上節課結束以後，我們已經說完了電子的發現過程，最後我們就獲得了一個關于電子非常重要的參數，荷質比。

但是我們這個時候并不知道電子具體的電荷和質量到底是多少？所以接下來最重要的工作就要是求出電子的電荷，或者是質量，隻要知道其中一個就能算出另外一個。

但這并不是關鍵的問題，關鍵的問題是隻要我們知道其中一個量，我們就能算出每一個原子的質量和體積，神奇吧，這就是科學的魅力，原子它很小，我們不可能拿着稱，拿着尺子去量它，我們隻能通過間接的手段把它算出來。

方法其實也很簡單，因為在湯姆遜測量電子之前，我們已經獲得了兩個重要的關于原子性質的比值；

比如說19世紀初道爾頓的相對原子質量，也就是把一個原子的質量當作基準值，然後算出其他原子相對于它的質量的比值，算出來是多少，相對原子質量就是多少。

那麼知道了這個比值，就意味着，我們隻要知道其中一個原子的質量，那其他的原子的質量都可以算出來。

還有一個是法拉第在做電解實驗的時候，就測量出了關于原子質量和電子電荷的比值，這就意味着隻要我們能測出電子的電荷，就能算出某一個原子的質量，那整個元素周期表中的原子質量都可以算出來。

那關于原子的體積那就更好算了，因為密度是我們掌握的一個最早的關于物質質量和體積的關系，那我們現在知道了原子的質量，它的體積也就算出來了。

整個過程就是這麼的簡單，符合邏輯，但是說起來簡單做起來比登天還要難。所以接下來我想用幾個視頻的時間，把這件事從頭到尾說清楚，隻要你了解了其中的邏輯關系，你就會發現，科學其實非常有趣，也不得不佩服科學家們聰明的頭腦。

好，那今天我們就先說鋪墊第一個問題，相對原子質量。

在上世紀以前，原子是不是真的存在是一個非常有争議的話題，很多人不相信原子存在，比如馬赫和奧斯瓦爾德，他們堅持的思想是，原子不能被直接看到，所以假設它存在就不科學。

還有一些人就認為原子存在，比如麥克斯韋，還有玻爾茲曼，當然還有近代原子論鼻祖道爾頓。

它們假設原子存在是因為，這樣的假設可以解釋很多的現象，比如氣體表現出來的溫度和壓力，就被麥克斯韋和玻爾茲曼解釋為分子的熱運動，以及道爾頓最早發現的元素化合物的倍比關系，也可以通過假設原子的存在給出解釋。

關于道爾頓的研究，是人們在他的實驗筆記中看到的，是最早關于原子相對質量的研究記錄，時間大約為1802到1804年。

道爾頓在做實驗的時候就發現了這樣一個現象，把一個元素和另外一個元素化合，它們之間總是有确定質量比，比如說他就發現，當氫在氧氣中燃燒的時候，消耗一克氫的同時，總是會消耗5.5克的氧，這是當年道爾頓的數據，可以看出這個測量一點都不準，今天我們知道這個比例是1：8。

除了氫和氧有這樣的比例關系以外，其他的元素在化合的時候也一樣，道爾頓就覺得這件事比較奇怪，為什麼這些比例是固定的，為什麼就不能生成含氧多一點，或者少一點的水？

道爾頓最重要的貢獻就是他用原子論的思想解釋了這個實驗結果，他說假如水是由粒子構成的， 在水的粒子中有一個氫原子和一個氧原子，這就可以解釋化合物元素固定比例的問題了。

他因此也就推斷出了，一個氧原子的質量是氫原子的5.5倍，按照這個方法道爾頓就以氫原子的質量為基準測量了一些原子的相對質量，比如氮的相對原子質量是4.2、碳是4.3、硫是14.4，可以看出道爾頓的測量都是錯的。

有兩個原因，第一個就是他的測量誤差太大，第二個是他不知道化合物的分子式，比如他說水是HO，其實是H₂O，那麼按照正确的化學式，算出來的氧的相對原子質量是11，和今天的近似值16就差的不遠了。

上圖就給出了一些元素的相對原子質量，可以看出今天的值和道爾頓當年測量的值相差很大，需要注意的是，今天的相對原子質量不在是以氫的原子質量為基準的，而是以碳12原子質量的1/12為基準測量出來的。其實碳12原子質量的1/12和氫的原子質量非常接近，但還是有0.8%的差别。

