第三編現(xiàn)代化學(xué)發(fā)展時(shí)期

早期X射線重要的探討者有IvanPului教授、威廉.克魯克斯爵士、約翰·威廉·希托夫、EugeneGoldstein、赫茲、菲利普.萊納德、亥姆赫茲、特斯拉、愛(ài)迪生、CharlesGloverBarkla、馬克思·馮·勞厄和倫琴。物理學(xué)家希托夫視察到真空管中的陰極發(fā)出的射線。當(dāng)這些射線遇到玻璃管壁會(huì)產(chǎn)生熒光。1876年這種射線被EugeneGoldstein命名為“陰極射線”。隨后，英國(guó)物理學(xué)家克魯克斯探討稀有氣體里的能量釋放，并且制造了克魯克斯管。這是一種玻璃真空管，內(nèi)有可以產(chǎn)生高電壓的電極。他還發(fā)覺(jué)，當(dāng)將未曝光的相片底片靠近這種管時(shí)，一些部分被感光了，但是他沒(méi)有接著探討這一現(xiàn)象。1887年4月，尼古拉·特斯拉起先運(yùn)用自己設(shè)計(jì)的高電壓真空管與克魯克斯管探討X光。他獨(dú)創(chuàng)了單電極X光管，在其中電子穿過(guò)物質(zhì)，發(fā)生了現(xiàn)在叫做韌致輻射的效應(yīng)，生成高能X光射線。1892年特斯拉完成了這些試驗(yàn)，但是他并沒(méi)有運(yùn)用X光這個(gè)名字，而只是籠統(tǒng)成為放射能。他接著進(jìn)行試驗(yàn)，并提示科學(xué)界留意陰極射線對(duì)生物體的危害性，并他沒(méi)有公開(kāi)自己的試驗(yàn)成果。1892年赫茲進(jìn)行試驗(yàn)，提出陰極射線可以穿透特別薄的金屬箔。赫茲的學(xué)生萊納德進(jìn)一步探討這一效應(yīng)，對(duì)很多金屬進(jìn)行了試驗(yàn)。亥姆霍茲則對(duì)光的電磁本性進(jìn)行了數(shù)學(xué)推導(dǎo)。1895年11月8日德國(guó)科學(xué)家倫琴起先進(jìn)行陰極射線的探討。1895年12月28日他完成了初步的試驗(yàn)報(bào)告“一種新的射線”。他把這項(xiàng)成果發(fā)布在維爾茨堡‘sPhysical-MedicalSociety雜志上。為了表明這是一種新的射線，倫琴接受表示未知數(shù)的X來(lái)命名。很多科學(xué)家主見(jiàn)命名為倫琴射線，倫琴自己堅(jiān)決反對(duì)，但是這一名稱仍舊有人運(yùn)用。1901年倫琴獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)8195年愛(ài)迪生探討了材料在X光照射下發(fā)出熒光的實(shí)力，發(fā)覺(jué)鎢酸鈣最為明顯。1896年3月愛(ài)迪生獨(dú)創(chuàng)了熒光視察管，后來(lái)被用于醫(yī)用X光的檢驗(yàn)。然而1903年愛(ài)迪生終止了自己對(duì)X光的探討。因?yàn)樗镜囊幻ＡЧと藢檺?ài)將X光管放在手上檢驗(yàn)，得上了癌癥，盡管進(jìn)行了截肢手術(shù)仍舊沒(méi)能挽回生命。1906年物理學(xué)家貝克勒耳發(fā)覺(jué)X射線能夠被氣體散射，并且每一種元素有其特征X譜線。他因此獲得了1917年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在20世紀(jì)80年頭，X射線激光器被設(shè)置為里根總統(tǒng)的戰(zhàn)略主動(dòng)防衛(wèi)支配的一部分。然而對(duì)該裝置（一種類似激光炮，或者死亡射線的裝置，由熱核反應(yīng)供應(yīng)能量）最初的、同時(shí)也是僅有的試驗(yàn)并沒(méi)有給出結(jié)論性的結(jié)果。同時(shí)，由于政治和技術(shù)的緣由，整體的支配（包括X射線激光器）被擱置了（然而該支配后來(lái)又被重新啟動(dòng)——運(yùn)用了不同的技術(shù)，并作為不什總統(tǒng)國(guó)家導(dǎo)彈防衛(wèi)支配的一部分）。