元素原子量的測(cè)定者 Theodore William Richards 1868-1928 里查茲是美國(guó)著名的化學(xué)家。他一生在化學(xué)發(fā)展中的主要貢獻(xiàn)是重新精確地測(cè)定了元素原子量。由于這項(xiàng)工作，他榮獲了1914年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。"他是獲得這種榮譽(yù)的第一位美國(guó)化學(xué)家，因而在美國(guó)享有根高的聲望。" 科學(xué)的背景 道爾頓在他的原子論中明確指出：每一種元素以其原子的質(zhì)量為其最基本的特征。在19世紀(jì)上半葉，許多化學(xué)家都投入原子量的測(cè)定工作，他們把它當(dāng)作化學(xué)發(fā)展中的一項(xiàng)重點(diǎn)"基本建設(shè)"。
在從事測(cè)定原子量工作的化學(xué)家中，瑞典化學(xué)家貝采里烏斯的工作是最突出的；在1310一1830年的大約20年問(wèn)，在簡(jiǎn)陋的實(shí)驗(yàn)室中，他對(duì)大約2千多種單質(zhì)和化合物進(jìn)行了準(zhǔn)確的分析，為計(jì)算原子量提供了豐富的實(shí)驗(yàn)資料。鑒于氧化物的廣泛存在，貝采里烏斯決定把氧的原子量作為基準(zhǔn)，規(guī)定它的原子量為100。1814年他發(fā)表了列出41種元素的原子量表， 1818年被列入的元素增加到47種。由于貝采里烏斯沒(méi)有理解和接受阿佛加德羅的分子理論，致使他假設(shè)的一些氧化物的化學(xué)式出現(xiàn)錯(cuò)誤，因此很多元素的原子量都有誤差，有的甚至高出一倍或幾倍。1819年法國(guó)科學(xué)家杜隆和培蒂發(fā)現(xiàn)的原子熱容定律， 1819年貝采里烏斯的德國(guó)學(xué)生米希爾里希發(fā)現(xiàn)的同晶定律，都曾被用來(lái)修正貝采里烏斯的原子量表。盡管貝采里烏斯這樣一些有豐富經(jīng)驗(yàn)的化學(xué)家作了很大的努力，不承認(rèn)分子理論所造成的原子量的測(cè)定上和化學(xué)式的表示上的混亂仍然無(wú)法消除，貝采里烏斯的原子量系統(tǒng)在1830一1840年間還遭到了懷疑原子學(xué)說(shuō)的科學(xué)家的多方攻擊。
1860年在德國(guó)卡爾斯魯厄的國(guó)際化學(xué)家會(huì)議上，康尼查羅的工作終于使原子--分子論得以確立。消除了化學(xué)理論上的許多疑問(wèn)和爭(zhēng)論，混亂的局面得以改善，原子量的測(cè)定工作也取得了較大的發(fā)展。不僅絕大多數(shù)元素的原子量能準(zhǔn)確地測(cè)定出來(lái)，而且精確度也有較大提高。其中以比利時(shí)化學(xué)家斯塔的工作最為出色。他首先想方設(shè)法制備出最純狀態(tài)的化合物，通過(guò)分析和合成，確定元素的化合比，然后再推算出原子量。他材定了測(cè)定原子量的非常準(zhǔn)確的方法，大量的實(shí)驗(yàn)資料使他確定的原子量在精確性上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了前輩和當(dāng)時(shí)的其他化學(xué)家，他的原子量測(cè)定值一直被人們認(rèn)為是最準(zhǔn)確的，以至于直到1903年沒(méi)有一個(gè)化學(xué)家對(duì)這些原子量提出過(guò)懷疑，更沒(méi)有人試圖用新的實(shí)驗(yàn)方法去檢驗(yàn)它。在20世紀(jì)，第一個(gè)敢于對(duì)斯塔的原子量系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)定和修正的是美國(guó)年輕的化學(xué)家里查茲。 原子量的修正 偉大的物理學(xué)家愛(ài)因斯坦曾明確他說(shuō)："提出一個(gè)問(wèn)題往往比解決一個(gè)問(wèn)題更重要，因?yàn)榻鉀Q問(wèn)題也許僅是一個(gè)數(shù)學(xué)上或?qū)嶒?yàn)上的技能而已，而提出新的問(wèn)題、新的可能性，從新的角度去看舊的問(wèn)題，卻需要有創(chuàng)造性的想象力，而且標(biāo)志著科學(xué)的真正進(jìn)步。"發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題在學(xué)習(xí)和科學(xué)研究中是很重要的。
