【中英双语】物质之谜—寻找元素（共三集）
- 定义
- 元素
- 日常生活中表示一个事物的组成部分
- 原子构成一般物质的最小单位，称为元素
- 分子（化学术语）
- 由组成的原子按照一定的键合顺序和空间排列而结合在一起的整体，这种键合顺序和空间排列关系称为分子结构。由于分子内原子间的相互作用
- 原子（atom）
- 定化学反应不可再分的基本微粒
- 万物皆由原子构成
- 构成：原子由原子核和绕核运动的电子组成。
- 原子在化学反应中不可分割，但在物理状态中可以分割。
- 已知的元素有118种
- 古代原子论发展：
- 古代原子论 哲学论：世界由很小的原子组成
- 古希腊留基伯，讨论人与自然的关系
- 中国墨子，讨论人与人的关系
- 印度大雄，讨论人与神的关系
- 炼金术近代化学的雏形
- 炼金术目的：点石成金，或炼制丹药
- 近代原子学说
- 燃素说
- 德国医生斯塔尔提出，认为物质在空气中燃烧是物质失去燃素，空气得到燃素的过程
- *燃素指火元素，亚里士多德将元素分为：水、气、火、土
- 但是燃素说始终难以解释金属燃烧之后变重这个问题
- 约瑟夫·普里斯特利
- 1733～1804，英国人
- 发现氧元素
- 1774年，他用大凸透镜，把阳光聚焦起来，加热氧化汞,用排水集气法收集产生的气
- 他发现这种气体对蜡烛有助燃作用
- 安托万-洛朗·拉瓦锡
- 1743年8月26日～1794年5月8日，法国人，现代化学之父，发现质量守恒定律
- 氧化学说：燃烧的本质是物体与氧的化合
- 钟罩实验
- 拉瓦锡把少量的汞（水银）放在密闭的容器里，连续加热达十二天之久，结果发现有一部分银白色的液态汞变成了红色的粉末，同时容器里的空气的体积差不多减少了五分之一。拉瓦锡研究了剩余的那部分空气，发现这部分空气既不能供给人类及动物呼吸来维持人类及动物的生命，也不能支持可燃物的燃烧，他误认为这些气体都是氮气（拉丁文原意是“不能维持生命”）。拉瓦锡再把汞表面上所生成的红色粉末（现已证明是氧化汞）收集起来，放在另一个较小的容器里经过强热后，得到了汞和氧气，而且氧气的体积恰好等于原来密闭容器里所减少的空气的那部分体积。
- 彻底推翻了燃素说
- 质量守恒定律 拉瓦锡称为：物质不灭定律
- 物理化学定律）一般指物质守恒定律（自然界的基本定律之一）
- 在任何与周围隔绝的物质系统（孤立系统）中，不论发生何种变化或过程，其总质量保持不变
- 提出化学命名法
- 1789年初版《化学基本论述》
- 亨利·卡文迪什
- 1731年10月10日～1810年2月24日，英国人
- 发现氢元素
- 卡文迪什在一次实验中，将铁片放入掉入盐酸中，发现盐酸溶液产生气体
- 收集这种气体发现，不能使蜡烛助燃，也不能帮助动物呼吸
- 与空气混合后点燃会发生爆炸；与氧气化合生成水。
- 拉瓦锡将这种气体命名为Hydrogen，意思能产生水
- 汉弗里·戴维
- 1778年12月17日～1829年5月29日，英国人
- 气体实验
- 自己吸入一氧化二氮（笑气），以证明它的刺激性麻醉效果
- 利用电解法发现新元素
- 电解法是利用直流电进行氧化还原反应的方法，原理是电流通过物质而引起化学变化，该化学变化是物质失去或获得电子（氧化或还原）的过程
- 1800年意大利物理学家伏特，发明了世界上第一块电池，当时称作“电堆”。他把金属条浸入强酸溶液中时，他发现在两个金属条间产生了稳定而又强劲的电流。他又用不同的金属进行实验，发现铜和锌是最合适的金属，并发明了伏特电池，而伏特电池即为原电池的原型
- 1800年英国的威廉·尼科尔森和卡里斯尔采用伏特电池电解水获得成功，分解出氢气，氧气
- 电既然能分解水，那么对于盐溶液、固体化合物会产生什么作用呢？他开始研究各种物质的电解作用