在20世紀(jì)90年頭，哈佛高校建立了ChandraX射線天文臺(tái)，用來(lái)觀測(cè)宇宙中猛烈的天文現(xiàn)象中產(chǎn)生的X射線。與從可見(jiàn)光觀測(cè)到的相對(duì)穩(wěn)定的宇宙不同，從X射線觀測(cè)到的宇宙是不穩(wěn)定的。它向人們展示了恒星如何被黑洞絞碎，星系間的碰撞，超新星和中子星。二、放射性的發(fā)覺(jué)X射線發(fā)覺(jué)后，很多科學(xué)家被吸引去探討這種新的具有巨大穿透力的輻射。1896年法國(guó)物理學(xué)家貝克勒爾（A.H.Becguerel，1852—1908）對(duì)一種稱為硫酸雙氧鈾鉀的熒光物質(zhì)進(jìn)行了探討。他把這種硫酸鹽放在用黑紙包起來(lái)的照相底片上，再讓它們受陽(yáng)光照射。因?yàn)殛?yáng)光不能透過(guò)黑紙，所以比照相底片不起作用。假如激發(fā)出的熒光中含有X射線，它就能穿透黑紙使照相底片感光。結(jié)果，底片感光了，他以為這是被激發(fā)出的X射線的作用。有一次連續(xù)幾天陰雨，試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行，他便把上面放著硫酸雙氧鈾鉀的底片放在暗房的抽屜里。幾天后，他把底片沖洗出來(lái)，結(jié)果出乎意料：雖然未經(jīng)陽(yáng)光照射，底片卻由于受到很強(qiáng)的輻射而變得很黑。這使他異樣驚異，因?yàn)檫@決不是熒光或陽(yáng)光所造成的。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，判明它就是硫酸雙氧鈾鉀中的鈾。這就是最早發(fā)覺(jué)的放射性現(xiàn)象；鈾是人們第一個(gè)發(fā)覺(jué)的放射性元素。這一發(fā)覺(jué)公布后，瑪麗·居里（M.S.Curie，1867——1934）很快投入了這一新的探討領(lǐng)域。她測(cè)量了鈾的輻射強(qiáng)度，并發(fā)覺(jué)鈾的輻射強(qiáng)度正比于鈾的數(shù)量而與其他任何因素?zé)o關(guān)。她不知疲乏地測(cè)定其他化學(xué)元素或化合物，發(fā)覺(jué)釷也具有這種輻射實(shí)力。她建議把這種輻射實(shí)力叫做“放射性”。后來(lái)，她又發(fā)覺(jué)瀝青鈾礦中的放射性比已測(cè)得的鈾的放射性強(qiáng)得多。瑪麗.居里大膽假定瀝青鈾礦中存在一種比鈾的放射性強(qiáng)得多的未知新元素。為了找尋這個(gè)未知的新元素，比埃爾·居里（P.Curie，1859—1906）同妻子瑪麗·居里共同探討。他們通過(guò)繁重的勞動(dòng)，從大量的瀝青礦渣中去提取那個(gè)未知元素，最終發(fā)覺(jué)了兩種新元素，一種取名為“鐳”，另一種取名為“釙”，以紀(jì)念自己的祖國(guó)——波蘭。釙的放射性比鈾強(qiáng)400倍，鐳的放射性比鈾強(qiáng)200萬(wàn)倍，但它們的含量極少。這個(gè)發(fā)覺(jué)再次轟動(dòng)了科學(xué)界。但是也有些科學(xué)家表示懷疑。居里夫婦又花了整整4年的時(shí)間，在簡(jiǎn)陋的工棚里，在原始的條件下，歷盡千辛萬(wàn)苦，于1902年最終從幾噸粗雜的瀝青礦渣中，分別出1／10克的氯化鐳。鐳有很多奇異的特性，它以確定的速度不斷地蛻變時(shí)，能發(fā)出很強(qiáng)的輻射，使近旁的氣體電離，使很多物質(zhì)發(fā)出熒光，對(duì)生物有機(jī)體有殺傷力。

自然放射性元素能夠放射出α、β、γ三種射線，于是，原子不行分的觀念被徹底打破了。

