原子大小与重量：科学中的真相与疑问

2023-08-05 理论教育版权反馈

【摘要】：但是，当一位物理学家研究原子时，他首先就要问：“原子的真实尺寸是多少？它重多少克？在一定量的物质中到底有多少独立的分子或者原子？有没有什么方法可以一个一个地观察、计量和操纵单个的分子或原子？”估算原子和分子大小的方法有很多，其中一种既简单又容易操作，如果德谟克利特和恩培多克勒当时碰巧想到了这种方法，即便没有现代化的实验仪器也能付诸实践。

德谟克利特和恩培多克勒在认识到原子的存在时已经隐约意识到，从哲学的观点来考虑，物质不可能无限次分裂，终归会变成一个无法再分裂的基本单元。

当现代科学家谈论原子时，他们的意思就清晰很多了。因为关于基本的原子以及它们复杂的分子组成的精确的知识对于理解化学的基本原则来说是十分必要的，不同的化学元素只以严格的质量比例结合，这一比例能够明显地反映出这些物质中独立原子的相对质量。因此化学家们得出了结论，比如氧原子、铝原子和铁原子的质量分别是氢原子的16倍、27倍和56倍。然而，不同元素的相对原子质量是最重要的基本化学信息，而用克表示的原子的实际质量，在化学工作中却没有什么存在感，这些实际质量不会对化学事实、定律和方法的应用产生任何影响。

但是，当一位物理学家研究原子时，他首先就要问：“原子的真实尺寸是多少？它重多少克？在一定量的物质中到底有多少独立的分子或者原子？有没有什么方法可以一个一个地观察、计量和操纵单个的分子或原子？”

估算原子和分子大小的方法有很多，其中一种既简单又容易操作，如果德谟克利特和恩培多克勒当时碰巧想到了这种方法，即便没有现代化的实验仪器也能付诸实践。既然一种物质，比如一根铜丝，它的最小的组成单元是原子，那么显然就不能使之变得比原子的直径还小。因此可以尝试着去拉伸这根铜丝，直到它变成一根由单个原子组成的长链，或者我们可以用锤子把它砸成一个铜原子直径那么厚的铜片。但这个实验不管是对铜丝还是对任何其他的固体物质都是几乎不可能做到的，因为在达到理想的最小厚度之前物质不可避免地会发生断裂。但是液体物质，比如水面上的一层薄薄的油，可以很简单地像毯子一样铺开成单原子层，也就是说，在它的分子中，“单个”分子水平地连接在一起，但没有一个分子垂直地摞在另一个分子之上。只要读者们感兴趣并且耐心，就可以通过这个简单的方法测出油分子的大小。

拿一个浅长的容器（见图44），把它放在桌子或地板上使其绝对水平，向其中加水直到边缘，然后在上边横搭一根可以接触到水面的金属丝。如果你现在向金属丝的一侧滴上一小滴某种纯油物质，那么油将会布满你所滴的那一侧的水面。如果你现在沿着容器的边缘移动那根金属丝，油会跟着一起动，油层将会随着金属丝的移动扩散并且变薄，而且油层最后一定会变得和一个单个油分子的直径一样厚。当达到这个厚度后，金属丝的任何移动都会破坏这层油膜的连续性，露出下面的水来。知道滴入的油量和油膜破坏前所能展开的最大面积，你就能轻松地计算出单个分子的直径。

图44　当拉伸过大的时候水面上的油膜就会被破坏

在做这个实验的时候，你可能会观察到另外一个有趣的现象。当刚把油滴在水面上的时候，你首先注意到的是油面是熟悉的彩虹色，你可能很熟悉这种颜色，因为在船只往来频繁的港口的水面上经常可以看到。这是光线在油层上、下两个界面上的反射光相互干涉的结果，由于油层在扩散过程中各处厚度不均匀，从而产生了不同的颜色。如果你多等一会儿，等到油层变得均匀，整个油层将会变成同一种颜色。随着油层变薄，颜色渐渐地从红色变成黄色，从黄色变成绿色，再从绿色变成蓝色，从蓝色变成紫色，颜色的变化与波长减小的光线一致。如果我们继续扩大油层的面积，那么颜色将会完全消失。但这并不意味着油层也消失了，只因油层的厚度已经比可见光中最短的波长还小，而且它的颜色已经超出我们的视觉范围。即便这样，你仍然可以分辨出油层和干净的水面，因为从一个非常薄的油层上、下表面反射的两束光会相互干涉，导致光的强度降低。因此即使颜色消失了，在反射光的作用下，仍然可以通过油面比干净的水面看起来“昏暗”来区分二者。

实际操作过这个实验后，你会发现1立方毫米的油可以覆盖大约1平方米的水面，但是如果试着把油膜拉得更大，就会导致有水面露出来^[3]。

原子大小与重量：科学中的真相与疑问

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