- 光谱分析法（用光谱仪用于鉴定新元素）
- 定义：光谱分析法是根据物质的光谱来鉴别物质及确定其化学组成和相对含量的方法
- 光谱
- 定义：光经过色散系统（如棱镜）后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列的图案，全称为光学频谱
- 光谱的起源：1666年牛顿次进行了三棱镜实验。他在暗室中引入一束太阳光，让它通过三棱镜投射到墙上，在墙上形成了红、橙、黄、绿、兰、靛、紫七种颜色的光
- 分光镜、夫琅禾费线：夫琅禾费（约瑟夫·冯·夫琅和费 1787-1826年 德国人）改进牛顿三棱镜实验，让太阳光通过一条窄缝（平行光管），再通过三棱镜，通过凸透镜做了一个窥管观察光谱，发现太阳光谱中有许多黑线,他用字母A、B、C、D、E、F、G把其中最主要的线标上了代号。观察的仪器就是分光镜，黑线为夫琅禾费线
- 现在物理学课分光镜
- 夫琅禾费线
- 光谱仪
- 罗伯特·威廉·本生和古斯塔夫·罗伯特·基尔霍夫
- 本生1811～1899德国人，古斯塔夫·罗伯特·基尔霍夫1824年3月12日～1887年10月17日德国人
- 本生灯
- 定义：煤气为燃料的加热器具，燃烧效率高，可以调节火焰的大小和温度，产生污染小现在实验室还在使用
- 1854年，汉堡市开办了煤气工厂
- 在本生灯发明前，所用煤气灯的火焰很明亮，但温度不高，还燃黑烟，是因煤气燃烧不完全造成的
- 本生将其改进为喷嘴下面开一个小孔，先让煤气和空气在灯内充分混合，从而使煤气燃烧完全，得到无颜色高温火焰
- 在本生灯无色火焰的灼烧下，金属及其盐类能产生各种特征颜色，即发生焰色反应，本生经常用这种分析方法来鉴别各种金属
- 光谱仪的由来
- 光谱仪
- 本生和基尔霍夫将氯化钠放在本生灯的火焰上时，分光镜中出现了两条黄色的谱线，实验各种钠盐都是黄色谱线；
- 接着实验了钾盐、锂盐、锶盐，谱线的颜色分别是紫色、红色、蓝色
- 钠盐的黄色谱线正对夫琅禾费线D的位置，进一步证明了，太阳有钠元素。
- 约翰·道尔顿
- 1766年9月6日～1844年7月27日，英国人
- 原子论
- 1803年，他继承古希腊朴素原子论和牛顿微粒说，提出原子论
- 化学元素由不可分的微粒——原子构成，他认为原子在一切化学变化中是不可再分的最小单位。
- 同种元素的原子性质和质量都相同，不同元素原子的性质和质量各不相同，原子质量是元素基本特征之一。
- 不同元素化合时，原子以简单整数比结合。推导并用实验证明倍比定律。如果一种元素的质量固定时，那么另一元素在各种化合物中的质量一定成简单整数比。
- 测定相对原子量
- 测定方法：道尔顿假设，原子在组成化合物时，原子总是以最简单的形式化合，即最简原则
- 当两种元素A和B只知道有一种化合物时，就假定它是二元化合物AB;
- 如果有两种化合物存在，就假定它们是二元化合物AB（A+B）和三元化合物AB2（A+2B）或A2B（2A+B）。
- 如果观察到有三种化合物，就假定一种是二元化合物AB（A+B），另外两种是三元化合物AB2（A+2B）和A2B（2A+B）。
- 余此类推……，这样一来，水是HO，氨是NH。
- 将最轻的氢元素原子量定为 1，之后发表第一张原子量表
- 化学性质和原子量
- 化学性质
- 定义：物质在化学变化中表现出来的性质。如所属物质类别的化学通性：酸性、碱性、氧化性、还原性、热稳定性及一些其它特性。化学性质与化学变化是任何物质所固有的特性，如氧气这一物质，具有助燃性为其化学性质
- 化学家很早就发现某些元素彼此相似，就像家庭成员一样，它们常常和相同的物质产生类似的反映
- 德贝赖纳，1780年12月 13日～1849年3月24日，德国人