1902年，盧瑟福和索迪（F.Soddy，1877—1956）提出原子自然衰變的理論，闡明放射性的本質(zhì)就是放射性元素的原子自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N原子的過(guò)程。他們指出，自然放射性元素都以固定的壽命放出射線，逐步地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌派湫栽?，最終成為沒(méi)有放射性的鉛，結(jié)束衰變過(guò)程。這就證明白元素不是不行變更的，而是可以轉(zhuǎn)化的。三、電子的發(fā)覺(jué)電子的發(fā)覺(jué)和陰極射線的試驗(yàn)探討聯(lián)系在一起的，而陰極射線的發(fā)覺(jué)和探討又是以真空管放電現(xiàn)象起先的。早在1858年，德國(guó)物理學(xué)家普呂克在利用放電管探討氣體放電時(shí)發(fā)覺(jué)了陰極射線。英國(guó)物理學(xué)家克魯克斯等人已經(jīng)依據(jù)陰極射線在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的事實(shí)，提出陰極射線是帶負(fù)電的微粒，依據(jù)偏轉(zhuǎn)算出陰極射線粒子的荷質(zhì)比(e／m)，要比氫離子的荷質(zhì)比大1000倍之多。湯姆生設(shè)計(jì)了新的陰極射線管，在電場(chǎng)作用下由陰極C發(fā)出的陰極射線，通過(guò)Α和B聚焦，從另一對(duì)電極D和E間的電場(chǎng)中穿過(guò)．右側(cè)管壁上貼有供側(cè)量偏轉(zhuǎn)用的標(biāo)尺。他利用當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的真空技術(shù)獲得高真空，最終使陰極射線在電場(chǎng)中發(fā)生了穩(wěn)定的電偏轉(zhuǎn)，從偏轉(zhuǎn)方向也明確表明陰極射線是帶負(fù)電的粒子。通過(guò)進(jìn)一步的試驗(yàn)，湯姆生發(fā)覺(jué)用不同的物質(zhì)材料或變更管內(nèi)氣體種類，測(cè)得射線粒子的荷質(zhì)比e/m保持不變．可見(jiàn)這種粒子是各種材料中的普適成分。1898年，湯姆生又和他的學(xué)生們接著做干脆測(cè)量帶電粒子電量的探討．其中之一就是用威爾遜云室，測(cè)得了電子電荷是1.1x10-19C，并證明白電子的質(zhì)量約是氫離子的千分之一．于是，湯姆生最終解開(kāi)了陰極射線之謎．這以后不少科學(xué)家較精確地測(cè)量了電子的電荷值,其中有代表性的是美國(guó)科學(xué)家密立根，在1906年第一次測(cè)得電子電荷量e=l.34X10-19C，1913年最終測(cè)得e=1.59x10-19C．在當(dāng)時(shí)條件下，這是一個(gè)高精度的測(cè)量值．近代精確的電子電荷量e=1.60217733(49)x10-19C(括號(hào)中的值是測(cè)量誤差)．17其次節(jié)原子結(jié)構(gòu)模型的建立一、電子的發(fā)覺(jué)原子是物質(zhì)組成的基本單元嗎？其尺寸幾何？其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是怎樣的？試驗(yàn)上如何探測(cè)？帶電粒子的荷質(zhì)比為：

湯姆遜實(shí)驗(yàn)的結(jié)果第一步，證明陰極射線是直線傳播的第二步，證明陰極射線是由物質(zhì)的粒子構(gòu)成的，而不僅僅是一束光線第三步，證明粒子是帶負(fù)電荷的

第四步，陰極粒子的重量約為已知最輕的元素氫原子的兩千分之一