1887年，不滿(mǎn)20歲的里查茲從哈佛大學(xué)畢業(yè)。他來(lái)到他家的老朋友、哈佛大學(xué)化學(xué)教授庫(kù)克所領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室從事化學(xué)研究。他選擇的第一個(gè)課題是驗(yàn)證普勞特假說(shuō)。所謂普勞特假說(shuō)即是1815年由英國(guó)醫(yī)生普勞特提出來(lái)的，認(rèn)為所有元素的原子量均為氫原子量的整數(shù)倍，氫是原始物質(zhì)。眾多的實(shí)驗(yàn)事實(shí)表明許多元素的原子量并非氫原子量的整數(shù)倍，因而化學(xué)家們都沒(méi)有接受這一假說(shuō)。當(dāng)門(mén)捷列夫發(fā)現(xiàn)了元素周期律后，它所揭示的元素之間存在的內(nèi)在聯(lián)系又使化學(xué)家們感到各種不同元素的原子可能存在某種共同的東西，它們可能來(lái)自同一根源或者由同一基本物質(zhì)單位所組成。這一思潮再次使普勞特假說(shuō)受到重視。斯塔最初幾乎完全相信普勞特假說(shuō)是正確的，但是通過(guò)精確測(cè)定卻表明原子量實(shí)際上并非整數(shù)，其中有些偏差相當(dāng)大，例如C1＝35．46。于是斯塔得出給論：普勞特假說(shuō)只不過(guò)是一種假想，是一種肯定與實(shí)驗(yàn)矛盾的純粹假想。
19世紀(jì)末，調(diào)射線、放射性和電子的發(fā)現(xiàn)，揭開(kāi)了物理學(xué)革命的序幕，也使許多科學(xué)家開(kāi)始悟到原子是可分的，原子存在著復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在這種情況下，里查茲?rùn)z驗(yàn)普勞特假說(shuō)是有特殊意義的。為了測(cè)得氫和氧的相對(duì)重量，首先要精確地測(cè)定水的成分。經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，他得到的氫和氧的原子量比例為1：15．96，再次證明普勞特假說(shuō)不能成立。
在精確地測(cè)定氫和氧的原子量比值之后，里查茲致力于幾種金屬元素原子量的測(cè)定。在這些實(shí)驗(yàn)中，他有三點(diǎn)收獲。他從不同地方得到的銅，它們具有完全相同的原子量，說(shuō)明各地的銅都具有相同的性質(zhì)。他測(cè)定了鐳和鎳的原子量，雖然在周期表中鉆排在鎳的前面，但鉆的原子量確實(shí)大于鎳。再次證實(shí)周期表中確實(shí)存在這一個(gè)疑問(wèn)。第二點(diǎn)收獲是他大大地改進(jìn)了重量法測(cè)定原子量的技術(shù)。具體他說(shuō)就是他發(fā)展了兩種重要的實(shí)驗(yàn)方法，一是設(shè)計(jì)了一種裝置，可以用它變換所稱(chēng)量的樣品而又避免樣品與潮濕的空氣接觸；另一方法是研制出散射濁度計(jì)，用這種儀器可以測(cè)量或比較懸浮體的散射光，由此計(jì)算出試樣溶液的沉淀量。里查茲的第三個(gè)收獲，也是他最大的收獲是根據(jù)他的測(cè)量，1903年已察覺(jué)到斯塔的原子量數(shù)值并非像以前設(shè)想的那么精確。里查茲的大部分化學(xué)分析都是利用了鹵化銀將某一金屬元素變成鹵鹽沉淀下來(lái)而進(jìn)行的。1904年，通過(guò)他和他的學(xué)生對(duì)鹵化銀的反復(fù)測(cè)定，證明銀的原子量是107．87，而不是斯塔的107。93。致1905年，他進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了斯塔的經(jīng)典研究中的一系列錯(cuò)誤，同時(shí)也找到了斯塔研究中的錯(cuò)誤根源。
斯塔的錯(cuò)誤在于兩個(gè)方面。斯塔名義上取氧的原子量＝16．00為標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際上他的測(cè)定值大多數(shù)是基于銀的原子量，所以銀的原子量的微小偏差也必然對(duì)其它元素原子量數(shù)值產(chǎn)生影響。另一方面，斯塔在測(cè)定中，還忽略了一些微小卻又重要的因素，例如氯化銀的溶解性，這又影響了原子量數(shù)值的精確度。在找到斯塔測(cè)定工作的錯(cuò)誤后，里查茲領(lǐng)導(dǎo)著一個(gè)小組開(kāi)始重新測(cè)定一些主要元素的原子量，例如氮、氯、鈉、鉀等25種元素。里查茲的工作使那些已公認(rèn)的原子量得到了有意義的修正、雖然這些修正在數(shù)值上并不大，但是在化學(xué)研究中卻是不可忽視的。里查茲的學(xué)生也修正了其他30多種元素的原子量。
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