- 德贝赖纳发现有几个相似的元素组：①锂、钠、钾。②钙、锶、钡。③氯、溴、碘。④硫、硒、碲。⑤锰、铬、铁。同组元素的性质相似，中间元素的化学性质介于前后两个元素之间，它的原子量也差不多是前后两个元素的平均值
- 八音律表
- 纽兰兹，1837～1898，英国人，从小受母亲的影响爱好音乐
- 1865年，纽兰兹把当时已知的62种元素按相对原子质量由小到大的顺序排列，发现从任意一种元素算起，每当排列到第八种元素时就会出现性质跟第一个元素相似的情况，犹如八度音阶一样，他把这个规律叫做"八音律"。
- 德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫
- 1834年2月7日～1907年2月2日，俄国人
- 门捷列夫元素周期表
- 门捷列夫基于前人化学性质和原子量关系的研究，按照他经常玩的将花色和数字排列好的扑克游戏，两种递增顺序构建二维空间，一边是原子量的增加，一边是元素化学性质之间的关系，将当时63种元素排列制作元素周期表
- 1869年，他发表了第一张元素周期表，同年3月，他委托N.A.缅舒特金在俄罗斯化学会上宣读了论文“元素属性和原子量的关系”，阐述了周期律的基本要点：
- 将元素按照原子量大小顺序排列起来，在性质上呈现明显的周期性。
- 原子量的大小决定元素的特性。
- 应该预料到许多未知元素的被发现。
- 当知道了某元素的同类元素后，有时可以修正该元素的原子量。
- 天然放射性的发现
- 安东尼·亨利·贝克勒尔，1852～1908年，法国人
- 1896年3月，贝克勒尔发现，将双氧铀硫酸钾盐包在黑纸中也能再在照片底片上形成图像。
- 天然放射性的发现打开了微观世界的大门，为原子核物理学和粒子物理学的诞生和发展奠定了实验基础。
- 玛丽·居里
- 1867年11月7日～1934年7月4日，波兰人，丈夫皮埃尔·居里，1859年5月15日～1906年4月19日，法国人
- 放射线
- 玛丽选择继续研究贝克勒尔的发现。一是因为当时研究这个项目的人很少，二是因为这种射线用很小的电量能让空气导电，玛丽和丈夫正好有测量微电流的工具，石英晶体压电秤
- 压电效应
- 皮埃尔与他哥哥雅克·保罗。他们俩人共同发现了一些晶体在某一特定方向上受压时，在它们的表面上会出现正或负电荷，这些电荷与压力的大小成正比，而当压力排除之后电荷也消失。
- 定义：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。
- 放射线实验过程
- 玛丽用石英晶体的压电效应，测量空气电离产生的电离电流，对放射性的强度进行定性测量，获得了大量精确的数据。
- 玛丽找来各种矿石和化学物品做试验。到1898年，她得到初步结论：绝大多数材料的电离电流都比较小，但沥青铀矿石、氧化钍和辉铜矿石(内含磷酸铀)会产生很强的电离电流
- 发现钍也是一种放射性元素
- 发现沥青铀矿石和辉铜矿石比纯铀的活性还强得多。于是玛丽认为，这些矿石中可能含有比铀活泼得多的元素。
- 钋、镭元素的发现
- 沥青矿化学实验，打碎矿石，依靠各种离方法将沥青矿分解成不同的化学元素，剔除掉不能放射的物质，发现沥青矿中两种放射性元素，率先发现的一种，用玛丽祖国的名字命名为钋
- 从沥青矿中分解出的钡盐比钋还强，化学性质却完全不同的一种放射物质
- 历经4年，居里夫妇从八吨矿渣中提取出了0.1克的纯净新元素，他们把它命名为镭(Radium)。
- 发光的元素
- 玛丽在未开灯的漆黑房间，看到镭元素在发光
- 放射性是原子本身不稳定的标志，
- 当时科学家认为原子不可分，是构成物质的最小单位，但是如果放射性是原子分裂产生，那原子里肯定还有更小的部分
- 原子的构成
- 约瑟夫·约翰·汤姆逊
- 1856年12月18日～1940年8月30日，英国人
- 阴极射线实验 电子的发现
