普通化學/原子結構/原子結構史
科學理解的一個基本點是，科學被理解為一個嘗試和改進的過程，代表著當時最好的知識，而不是一個無誤的真理預言。原子結構理解中更能體現出一個想法的發展和透過測試的完善過程。
最早提出類似現代原子理論的人是古希臘思想家德謨克利特。他提出了不可分割原子的存在，作為對巴門尼德論點和芝諾悖論的回應。
巴門尼德反對運動、變化和多樣性的可能性，前提是事物不能憑空產生。芝諾試圖透過一系列基於無限可分性的困難的悖論來證明巴門尼德的觀點。
為了回應這些觀點，德謨克利特假設存在著不可毀滅的原子，它們存在於虛空中。它們的不可毀滅性對芝諾的論點做出了反駁，而虛空則讓他解釋了多樣性、變化和運動。剩下的問題是如何解釋原子的性質，以及它們與我們對世界中物體的經驗之間的關係。
德謨克利特認為原子幾乎沒有實際性質，大小、形狀和質量是最重要的。他認為，所有其他性質都可以用這三種主要性質來解釋。例如，光滑的物質可能主要由光滑的原子組成，而粗糙的物質則由鋒利的原子組成。固體物質可能由具有大量鉤子的原子組成，透過這些鉤子它們相互連線，而液體物質的原子則具有更少的連線點。
德謨克利特在他的原子理論中提出了 5 個要點。[1] 這些是
- 所有物質都由原子組成，原子是太小而看不見的物質微粒。這些原子不能再被分割成更小的部分。
- 存在一個虛空，它是原子之間的空隙。
- 原子是完全固體的。
- 原子是均勻的，沒有內部結構。
- 原子在大小、形狀和重量上有所不同。
恩培多克勒認為存在四種元素，即空氣、土、水和火，而所有其他物質都是這些元素的混合物。這種信念在中世紀非常流行，並引入了鍊金術。鍊金術基於這樣的信念，即由於所有物質都是由四種元素組成的，因此可以將一種混合物轉化為另一種相同型別的混合物。例如，人們認為鉛可以轉化成金。
鍊金術的問題被安託萬·拉瓦錫揭露，當他在一個密封的燒瓶中加熱金屬錫時。在熔化的錫表面出現了一層灰色灰燼，拉瓦錫加熱灰燼，直到不再形成灰燼。燒瓶冷卻後，他將燒瓶倒置，並在水下開啟。他發現水上升到玻璃的五分之一處，這使拉瓦錫得出結論，空氣本身就是一種混合物，其中五分之一與錫結合，而其他四分之一沒有結合，這表明空氣不是一種元素。
拉瓦錫再次重複了實驗，用汞代替錫，發現結果相同。然而，在輕輕加熱後，他發現灰燼釋放了空氣，這表明該實驗可以逆轉。他得出結論，灰燼是金屬和氧氣的化合物，他透過稱量金屬和灰燼，並證明它們的總重量大於原始金屬的重量來證明這一點。
拉瓦錫接著指出燃燒不是一種元素，而是一種燃料和氧氣的化學反應。
現代原子理論誕生於道爾頓在 1803 年發表他的理論時。他的理論包括五個重要要點，這些要點在今天被認為基本上是正確的：(來自維基百科)
- 元素由稱為原子的微粒組成。
- 給定元素的所有原子都是相同的。
- 給定元素的原子與任何其他元素的原子不同；不同元素的原子可以透過其各自的相對重量來區分。
- 一種元素的原子可以與另一種元素的原子結合形成化合物；給定的化合物總是具有相同數量的原子型別。
- 在化學過程中，原子不能被創造、分割成更小的粒子或被破壞；化學反應只是改變了原子的組合方式。
我們現在知道元素有不同的同位素，它們的重量略有不同。此外，核反應可以將原子分裂成更小的部分（但核反應並不真正被認為是化學反應）。除此之外，他的理論至今仍然成立。
在19世紀後期，俄羅斯科學家德米特里·門捷列夫因創造了最早的元素週期表之一而受到讚譽。他根據原子量對每種元素進行排序，並編目了當時發現的 56 種元素。除了原子量外，他還根據已知的性質對元素進行了分組。
在撰寫一系列教科書時，門捷列夫意識到他用來單獨處理每種元素的空間越來越少。他開始定期將元素“換行”到下一行，並建立了現在被稱為元素週期表的表格。利用他的表格，他根據之前發現的規律預測了後來發現的元素的存在，例如“類鋁”和“類矽”（鎵和鍺）。他的預測獲得了成功，證明了他的表格極其準確。後來的理論，即原子周圍的電子理論，解釋了為什麼同一週期或同一族中的元素具有相似的化學性質。化學家後來根據原子序數而不是原子量對每種元素進行排序，從而產生了現代的元素週期表。
