(zhì)量當(dāng)作基準(zhǔn)值，然后算出其他原子相對(duì)于它的質(zhì)量的比值，算出來(lái)是多少，相對(duì)原子質(zhì)量就是多少。

那么知道了這個(gè)比值，就意味著，我們只要知道其中一個(gè)原子的質(zhì)量，那其他的原子的質(zhì)量都可以算出來(lái)。

還有一個(gè)是法拉第在做電解實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，就測(cè)量出了關(guān)于原子質(zhì)量和電子電荷的比值，這就意味著只要我們能測(cè)出電子的電荷，就能算出某一個(gè)原子的質(zhì)量，那整個(gè)元素周期表中的原子質(zhì)量都可以算出來(lái)。

那關(guān)于原子的體積那就更好算了，因?yàn)槊芏仁俏覀冋莆盏囊粋€(gè)最早的關(guān)于物質(zhì)質(zhì)量和體積的關(guān)系，那我們現(xiàn)在知道了原子的質(zhì)量，它的體積也就算出來(lái)了。

整個(gè)過(guò)程就是這么的簡(jiǎn)單，符合邏輯，但是說(shuō)起來(lái)簡(jiǎn)單做起來(lái)比登天還要難。所以接下來(lái)我想用幾個(gè)視頻的時(shí)間，把這件事從頭到尾說(shuō)清楚，只要你了解了其中的邏輯關(guān)系，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，科學(xué)其實(shí)非常有趣，也不得不佩服科學(xué)家們聰明的頭腦。

好，那今天我們就先說(shuō)鋪墊第一個(gè)問(wèn)題，相對(duì)原子質(zhì)量。

在上世紀(jì)以前，原子是不是真的存在是一個(gè)非常有爭(zhēng)議的話(huà)題，很多人不相信原子存在，比如馬赫和奧斯瓦爾德，他們堅(jiān)持的思想是，原子不能被直接看到，所以假設(shè)它存在就不科學(xué)。

還有一些人就認(rèn)為原子存在，比如麥克斯韋，還有玻爾茲曼，當(dāng)然還有近代原子論鼻祖道爾頓。

它們假設(shè)原子存在是因?yàn)椋@樣的假設(shè)可以解釋很多的現(xiàn)象，比如氣體表現(xiàn)出來(lái)的溫度和壓力，就被麥克斯韋和玻爾茲曼解釋為分子的熱運(yùn)動(dòng)，以及道爾頓最早發(fā)現(xiàn)的元素化合物的倍比關(guān)系，也可以通過(guò)假設(shè)原子的存在給出解釋。

關(guān)于道爾頓的研究，是人們?cè)谒膶?shí)驗(yàn)筆記中看到的，是最早關(guān)于原子相對(duì)質(zhì)量的研究記錄，時(shí)間大約為1802到1804年。

道爾頓在做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候就發(fā)現(xiàn)了這樣一個(gè)現(xiàn)象，把一個(gè)元素和另外一個(gè)元素化合，它們之間總是有確定質(zhì)量比，比如說(shuō)他就發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氫在氧氣中燃燒的時(shí)候，消耗一克氫的同時(shí)，總是會(huì)消耗5.5克的氧，這是當(dāng)年道爾頓的數(shù)據(jù)，可以看出這個(gè)測(cè)量一點(diǎn)都不準(zhǔn)，今天我們知道這個(gè)比例是1：8。

除了氫和氧有這樣的比例關(guān)系以外，其他的元素在化合的時(shí)候也一樣，道爾頓就覺(jué)得這件事比較奇怪，為什么這些比例是固定的，為什么就不能生成含氧多一點(diǎn)，或者少一點(diǎn)的水？

道爾頓最重要的貢獻(xiàn)就是他用原子論的思想解釋了這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，他說(shuō)假如水是由粒子構(gòu)成的， 在水的粒子中有一個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子，這就可以解釋化合物元素固定比例的問(wèn)題了。

他因此也就推斷出了，一個(gè)氧原子的質(zhì)量是氫原子的5.5倍，按照這個(gè)方法道爾頓就以氫原子的質(zhì)量為基準(zhǔn)測(cè)量了一些原子的相對(duì)質(zhì)量，比如氮的相對(duì)原子質(zhì)量是4.2、碳是4.3、硫是14.4，可以看出道爾頓的測(cè)量都是錯(cuò)的。