- 1897年，英国剑桥大学卡文迪许实验室的约瑟夫·约翰·汤姆森重做了赫兹的实验。使用真空度更高的真空管和更强的电场，他观察出负极射线的偏转，并计算出负级射线粒子（电子）的质量-电荷比例
- 电子：是最早发现的基本粒子，是电量的最小单元
- 欧内斯特·卢瑟福
- 1871年8月30日～1937年10月19日，英国人，原子核物理学之父
- JJ汤姆森提出了微小的带负电荷的电子，但是同时有两个问题
- 原子是中性的，意味着原子本身带正电荷来抵消负电荷
- 电子比原子小很多，那电子分布在哪里？
- α粒子散射实验，提出原子核式结构模型，质子的发现
- 镭元素衰变会释放出带正电的阿尔法粒子，卢瑟福将一束阿尔法粒子瞄准一块超薄金箔，大多数时候阿尔法粒子会直接穿过去，但有些粒子会反弹回来
- 这意味着原子大部分是空心的，但其中心密度极大，极为坚硬，如果原子的正电荷和它的大幅部分质量都集中在这个很小的中央核心，原子会让大部分粒子直接穿过，但会排斥任何靠近中心的正电荷
- 质子：原子中带正电的粒子
- 马克斯·普朗克
- 1858年～1947年，德国人，量子力学的奠基人之一
- 量子理论
- 在19世纪末和20世纪初，人们在研究的光谱时发现，原子发出或吸收光的频率和能量是离散的，而不是连续的，这被称为光谱线。这些光谱线的出现说明了原子内部存在着不同的能级，而电子在这些能级之间跃迁时会吸收或放出特定频率的光子，从而产生特定的光谱线。这个现象的出现，意味着原子内部结构存在离散的能量状态，而不是连续的。
- 定义：能量是由一系列离散的量子组成的，而非连续的。这些能量量子的大小与频率成正比
- 尼尔斯·玻尔
- 1885年10月7日～1962年11月18日，丹麦人
- 玻尔原子模型
- 根据普朗克的量子理论，原子内的电子只能在特定的能级上存在，每个能级对应着一个特定的能量。当一个电子从一个能级跃迁到另一个能级时，会发射或吸收一个量子的电磁辐射（即光子），其频率与跃迁前后的能级差值有关。
- 玻尔将马克斯·普朗克所提出的量子理论运用于卢瑟福所提出的模型，构建了具有突破性的玻尔模型
- 玻尔原子模型假设：原子由一个核和若干个电子组成，电子绕核运动并只存在于特定的轨道上，这些轨道对应着不同的能量级别。当电子从一个能级跃迁到另一个能级时，会吸收或发射一个能量与频率成正比的光子，从而产生特定的光谱线。
- 明确了原子外层的电子的运动特点，并提出每种元素化学性质在很大程度上取决于外层电子的数量
- 威廉·康拉德·伦琴
- 1845年3月27日～1923年2月10日，德国人
- 1895伦琴发现X射线
- X射线，是一种频率极高，波长极短、能量很大的电磁波。
- X射线同光一样，有散射和折射现象，但是最终的图像不是彩虹，而是在照片上形成了对称的斑点图案
- 亨利·格温·杰弗里·莫塞莱
- 1887年11月23日～1915年8月10日，英国人
- X射线晶体衍射实验
- 莫塞莱将X射线射向化学元素（大部分是金属），并将衍射图案投影到荧屏或照相底片上，然后对衍射图案进行测量和分析
- 莫斯利在研究X射线谱时，发现不同元素的K谱线有着规律的位移，这些斑点的位置和强度取决于晶体的结构和原子的排列方式，因此可以用来研究物质的结构和组成。
- 这个实验可以真正区分不同的元素并把他们按恰当的顺序排列
- 为元素周期表的进一步发展提供了重要的指导。
- 原子序数：
- 根据衍射图案的规律，莫斯利发现了原子序数的概念，即元素的化学性质与其原子核中正电荷数（即质子数）有关
- 定义：元素原子核中质子的数量，它决定了元素在元素周期表中的位置，也是元素的一个基本特征
- 现代元素周期表就是按原子序数排列
- 莫斯利定律：即元素的X射线谱线位移的平方根与其原子序数成正比
