气体分子运动论
而阿伏伽德罗的双原子分子理论忽视了50年,气体分子运动论被拒绝了一个多世纪。动力学理论与独立运动的分子gases-namely的机械和热性能,他们压力,体积,温度,粘度,热导电率。三个人,丹尼尔·伯努利在1820年1738年,约翰Herapath,约翰•詹姆斯•沃森在1845 -独立开发的理论。气体分子运动论,像双原子分子理论,是一个简单的物理概念,化学家们忽略的气体的性质的详细解释。
伯努利,瑞士数学家和科学家,研究出第一个定量的数学处理动力学理论于1738年由想象气体组成的一个巨大的粒子数量非常快,混沌运动。他推导出波义耳氏定律通过假设气体压力是由粒子的直接影响在墙上的容器。他理解热量和温度之间的差异,实现热量使气体粒子运动速度和温度仅仅措施倾向从一个身体热量的流动到另一个地方。尽管其准确性,伯努利方程的理论实际上仍未知在18世纪和19世纪早期有几个原因。首先,化学更受欢迎物理科学家们,和伯努利方程的理论数学。第二,牛顿的声誉确保了他的成功更容易为人理解理论,气体原子互相排斥。最后,约瑟夫·黑另一位英国著名科学家开发了热量的理论热的提议,热是一个不可见物质渗透问题。当时,热量可以通过这一事实光似乎是一个有说服力的论据,热量和运动无关。
Herapath,英语业余物理学家被他同时代的人所忽略,在1821年出版了他的版本的动力学理论。他还派生一个经验类似于波义耳定律的关系,但没有正确理解热的作用决定气体的压力和温度。
沃森的努力遇到了同样的命运。沃森是一个苏格兰土木工程师和业余物理学家甚至不能得到他工作发表的科学社区,越来越专业在整个19世纪。然而,沃森首次声明的法律能量均分根据各种粒子有等量的热能。他派生的几乎所有的后果这一事实相关气体施加压力是每立方厘米的分子数,它们的质量,及其均方速度。他推导出动力学理论的基本方程,读取P=N米V2。在这里P体积的气体的压力,N是单位体积内的分子数,米的质量吗分子,V2分子的平均速度的平方。认识到的动能分子是成正比的米V2,热能源气体的温度成正比,沃森表达了法律PV/T=一个常数。
在1850年代末,十年后沃森已经制定法律,科学界终于准备接受一个气体分子运动论。热量由英国物理学家的研究詹姆斯·普雷斯科特焦耳在1840年代曾表明,热是能量的一种形式。这项工作,加上法律的能量守恒他帮助建立了说服科学家抛弃热量的理论1850年代中期。所需的卡路里理论,一种物质包含一定数量的热量(即。,一个假设失重流体)变成热量;然而,实验表明,任何一种物质可以生成的热量通过将足够的能量。因此,没有理由假设这样一个特殊的流体作为热量。
起初,卡路里理论的崩溃后,物理学家没有来取代它。然而,焦耳发现Herapath动能理论和用它1851年计算的速度氢分子。然后德国物理学家鲁道夫·克劳修斯在1857年开发了动力学理论数学,科学世界的注意。克劳修斯和另外两个物理学家,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦和路德维格·爱德华·玻尔兹曼(他在1860年代开发了气体分子运动论),介绍了复杂的数学物理牛顿以来的第一次。在他1860年的论文《插图的气体动力学理论,“麦克斯韦使用概率论他著名的生产分布函数对气体分子的速度。运用牛顿定律力学,他还为阿伏伽德罗常数提供了数学基础理论。麦克斯韦,克劳修斯,波尔兹曼认为气体粒子是在不断地运动,他们与他们的空间相比微不足道,但,他们的交互非常短暂。然后他们相关的运动粒子的压力,体积,和温度。有趣的是,所有的三个承诺自己在粒子的性质。
研究原子的性质
原子的大小
第一个现代大小的估计,原子和原子的数量在一个给定的体积是由德国化学家约瑟夫·洛施密特在1865年。洛施密特用分子运动论的结果和一些粗略估计他的计算。原子的大小和它们之间的距离的气态都相关收缩天然气液化和平均自由程通过在气体分子。平均自由程,反过来,可以从热导率和找到扩散利率在气。洛施密特计算原子和原子之间的间距的大小由这些关系共同寻找解决方案。他的结果阿伏伽德罗常数非常接近接受现值约为6.022×1023。阿伏伽德罗常数的精确定义是12克的原子的数量碳同位素技术。洛施密特的结果为一个原子的直径大约是10−8厘米。