1889 年，英國物理學家 J.J. 湯姆森發現了電子。湯姆森進行了一系列使用陰極射線管的實驗。陰極射線管是透過將兩個電極密封在一個連線到電壓源和真空泵的玻璃管中，並從管中抽走空氣來構建的。當電極連線到約 15000 伏的高電壓和低壓時，會從負電極（陰極）發射出一束輻射，朝正電極（陽極）移動。這些光束被稱為陰極射線，呈現綠色。（1）據說射線朝法拉第管（金箔驗電器）移動，並透過感應帶電，使帶正電的金箔驗電器偏轉。（2）一個自由移動的槳輪被放置在射線路徑上，並且它能夠推動槳輪，表明它具有動量。（3）射線被置於磁場和電場中，分別朝向北極和正極移動。湯姆森發現陰極射線沿直線傳播，除非它們被電場或磁場彎曲。陰極射線偏離帶負電的板，湯姆森得出結論，這些射線是由帶負電的粒子組成的；我們今天稱它們為電子。湯姆森發現，他可以使用各種材料的電極產生陰極射線。然後，他得出結論，電子存在於所有原子中，並且比質子小一千倍。湯姆森使用一個裝置來確定電荷與質量比 (e/m)，在射線射出後，他放置了一個已知磁場影響的磁場，射線朝向北極彎曲到特定位置，然後他添加了一個電場使射線返回到它最初的位置，並記錄了電場使用的電荷，因此他將它們除以得到約 -1.7*10^8kg 的比率。
在發現電子後不久，湯姆森就開始推測原子的性質。他提出了“葡萄乾布丁”模型。在這個模型中，“葡萄乾”代表電子，它們漂浮在“布丁”中，即帶正電的物質，與電子的電荷相匹配，構成一個電中性的原子。這種想法的現代插圖可以用巧克力曲奇餅來表示，其中巧克力豆代表帶負電的電子，麵糰代表帶正電的物質。
歐內斯特·盧瑟福以他著名的金箔實驗（1911 年）而聞名。α粒子，它們又重又帶正電（實際上是氦核，但這無關緊要），被射向一層非常薄的金箔。正如預期的那樣，大多數α粒子直接穿透。根據葡萄乾布丁模型，所有粒子都應該在穿過“布丁”時減速，但它們不應該被偏轉。令人驚訝的是，一些α粒子被偏轉回來，回到了它們來的方向。他說，這“就像你用一顆 15 英寸的炮彈射向一張紙，結果它反彈回來，擊中了你”。
實驗的結果讓盧瑟福得出結論，葡萄乾布丁模型是錯誤的。
- 原子具有一個原子核，它非常小而緻密，包含正電荷和原子的大部分質量。
- 原子主要由空的空間組成。
- 電子被吸引到原子核，但它們仍然遠在原子核之外。
玻爾建立了自己的原子模型，改進了盧瑟福的模型。玻爾使用由裡德伯格提出的一個方程，該方程提供了氫原子可見光譜線之間的數學關係。該方程要求從氫原子發射的光波長與兩個整數的差值相關。玻爾推測，這些整數代表電子圍繞原子核運動的“殼層”或“軌道”，每個軌道具有特定的能級。軌道的能量與其到原子核的距離成正比。原子將吸收和釋放具有特定能量的光子。能量是電子躍遷到不同殼層的結果。從裡德伯格方程開始，再加上普朗克和愛因斯坦關於光和能量關係的研究成果，玻爾能夠推匯出一個方程來計算氫原子中每個軌道的能量。玻爾模型將原子描述為一個原子核，電子圍繞它以特定的距離運動。這種模型也被稱為行星模型。
羅伯特·密立根因“油滴實驗”而聞名，在這個實驗中，電子電荷的值被確定。他創造了一種機制，可以噴射油滴，這些油滴會沉降到一束 X 射線中。X 射線束使油滴帶上了電子。油滴位於帶正電的板和帶負電的板之間，當施加適當的電壓時，油滴會保持靜止。羅伯特·密立根使用顯微鏡測量了每個油滴的直徑。
米立根能夠計算出每個油滴的質量，因為他知道油的密度()。 利用每個油滴的質量和萬有引力定律（他從 重排為 ，其中 是每個油滴的質量， 是重力加速度，而 是電場力，它等於第一個方程中的力)，米立根能夠找到電子電荷的值，。
然而，X射線並不總是產生只有一個負電荷的油滴。 因此，米立根獲得的值可能看起來像這樣
- 庫侖
- 庫侖
- 庫侖
- 庫侖
米立根發現這些值都具有一個公因子： 庫侖。 他得出結論，不同的值出現是因為油滴獲得了 -5、-4、-3 和 -2 的電荷，如本例所示。 因此，他指出公因子， 庫侖，是電子的電荷。