- X射线光谱仪的应用
- 亨利·莫斯莱正是利用X射线光谱仪，发现了多种新元素，包括锶、钡和铯等，他的发现极大地推动了化学元素的研究和周期表的发展。
- 在光谱分析法的改进基础上，X射线光谱仪增加了新元素的鉴定作用
- 元素周期表
- 定义：根据元素原子核电荷数从小至大排序的化学元素列表
- 周期：把电子层数相同的元素，按原子序数递增的顺序从左到右排成横行，这样每个横行为一个周期。 现在使用的元素周期表有7个周期
- 族：每个族中元素都有相同数量的最外层电子，这些元素的原子结构和化学行为相似
- 元素周期律是自然科学的基本规律，也是无机化学的基础。
- 创造新元素
- 中子的发现
- 詹姆斯·查德威克 1891年10月20日～1974年7月24日 英国人
- 查德威克于1932年发现。在那个时期，科学家们已经知道原子由带正电荷的质子和带负电荷的电子组成，但他们认为原子核只包含质子。
- 查德威克在进行实验时，将查德威管（或称作粒子室）这个装置中充满了氢气，并在中央设置了一个细小的金属箔。他使用一个放射源产生α粒子束，并将其射向氢气气体中的金属箔。在这个过程中，一些α粒子会与氢原子核相互作用，从而发生碰撞。通过观察碰撞产生的轨迹，查德威发现一些碰撞产生的轨迹比质子更弯曲，这表明有一些粒子在碰撞过程中受到了额外的力，而这种力可能来自于一个未知的、带有质量的粒子。因此，查德威认为，这种带有质量的粒子就是中子。
- 定义：中子是构成原子核的一种基本粒子，它不带电，具有与质子相近的质量，因此在原子核中起到维持核的结构和稳定性的作用
- *电子、质子、中子质量的测量
- 电子质量：汤姆逊通过阴极实验，测量电子的弯曲轨迹和偏转量，使用磁场对电子进行偏转和定向，计算出了电子的电荷质比即电子带有的电荷和质量之比
- 质子质量：
- 卢瑟福的金箔散射实验提供了质子的质量估计值，通过对实验数据的分析，卢瑟福提出了"卢瑟福散射公式"，该公式描述了α粒子和原子核的散射角度与核电荷的关系。
- 根据经典力学，可以得到α粒子和质子之间的库仑力，即电荷之间的作用力。然后，通过观察α粒子在金箔上的散射角度，可以确定核的尺寸和电荷。最后，将库仑力和核尺寸代入卢瑟福散射公式，即可计算质子的质量。
- 卢瑟福估算出质子的质量大约是电子的2000倍
- 中子质量：根据中子散射实验和能量动量守恒，计算出质子质量的略微大约1%左右
- 中子的作用：在核物理和宇宙学中有重要作用
- 原子的分裂——核裂变
- 定义：核裂变是指一个原子核被撞击或吸收中子后，分裂成两个或更多的轻核的过程。
- 在核裂变过程中，一些质量被转化为能量，这种能量称为核能。
- 发现
- 中子被发现后，科学家很快意识到，中子是比电子更好的轰击原子核的粒子，因为中子不带电，当中子靠近原子核时不会被排斥 ，直接进入原子核内部
- 奥托·哈恩（ 1879～1968） 德国人
- 1938年，哈恩与弗里茨·斯特拉斯曼，他们用一种中子来轰击铀核时，发现：反应不仅迅速强烈、释放出很高的能量，而且铀核分裂成为一些原子序数小得多的、更轻的物质成分
- *核裂变反应放出大量能量的原理
- 质量缺失原理（mass deficit principle）。在核裂变反应中，原子核被撞击后会分裂成两个较小的核，这两个核的质量之和比原来的核的质量要小。这个质量的差异以能量的形式释放出来，即质能转化为动能和热能，导致反应释放出大量的能量。
- 作用
- 证实了爱因斯坦著名的质能方程 E=mc²，即质量和能量之间存在着等价关系，核裂变释放的能量极其巨大，说明了能量可以从原子核中释放出来。
- 开启了人类利用核能的时代，对能源的发展和利用带来了重大的影响。
- 核裂变是宇宙中能量转换和物质转换的重要过程，核裂变的发现深刻地影响了宇宙学的发展。