所以接下來的問題是，人們是怎樣知道化合物的分子式的？這是精确測量相對原子質量的關鍵。

在道爾頓提出相對原子質量沒過多久，也就是1808年，法國人蓋呂薩克就寫了一篇論文，文中說，兩種氣體元素化合的時候，除了按一定的質量比，還按照一定的體積比化合，比如兩份體積的氫，再加一份體積的氧，就可以化合成兩份體積的水蒸汽。這叫體積組成定律。

到了1811年，阿伏伽德羅就對這個定律做出了這樣解釋，他假定在相同的溫度和壓強下，兩種體積相等的氣體，具有相等數量的氣體粒子，也就是說1升氫氣和一升氧氣的分子數量是一樣的。

那麼根據這這個假設，阿伏伽德羅就推算出了水的化學式是H₂O，因為2升氫氣會消耗1升的氧氣，這就說明在水的分子中，氫原子的數量是氧原子數量的2倍。

還有1升的氮氣會消耗掉3升的氫氣生成氨氣，這就說明在氨分子中氫原子的數量是氮原子的3倍。所以氨的化學式就是NH₃。

通過阿伏伽德羅的假設，我們就能判斷出化合物正确分子式，如果再能準确測量出參與反應的元素的與生成化合物的質量比，那麼我們就能确定大部分的原子的相對原子質量了。

相對原子質量知道了，那相對分子質量也就知道了，就是相對原子質量之和，比如水的分子量就是2 16。

這裡我們再說一個非常重要的單位叫摩爾質量，它的定義是，1摩爾就等于分子量的克數，比如說，1摩爾的氫氣是2克，1摩爾的水是18克，也就是分子量是多少，一摩爾就是多少克，這樣的規定就意味着一摩爾的任何物質都有相同的分子或者是原子數，而這個數就叫阿伏伽德羅常數。後面我們再說到電解的時候還會再提到這個問題。下面我們再說最後一個問題，相對原子質量為什麼不是整數？先看一個表。

在表中可以看出，就算以碳12原子質量的1/12為基準，算出的原子相對質量表。就連碳的相對原子質量也不是整數，而是12.011，為什麼會這樣？

其實這個問題一開始也困擾着科學家，因為有些原子的相對質量它比較接近整數，給人的感覺好像是，原子都是由某些整數倍的基本粒子組成的。你看氫的相對原子質量是1.0079，非常接近1，還有很多的原子的相對質量是這樣的。

我們現在知道這個猜測其實是正确的，原子确實是由某些整數倍的基本粒子組成的，我們知道是質子和中子。

但是有些原子的相對原子質量就不接近整數，偏差就比較大，比如氯元素35.45，這就和上面的猜測出現了矛盾，所以人們就想，我們算出來的相對原子質量可能不是這個元素中所有原子的相對原子質量，而是一個平均值。

其實這個猜測也是正确的，現在我們知道幾乎所有的元素都有好幾種不同形式的原子，它們叫同位素，之所以取這樣的名字是因為它們的化學性質是一樣的，區别是相對原子質量不同，所以化學家索迪在1910年就認為應該把化學性質相同的元素，放在化學周期表的同一格子裡，所以就取名叫同位素。

同位素的發現主要是因為人們先發現了元素的放射性，因為放射性可以産生很多元素的變種，比如混在鈾礦石中的鉛元素，人們就發現這些鉛也具有放射性，但是和普通鉛在化學性質上卻沒辦法區分，隻是相對于原子質量不同。

随後人們就在放射性元素中發現了大量的同位素，就猜測同位素可能是放射性元素的特例，并不會出現在普通元素當中。

很明顯，這回猜錯了！1913年湯姆遜在做陽極射線的時候就發現，不僅放射性元素具有同位素，普通的輕元素也有同位素，因為它發現了氖離子的兩種比，一個是氫的20倍，一個是氫的22倍，這就說明相對于氫來說，一個的相對于原子質量是20，一個是22。

質荷

這就說明在空氣中，有兩種氖元素，一種原子量是22，一種原子量是20，現在我們知道它們的占比分别是10%和90%。平均原子量算下來就是20.2。

那麼氯元素也是一樣的，它的相對原子質量偏離整數，主要也是因為同位素的原因，氯有兩種同位素一種是35，一種是37，占比分别是77.5%和22.5%，算下來大約也就是35.45這個平均相對原子質量了。

那麼相對原子質量不等于整數，除了同位素的原因以外，還有一部分原因是，原子核的核能，其實原子的質量并不嚴格的等于質子和中子的質量和，還有它們之間的結合能，每種原子核的束縛結構不同，蘊含的能量也不同，所以在質量上就有差異了，這個我們在後面講到原子核的時候，還會詳細的說。

好了，那今天的相對原子質量就說到這裡，下節課我們說法拉第如何在電解實驗中獲得原子質量和電荷之比的。

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