有兩個(gè)原因，第一個(gè)就是他的測(cè)量誤差太大，第二個(gè)是他不知道化合物的分子式，比如他說(shuō)水是HO，其實(shí)是H?O，那么按照正確的化學(xué)式，算出來(lái)的氧的相對(duì)原子質(zhì)量是11，和今天的近似值16就差的不遠(yuǎn)了。

上圖就給出了一些元素的相對(duì)原子質(zhì)量，可以看出今天的值和道爾頓當(dāng)年測(cè)量的值相差很大，需要注意的是，今天的相對(duì)原子質(zhì)量不在是以氫的原子質(zhì)量為基準(zhǔn)的，而是以碳12原子質(zhì)量的1/12為基準(zhǔn)測(cè)量出來(lái)的。其實(shí)碳12原子質(zhì)量的1/12和氫的原子質(zhì)量非常接近，但還是有0.8%的差別。

所以接下來(lái)的問(wèn)題是，人們是怎樣知道化合物的分子式的？這是精確測(cè)量相對(duì)原子質(zhì)量的關(guān)鍵。

在道爾頓提出相對(duì)原子質(zhì)量沒(méi)過(guò)多久，也就是1808年，法國(guó)人蓋呂薩克就寫(xiě)了一篇論文，文中說(shuō)，兩種氣體元素化合的時(shí)候，除了按一定的質(zhì)量比，還按照一定的體積比化合，比如兩份體積的氫，再加一份體積的氧，就可以化合成兩份體積的水蒸汽。這叫體積組成定律。

到了1811年，阿伏伽德羅就對(duì)這個(gè)定律做出了這樣解釋?zhuān)俣ㄔ谙嗤臏囟群蛪簭?qiáng)下，兩種體積相等的氣體，具有相等數(shù)量的氣體粒子，也就是說(shuō)1升氫氣和一升氧氣的分子數(shù)量是一樣的。

那么根據(jù)這這個(gè)假設(shè)，阿伏伽德羅就推算出了水的化學(xué)式是H?O，因?yàn)?升氫氣會(huì)消耗1升的氧氣，這就說(shuō)明在水的分子中，氫原子的數(shù)量是氧原子數(shù)量的2倍。

還有1升的氮?dú)?/span>會(huì)消耗掉3升的氫氣生成氨氣，這就說(shuō)明在氨分子中氫原子的數(shù)量是氮原子的3倍。所以氨的化學(xué)式就是NH?。

通過(guò)阿伏伽德羅的假設(shè)，我們就能判斷出化合物正確分子式，如果再能準(zhǔn)確測(cè)量出參與反應(yīng)的元素的與生成化合物的質(zhì)量比，那么我們就能確定大部分的原子的相對(duì)原子質(zhì)量了。

相對(duì)原子質(zhì)量知道了，那相對(duì)分子質(zhì)量也就知道了，就是相對(duì)原子質(zhì)量之和，比如水的分子量就是2+16。

這里我們?cè)僬f(shuō)一個(gè)非常重要的單位叫摩爾質(zhì)量，它的定義是，1摩爾就等于分子量的克數(shù)，比如說(shuō)，1摩爾的氫氣是2克，1摩爾的水是18克，也就是分子量是多少，一摩爾就是多少克，這樣的規(guī)定就意味著一摩爾的任何物質(zhì)都有相同的分子或者是原子數(shù)，而這個(gè)數(shù)就叫阿伏伽德羅常數(shù)。后面我們?cè)僬f(shuō)到電解的時(shí)候還會(huì)再提到這個(gè)問(wèn)題。下面我們?cè)僬f(shuō)最后一個(gè)問(wèn)題，相對(duì)原子質(zhì)量為什么不是整數(shù)？先看一個(gè)表。

在表中可以看出，就算以碳12原子質(zhì)量的1/12為基準(zhǔn)，算出的原子相對(duì)質(zhì)量表。就連碳的相對(duì)原子質(zhì)量也不是整數(shù)，而是12.011，為什么會(huì)這樣？