很久以后,1908年,法国物理学家琼佩兰使用布朗运动确定阿伏伽德罗常数。布朗运动,在1827年第一次观察到苏格兰植物学家罗伯特•布朗的连续运动的微小粒子悬浮在水。他们的运动是由水分子碰撞粒子的热运动。佩兰的观点来决定阿伏伽德罗常数进行了类比粒子之间的液体和分子的大气。空气在高海拔地区的稀疏取决于重力之间的平衡力拉下分子热运动迫使他们了。粒子的重量之间的关系和大气的高度将是相同的布朗粒子悬浮在水中。佩兰计算粒子胶胶粘剂在不同高度的水样和推断出原子的质量减少的速率。然后将结果分成原子的摩尔量来确定阿伏伽德罗常数。佩兰之后,很少有科学家怀疑原子的存在。
原子的电特性
而原子理论阻碍了失败的科学家接受简单的物理思想的双原子分子气体分子运动论,也推迟了物理学家的关注与力学近200年,从牛顿到20世纪。然而,19世纪的几位调查人员之后,相对忽视的领域的工作电,磁性,光学提供重要线索的内部原子。的研究电动力学由英国物理学家迈克尔·法拉第和麦克斯韦首次表示,除了存在的东西明显的事,和数据获得的古斯塔夫·罗伯特·基尔霍夫德国的元素谱线提出质疑,只能在20世纪的回答量子力学。
直到法拉第电解实验中,科学家们没有概念自然的力量在一个分子结合原子聚集在一起。法拉第得出结论,电子部队存在分子内后他已经产生了电流和一个化学反应在溶液的电极电流的细胞。无论他使用什么解决方案或电极材料,固定数量的电流通过电解液总是引起特定数量的材料形成的一个电极电解池。法拉第的结论是,每个离子一个给定的化合物是一样的负责。后来他发现离子费用积分一个单位的倍数,没有分数。
在实践层面上,法拉第对道尔顿的所作所为收取原子质量的化学结合。也就是说,法拉第证明需要一定数量的费用转换离子的一个元素的一个原子元素,电荷的数量取决于所使用的元素。的单位电荷释放一个克当量重量的一个简单的离子称为法拉第在他的荣誉。例如,一个法拉第电荷通过水释放一克氢和8克氧气。通过这种方式,法拉第给科学家一个相当精确的值的比值原子的电荷离子的质量。氢原子的质量之比的电子被发现是1.035×10−8千克每库仑。法拉第的大小不知道他在单位如库仑电解单元比道尔顿知道他单位的大小原子量在g。然而,科学家们能够容易地确定这些单位的比例。
更重要的是,法拉第的研究是第一个显示的电性质物质和亚原子粒子的存在和一个基本单位。法拉第写道:
物质的原子都以某种方式赋予或与电相关的权力,他们欠他们的最引人注目的品质,他们之间相互的化学亲和力。
然而,法拉第不认为原子导致电力。
光和谱线
1865年麦克斯韦电和磁的统一法律出版”动力电磁场理论。”在这篇文章中他总结道,光是一个电磁波。他的理论被证实由德国物理学家海因里希。赫兹,他生产的无线电波1887年的火花。与光理解为一种电磁波,麦克斯韦理论可以应用于原子发出的光。然而,失败了,理论来描述谱线事实上,原子不会失去他们所有的能量辐射光。光的问题不是麦克斯韦理论本身,而是以其振荡的描述电子电流产生光。只有量子力学可以解释这种行为(见下文量子力学定律)。
迄今为止最富有的原子的结构线索谱线系列。安装一个特别好棱镜在一个望远镜,德国物理学家和眼镜商约瑟夫•冯•弗劳恩霍夫发现了在1814年和1824年之间数以百计的黑色线的谱太阳。他把这些线的最突出的字母A到g .他们现在叫夫琅和费谱线。一代之后基尔霍夫加热不同元素炽热,以研究不同颜色的蒸气发出。观察蒸汽通过分光镜,他发现每个元素都有一个独特的和特征谱线的模式。每个元素产生相同的标识线,即使它是化学与其他元素结合起来。1859年,基尔霍夫和德国化学家罗伯特·威廉本生发现两种新元素铯和铷——首先观察他们的谱线。
约翰·雅各布·巴尔末瑞士中学老师酷爱数字命理学,研究氢的谱线,发现一个常数之间的关系波长四元素的可见的行。1885年,他出版了一本广义数学公式对所有的氢。瑞典物理学家约翰内斯·里德伯扩展巴尔莫1890年的工作,发现一个一般规则适用于许多元素。很快就更多系列被发现在氢原子光谱和光谱的其他元素。所述的频率的光而不是它的波长公式表示:
