普通化學/原子結構/原子結構史
對科學理解至關重要的一點是，科學被認為是一個試錯和改進的過程，代表了當時最知曉的知識，而不是一個無誤的真理預言。在對原子結構的理解中，更能體現出對一個想法的不斷發展以及透過測試而帶來的改進。
最早提出類似於現代原子理論的思想的，是古希臘思想家德謨克利特。他提出存在不可分割的原子，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、變化和多樣性存在的可能性，他的前提是，無中不能生有。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，德謨克利特提出了不可毀滅的原子存在於真空中的概念。原子的不可毀滅性是對芝諾的回擊，而真空則讓他可以解釋多樣性、變化和運動。接下來他需要解釋原子的性質，以及它們與我們對世界中物體的體驗之間的關係。
德謨克利特提出原子只有少數幾個實際性質，其中大小、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個主要性質來解釋。例如，光滑的物質可能主要由光滑的原子組成，而粗糙的物質則由尖銳的原子組成。固體物質可能由具有許多鉤子的原子組成，這些鉤子將它們連線在一起，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 個觀點。 [1] 它們是
- 所有物質都由原子組成，原子是看不見的物質微粒。這些原子不能進一步分裂成更小的部分。
- 存在真空，原子之間有空隙。
- 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。
恩培多克勒提出存在四種元素，即空氣、土、水和火，而其他一切都是這些元素的混合物。這一信念在中世紀很流行，並催生了鍊金術。鍊金術基於這樣的信念：既然萬物都只由四種元素構成，那麼就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為金。
鍊金術的問題被安託萬·拉瓦錫揭露，當時他將金屬錫在一個密閉的燒瓶中加熱。錫熔化後，表面出現灰白色的灰燼，拉瓦錫加熱直到不再產生灰燼。燒瓶冷卻後，他將它倒置並在水下開啟。他發現水上升到玻璃容器的五分之一處，這使得拉瓦錫得出結論：空氣本身就是一種混合物，其中五分之一與錫結合，而另外四分之五則沒有結合，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來證明這一點，並表明它們的總重量大於原始金屬的重量。
拉瓦錫隨後指出，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，他在 1803 年發表了他的理論。他的理論包含五個要點，這些要點在今天被認為是大部分正確的： (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相同。
- 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它們的相對原子量來區分。
- 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；給定化合物始終具有相同型別的原子的相對數量。
- 原子不能在化學過程中被創造、分裂成更小的粒子或被破壞；化學反應只是改變了原子結合在一起的方式。
我們現在知道元素具有不同的同位素，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·門捷列夫因建立了第一個有組織的元素週期表而聞名。他根據原子量將每個元素進行排列，並對當時發現的 56 種元素進行了分類。除了原子量之外，他還根據已知的性質對他的表格進行了組織。
在撰寫一系列教科書時，門捷列夫意識到他正在用完單獨處理每個元素的空間。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。使用他的表格，他根據之前發現的模式，預測了後來發現的元素的存在，例如“類鋁”和“類矽”（鎵和鍺）。他的預測取得了成功，證明了他的表格非常準確。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的元素具有相似的化學性質。化學家後來將每個元素根據原子序數進行排列，而不是原子量，從而產生了現代的 元素週期表。
1889 年，英國物理學家 J.J. 湯姆遜發現了電子。湯姆遜使用陰極射線管進行了一系列實驗。陰極射線管由兩個密封在玻璃管內的電極構成，連線到一個電壓供應商和一個真空泵，用於從管中抽走空氣。當電極連線到大約 15000 伏的高壓和低壓時，從負極（陰極）發射出一束輻射，朝向正極（陽極）移動。這些射線被稱為陰極射線，呈現綠色。 (1) 射線被引導到法拉第管（金箔驗電器）中，並透過感應帶電，使帶正電的金箔驗電器偏轉。(2) 將一個自由移動的葉輪放置在射線路徑上，葉輪能夠移動，表明射線具有動量。(3) 將射線置於磁場和電場中，射線分別向北極和正極移動。湯姆遜發現陰極射線呈直線傳播，但會受到電場或磁場的彎曲。陰極射線偏離負極板，湯姆遜得出結論，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。湯姆遜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以上。湯姆遜使用儀器確定了射線發射後電荷與質量之比（e/m）。他放置了一個已知磁力影響的磁場，射線朝向北極彎曲到特定位置，然後他添加了一個電場，將射線重新回到其原始位置，並記錄了電場使用的電荷，因此他將它們相除以得到大約 -1.7 * 10^8 kg 的比率。
在發現電子後不久，湯姆遜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，漂浮在一個帶正電的“布丁”中，以匹配電子的電荷，形成一個電中性的原子。這個想法的現代圖示可以是巧克力曲奇，巧克力代表帶負電的電子，麵糰代表帶正電的電荷。
歐內斯特·盧瑟福以他著名的金箔實驗而聞名，該實驗於 1911 年進行。α粒子是重而帶正電的粒子（實際上是氦原子核，但這並不重要），它們被髮射到一層非常薄的金箔上。大多數α粒子像預期的那樣直線穿過。根據“葡萄乾布丁”模型，所有粒子在穿過“布丁”時都會減速，但不會發生偏轉。令人驚訝的是，一些α粒子以相反的方向被反彈回來。他聲稱這“就像你用一顆 15 英寸的炮彈射向一張薄紙，它卻彈回來擊中了你。”
實驗結果使盧瑟福得出結論，"葡萄乾布丁"模型是錯誤的。
- 原子具有一個原子核，非常小且緻密，包含正電荷和原子的大部分質量。
- 原子主要由空曠的空間組成。
- 電子被原子核吸引，但仍然位於原子核的外部很遠的地方。
玻爾建立了自己的原子模型，對盧瑟福的模型進行了改進。玻爾使用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波長與兩個整數的差值相關。玻爾推測，這些整數代表電子繞原子核執行的“殼層”或“軌道”，每個殼層都有一個特定的能級。軌道的能量與其到原子核的距離成正比。原子會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，加上普朗克和愛因斯坦關於光和能量關係的工作，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帶有電子繞其執行的原子核，並且電子以特定距離繞原子核執行。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。他建立了一種機制，可以噴灑油滴，這些油滴會沉降到 X 射線束中。X 射線束使油滴帶上電子電荷。油滴位於一個帶正電的板和一個帶負電的板之間，當施加適當的電壓時，油滴保持靜止。羅伯特·密立根使用顯微鏡測量了每個油滴的直徑。
密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公式（他從 改寫成 ，其中 是每個單獨油滴的質量， 是重力加速度， 是電場力，等於第一個等式中的力），密立根能夠找到電子的電荷值，。
然而，X 射線並不總是產生帶有一個負電荷的油滴。因此，密立根獲得的值可能看起來像這樣
- 庫侖
- 庫侖
- 庫侖
- 庫侖
密立根發現這些值都有一個公因子： 庫侖。他得出結論，不同的值出現是因為液滴獲得了 -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。