- 回旋加速器
- 它是利用磁场和电场共同使带电粒子作回旋运动，在运动中经高频电场反复加速的装置。
- 工作原理
- 恩利克·费米
- 1901年9月29日～1954年11月28日 美国籍意大利人
- 超铀元素概念的提出
- 费米团队按照元素周期表的顺序，从头到尾地轰击已知的各种元素
- 费米在用中子轰击铀实验中发现了比铀元素轻的元素，这表明铀核裂变产生的是比铀元素轻的元素。同时他发现了一些放射性同位素，这些同位素的半衰期非常短，表明它们是非常不稳定的元素。费米认为，这些非常不稳定的元素是由铀核裂变产生的，但它们很快就分解了，所以无法直接观察到它们。费米和他的团队将这些非常不稳定的元素称为"超铀元素"，因为它们的原子序数比铀更大。这是他们首次提出超铀元素存在的概念。
- 艾德 麦克米伦
- 1907年9月18日～1991年9月7日 美国人
- 93号元素 镎 第一个人工合成的元素
- 发现过程：1940年，麦克米伦用回旋加速器进行了中子轰击铀元素的实验，被轰击过的目标铀元素，经过测量产生出超过预期的辐射量 ，这表明有一个反应的产物根本没有移动，麦克米伦认为反应产物没有移动，因为它比其他碎片要重很多，铀原子飞弹没有分裂成更小的碎片，反而是铀原子吸收了一个射入的中子，形成了质子，如果是这样，它将是一个全新的物质。
- 菲力普·艾贝尔森 1913年4月27日～2004年1月8日美国人 麦克米伦在他的实验后，证明了这种新物质，并将它命名镎
- 有了镎元素的发现，对元素的探索进入了全新的领域，在这之前人们一直寻找自然界中的元素，但是从镎元素以后，科学家开始创造新元素，没人直到元素周期表会延伸到何处
- 格伦·西奥多·西博格
- 1912年4月19日～1999年2月25日 美国人
- 94号元素 钚
- 背景
- 麦克米伦被征召参加美国备战，西博格继续94号元素的研究
- 二战原因，爱因斯坦建议利用铀裂变的能量制造原子弹
- 两种同位素铀，铀-235 铀-238，铀-235中子数更少更容易裂变，但是它只占所有铀元素总和的1/100
- 西博格要将不活跃的 铀-238变成一种能够分裂的新元素
- 铀238被中子轰击后有时会变成镎239，镎本身也有放射性
- 钚
- 西博格 用中子轰击镎239，但是为了证明轰击后的产物是一种新元素，需要制造出更多，以检测化学性质
- 经过实验将它和已知元素区分开，1941年2月，证实了发现的是新元素，94号元素钚
- 证明钚的裂变能力
- 埃米利奥·吉诺·塞格雷 1905年2月1日-1989年4月22日 意大利裔美国人 同西博格一起做了这个实验
- 1941年3月，把钚样品放在回旋加速器的中子路径上，计数器显示出了裂变冲击能力，证实了，钚可以将铀238变为可裂变物质
- 曼哈顿计划
- 链式反应
- 费米团队制造了一个核反应堆，芝加哥一号反应堆进入临界状态，以越来越快的速度释放出能量和中子
- 原理：原子核一分为二，释放出中子和能量，这些中子再与其他原子碰撞，产生链式反应
- 1945年7月16日，第一次原子弹爆炸实验，原料就是钚，标志着核时代的开启
- 继续合成发现新元素
- 战后西博格团队又合成了新元素，在钚之后又合成了7种新元素，让元素周期表重新排列
- 直至今日，世界各地的科学家在用西博格的方式合成发现新元素，到目前为止共有118种已知元素
- 结束语
- All of matter plants and starts,animals you and me,its all made of just three basic parts 'protons neutrons and electrons'mixed in different ratios what is the world made off