其實(shí)這個(gè)問(wèn)題一開(kāi)始也困擾著科學(xué)家，因?yàn)橛行┰拥南鄬?duì)質(zhì)量它比較接近整數(shù)，給人的感覺(jué)好像是，原子都是由某些整數(shù)倍的基本粒子組成的。你看氫的相對(duì)原子質(zhì)量是1.0079，非常接近1，還有很多的原子的相對(duì)質(zhì)量是這樣的。

我們現(xiàn)在知道這個(gè)猜測(cè)其實(shí)是正確的，原子確實(shí)是由某些整數(shù)倍的基本粒子組成的，我們知道是質(zhì)子和中子。

但是有些原子的相對(duì)原子質(zhì)量就不接近整數(shù)，偏差就比較大，比如氯元素35.45，這就和上面的猜測(cè)出現(xiàn)了矛盾，所以人們就想，我們算出來(lái)的相對(duì)原子質(zhì)量可能不是這個(gè)元素中所有原子的相對(duì)原子質(zhì)量，而是一個(gè)平均值。

其實(shí)這個(gè)猜測(cè)也是正確的，現(xiàn)在我們知道幾乎所有的元素都有好幾種不同形式的原子，它們叫同位素，之所以取這樣的名字是因?yàn)樗鼈兊幕瘜W(xué)性質(zhì)是一樣的，區(qū)別是相對(duì)原子質(zhì)量不同，所以化學(xué)家索迪在1910年就認(rèn)為應(yīng)該把化學(xué)性質(zhì)相同的元素，放在化學(xué)周期表的同一格子里，所以就取名叫同位素。

同位素的發(fā)現(xiàn)主要是因?yàn)槿藗兿劝l(fā)現(xiàn)了元素的放射性，因?yàn)榉派湫钥梢援a(chǎn)生很多元素的變種，比如混在鈾礦石中的鉛元素，人們就發(fā)現(xiàn)這些鉛也具有放射性，但是和普通鉛在化學(xué)性質(zhì)上卻沒(méi)辦法區(qū)分，只是相對(duì)于原子質(zhì)量不同。

隨后人們就在放射性元素中發(fā)現(xiàn)了大量的同位素，就猜測(cè)同位素可能是放射性元素的特例，并不會(huì)出現(xiàn)在普通元素當(dāng)中。

很明顯，這回猜錯(cuò)了！1913年湯姆遜在做陽(yáng)極射線的時(shí)候就發(fā)現(xiàn)，不僅放射性元素具有同位素，普通的輕元素也有同位素，因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)了氖離子的兩種比，一個(gè)是氫的20倍，一個(gè)是氫的22倍，這就說(shuō)明相對(duì)于氫來(lái)說(shuō)，一個(gè)的相對(duì)于原子質(zhì)量是20，一個(gè)是22。

質(zhì)荷

這就說(shuō)明在空氣中，有兩種氖元素，一種原子量是22，一種原子量是20，現(xiàn)在我們知道它們的占比分別是10%和90%。平均原子量算下來(lái)就是20.2。

那么氯元素也是一樣的，它的相對(duì)原子質(zhì)量偏離整數(shù)，主要也是因?yàn)橥凰氐脑颍扔袃煞N同位素一種是35，一種是37，占比分別是77.5%和22.5%，算下來(lái)大約也就是35.45這個(gè)平均相對(duì)原子質(zhì)量了。

那么相對(duì)原子質(zhì)量不等于整數(shù)，除了同位素的原因以外，還有一部分原因是，原子核的核能，其實(shí)原子的質(zhì)量并不嚴(yán)格的等于質(zhì)子和中子的質(zhì)量和，還有它們之間的結(jié)合能，每種原子核的束縛結(jié)構(gòu)不同，蘊(yùn)含的能量也不同，所以在質(zhì)量上就有差異了，這個(gè)我們?cè)诤竺嬷v到原子核的時(shí)候，還會(huì)詳細(xì)的說(shuō)。

好了，那今天的相對(duì)原子質(zhì)量就說(shuō)到這里，下節(jié)課我們說(shuō)法拉第如何在電解實(shí)驗(yàn)中獲得原子質(zhì)量和電荷之比的。