上節(jié)課結(jié)束以后，我們已經(jīng)說完了電子的發(fā)現(xiàn)過程，最后我們就獲得了一個關(guān)于電子非常重要的參數(shù)，荷質(zhì)比。
但是我們這個時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，只要知道其中一個就能算出另外一個。
但這并不是關(guān)鍵的問題，關(guān)鍵的問題是只要我們知道其中一個量，我們就能算出每一個原子的質(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，拿著尺子去量它，我們只能通過間接的手段把它算出來。
方法其實也很簡單，因為在湯姆遜測量電子之前，我們已經(jīng)獲得了兩個重要的關(guān)于原子性質(zhì)的比值；
比如說19世紀(jì)初道爾頓的相對原子質(zhì)量，也就是把一個原子的質(zhì)量當(dāng)作基準(zhǔn)值，然后算出其他原子相對于它的質(zhì)量的比值，算出來是多少，相對原子質(zhì)量就是多少。
那么知道了這個比值，就意味著，我們只要知道其中一個原子的質(zhì)量，那其他的原子的質(zhì)量都可以算出來。
還有一個是法拉第在做電解實驗的時候，就測量出了關(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出電子的電荷，就能算出某一個原子的質(zhì)量，那整個元素周期表中的原子質(zhì)量都可以算出來。
那關(guān)于原子的體積那就更好算了，因為密度是我們掌握的一個最早的關(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了。
整個過程就是這么的簡單，符合邏輯，但是說起來簡單做起來比登天還要難。所以接下來我想用幾個視頻的時間，把這件事從頭到尾說清楚，只要你了解了其中的邏輯關(guān)系，你就會發(fā)現(xiàn)，科學(xué)其實非常有趣，也不得不佩服科學(xué)家們聰明的頭腦。
好，那今天我們就先說鋪墊第一個問題，相對原子質(zhì)量。
在上世紀(jì)以前，原子是不是真的存在是一個非常有爭議的話題，很多人不相信原子存在，比如馬赫和奧斯瓦爾德，他們堅持的思想是，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)原子存在是因為，這樣的假設(shè)可以解釋很多的現(xiàn)象，比如氣體表現(xiàn)出來的溫度和壓力，就被麥克斯韋和玻爾茲曼解釋為分子的熱運動，以及道爾頓最早發(fā)現(xiàn)的元素化合物的倍比關(guān)系，也可以通過假設(shè)原子的存在給出解釋。
關(guān)于道爾頓的研究，是人們在他的實驗筆記中看到的，是最早關(guān)于原子相對質(zhì)量的研究記錄，時間大約為1802到1804年。
道爾頓在做實驗的時候就發(fā)現(xiàn)了這樣一個現(xiàn)象，把一個元素和另外一個元素化合，它們之間總是有確定質(zhì)量比，比如說他就發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氫在氧氣中燃燒的時候，消耗一克氫的同時，總是會消耗5.5克的氧，這是當(dāng)年道爾頓的數(shù)據(jù)，可以看出這個測量一點都不準(zhǔn)，今天我們知道這個比例是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候也一樣，道爾頓就覺得這件事比較奇怪，為什么這些比例是固定的，為什么就不能生成含氧多一點，或者少一點的水？
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實驗結(jié)果，他說假如水是由粒子構(gòu)成的， 在水的粒子中有一個氫原子和一個氧原子，這就可以解釋化合物元素固定比例的問題了。
他因此也就推斷出了，一個氧原子的質(zhì)量是氫原子的5.5倍，按照這個方法道爾頓就以氫原子的質(zhì)量為基準(zhǔn)測量了一些原子的相對質(zhì)量，比如氮的相對原子質(zhì)量是4.2、碳是4.3、硫是14.4，可以看出道爾頓的測量都是錯的。
有兩個原因，第一個就是他的測量誤差太大，第二個是他不知道化合物的分子式，比如他說水是HO，其實是H?O，那么按照正確的化學(xué)式，算出來的氧的相對原子質(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原子質(zhì)量，可以看出今天的值和道爾頓當(dāng)年測量的值相差很大，需要注意的是，今天的相對原子質(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)測量出來的。其實碳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。
所以接下來的問題是，人們是怎樣知道化合物的分子式的？這是精確測量相對原子質(zhì)量的關(guān)鍵。
在道爾頓提出相對原子質(zhì)量沒過多久，也就是1808年，法國人蓋呂薩克就寫了一篇論文，文中說，兩種氣體元素化合的時候，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，阿伏伽德羅就對這個定律做出了這樣解釋，他假定在相同的溫度和壓強下，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)這這個假設(shè)，阿伏伽德羅就推算出了水的化學(xué)式是H?O，因為2升氫氣會消耗1升的氧氣，這就說明在水的分子中，氫原子的數(shù)量是氧原子數(shù)量的2倍。
還有1升的氮氣會消耗掉3升的氫氣生成氨氣，這就說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原子質(zhì)量了。
相對原子質(zhì)量知道了，那相對分子質(zhì)量也就知道了，就是相對原子質(zhì)量之和，比如水的分子量就是2+16。
這里我們再說一個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，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)，而這個數(shù)就叫阿伏伽德羅常數(shù)。后面我們再說到電解的時候還會再提到這個問題。下面我們再說最后一個問題，相對原子質(zhì)量為什么不是整數(shù)？先看一個表。
在表中可以看出，就算以碳12原子質(zhì)量的1/12為基準(zhǔn)，算出的原子相對質(zhì)量表。就連碳的相對原子質(zhì)量也不是整數(shù)，而是12.011，為什么會這樣？
其實這個問題一開始也困擾著科學(xué)家，因為有些原子的相對質(zhì)量它比較接近整數(shù)，給人的感覺好像是，原子都是由某些整數(shù)倍的基本粒子組成的。你看氫的相對原子質(zhì)量是1.0079，非常接近1，還有很多的原子的相對質(zhì)量是這樣的。
我們現(xiàn)在知道這個猜測其實是正確的，原子確實是由某些整數(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，這就和上面的猜測出現(xiàn)了矛盾，所以人們就想，我們算出來的相對原子質(zhì)量可能不是這個元素中所有原子的相對原子質(zhì)量，而是一個平均值。
其實這個猜測也是正確的，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為它們的化學(xué)性質(zhì)是一樣的，區(qū)別是相對原子質(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)主要是因為人們先發(fā)現(xiàn)了元素的放射性，因為放射性可以產(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)上卻沒辦法區(qū)分，只是相對于原子質(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，就猜測同位素可能是放射性元素的特例，并不會出現(xiàn)在普通元素當(dāng)中。
很明顯，這回猜錯了！1913年湯姆遜在做陽極射線的時候就發(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，因為它發(fā)現(xiàn)了氖離子的兩種比，一個是氫的20倍，一個是氫的22倍，這就說明相對于氫來說，一個的相對于原子質(zhì)量是20，一個是22。
質(zhì)荷
這就說明在空氣中，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%。平均原子量算下來就是20.2。
那么氯元素也是一樣的，它的相對原子質(zhì)量偏離整數(shù)，主要也是因為同位素的原因，氯有兩種同位素一種是35，一種是37，占比分別是77.5%和22.5%，算下來大約也就是35.45這個平均相對原子質(zhì)量了。
那么相對原子質(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，蘊含的能量也不同，所以在質(zhì)量上就有差異了，這個我們在后面講到原子核的時候，還會詳細(xì)的說。
好了，那今天的相對原子質(zhì)量就說到這里，下節(jié)課我們說法拉第如何在電解實驗中獲得原子質(zhì)量和電荷之比的。
