德谟克利特和恩培多克勒在讲到原子的存在时,已经模模糊糊地意识到,从哲学观点来看,物质是不可能无限制地分割下去的。它们早晚总要达到一个不能再分的基本单元。
现代的化学家在提到原子时,就要明确得多了。因为要理解化学的基本定律,就绝对需要了解有关基本的原子和它们在复杂分子中组合的性质。
按照化学的基本定律。不同的元素只按严格的质量比例结合,这个比例显然就反映了这些元素的原子间的质量关系。
因此,化学家们得出结论说,氧原子、铝原子、铁原子的 质量分别为氢原子质量的16倍、27倍和56倍。但是,原子的真正质量是多少克,人们并不清楚。
不过,各种原子的相对原子质量(即原子量)是化学中最基本的数据,而真正的质量有多少克这一点,倒根本不会影响到化学定律和化学方法的内容和应用,因此在化学上是无足轻重的。
然而,物理学家在研究原子时,他首先就要问:原子的真实大小有多少厘米?它重多少克?在一定量的物质中含有多少分子或原子?有没有什么办法来观察、计数和操纵单个分子和原子?
估算原子和分子的大小的方法有许多种,最简单的一种非常容易进行,如果德谟克利特和恩培多克勒当时想到这个方法,也能把它付诸实现,根本用不着现代化的实验仪器。
读者们只要耐心加小心,自己就能够做这项实验,测出几个简单的数据,求出油分子的大小来。
取一个浅而长的容器,把它完全水平地放在桌子上或地板上。往里加水直到边缘;容器上横搭一根金属线,让它和水面相接触。
若向金属线的任意一侧加入一小滴某种纯油,油就会布满金属线那一侧的整个水面。现在沿容器边缘向另一侧移动金属线,油层就会随线的移动而越散越薄,直到变成厚度等于单个油分子直径的一层。
水面上的薄油膜在伸展到一定程度后就会裂开
在这以后,如果再移动金属线,这层完整的油膜就会破裂,露出底下的水来。已知滴入的油量,再得出油膜不至破裂的最大面积,单个油分子的直径就很容易算出来了。
做这项实验时,你会注意到另外一个有趣的现象。当把油滴在水面上的时候,你首先会看到油面上的虹彩。你大概很熟悉这种虹彩,因为在港口附近的水面上经常可见到它。
这是光线在油层上下两个界面上的反射光互相干涉的结果;不同的颜色是由于油层在扩散过程中各处厚度不均匀所造成的。
如果你多等一会儿, 让油层铺匀,整个油面就只有一种颜色了。随着油层的变薄,颜色逐渐由红变黄,由黄到绿,由绿转蓝,再由蓝至紫,与光线波长的减小相一致。再伸展下去,油面的颜色就完全消失了。
这不是因为油层不存在,而是油层的厚度已比可见光中最短的波长还要小,它的颜色已超出我们的视阈。
不过,油面和水面还是能够分清的,因为从这层极薄液体的上下表面所反射的光互相干涉的结果,光的强度会减小,所以,即便色彩消失了,油面还是因为显得较为 “昏暗”,可以与水面区分开来。
实际进行一下这项实验,你将发现,1立方毫米的油可以覆盖大约1平方米的水面:再把油膜进一步拉开,就要露出水面了。
那么,油膜在破裂前能有多大的厚度呢?设想有一个边长 1 毫米的立方体,里面装上油( 1 立方毫米),那么油面有 1 平方毫米。为了把 1 立方毫米的油摊开在 1 平方米的面积上,原来 1 平方毫米的油面必须扩大 100 万倍(从 1 平方毫米到 1 平方米)。因此,原立方体的高度也须减少 100 万倍,以保持体积不变。这就是油膜厚度的极限,即油分子的真实大小。这个数值为 0.1 厘米× 10^-6= 10^-7 厘米= 1 纳米。由于一个油分子中包含有若干个原子,所以原子还要小一些。
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