第五步，這些粒子是一切物質(zhì)所共有的，而且始終是一樣的1987年，湯姆遜(J.J.Thomson)測(cè)定了這種帶電微粒的荷質(zhì)比e/m，承認(rèn)電子的存在。他被認(rèn)為是“一位最先打開(kāi)通向基本粒子物理學(xué)大門的偉人"。18盧瑟福模型原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)究竟是怎樣的？試驗(yàn)上如何探測(cè)？湯姆遜(Thomson)模型即原子中帶正電部分勻整分布在原子體內(nèi),電子鑲嵌在其中，人們稱之為“葡萄干面包或者西瓜模型".為了檢驗(yàn)湯姆遜模型是否正確,盧瑟福于1909年設(shè)計(jì)了α粒子散射試驗(yàn)，并建議他的助手蓋革（Geiger）和學(xué)生馬斯頓（Marsden）實(shí)施。依據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象，他于1911年提出了原子的核式模型。19原子的核式模型α粒子散射試驗(yàn)裝置試驗(yàn)裝置如上圖所示。放射源R中發(fā)出一細(xì)束α粒子，直射到金屬箔上以后，由于各α粒子所受金屬箔中原子的作用不同，所以沿著不同的方向散射。熒光屏S及放大鏡M可以沿著以F為中心的圓弧移動(dòng)。當(dāng)S和M對(duì)準(zhǔn)某一方向上,通過(guò)F而在這個(gè)方向散射的α粒子就射到S上而產(chǎn)生閃光，用放大鏡M視察閃光，就能記錄下單位時(shí)間內(nèi)在這個(gè)方向散射的α粒子數(shù)。從而可以探討α粒子通過(guò)金屬箔后按不同的散射角θ的分布狀況。20α粒子散射試驗(yàn)發(fā)覺(jué)過(guò)程1.用閃爍法觀測(cè)α散射2.蓋革的α散射曲線3.用一金屬板反射觀測(cè)到α粒子的大角度散射4.大角度散射(將金Au換成鉑Pt)21被散射的α粒子大部分分布在小角度區(qū)域。少數(shù)（大約有1/8000）的α粒子散射角θ>900。有的甚至被彈回，偏轉(zhuǎn)角幾乎達(dá)到了1800。“就像你用一枚15英寸的炮彈轟擊一張薄紙被彈回并擊中你一樣不行思議?！薄R瑟福注：1英寸=2.54厘米試驗(yàn)現(xiàn)象22核式模型：正電荷集中在原子中心很小的區(qū)域，所以無(wú)限接近核時(shí)，作用力會(huì)變得的很大。湯姆遜模型：在原子中心旁邊則不能供應(yīng)很強(qiáng)的作用力。兩模型區(qū)分：三、波爾模型1911年，英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福依據(jù)1910年進(jìn)行的α粒子散射試驗(yàn)，提出了原子結(jié)構(gòu)的行星模型。在這個(gè)模型里，電子像太陽(yáng)系的行星圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)一樣圍圍著原子核旋轉(zhuǎn)。但是依據(jù)經(jīng)典電磁理論，這樣的電子會(huì)放射出電磁輻射，損失能量，以至瞬間坍縮到原子核里。這與實(shí)際狀況不符，盧瑟福無(wú)法說(shuō)明這個(gè)沖突。尼·玻爾(NielsBohr，1885-1962），在盧瑟福模型的基礎(chǔ)上，他提出了電子在核外的量子化軌道，解決了原子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問(wèn)題，描繪出了完整而令人信服的原子結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)。1912年，正在英國(guó)曼徹斯特高校工作的玻爾將一份被后人稱作《盧瑟福備忘錄》的論文提綱提交給他的導(dǎo)師盧瑟福。在這份提綱中，玻爾在行星模型的基礎(chǔ)上引入了普朗克的量子概念，認(rèn)為原子中的電子處在一系列分立的穩(wěn)態(tài)上?；氐降満蟛柤庇趯⑦@些思想整理成論文，可是進(jìn)展不大。1913年2月4日前后的某一天，玻爾的同事漢森探望他，提到了1885年瑞士數(shù)學(xué)老師巴耳末的工作以及巴耳末公式，玻爾忽然受到啟發(fā)。后來(lái)他回憶到“就在我看到巴耳末公式的那一瞬間，突然一切都清晰了，”“就像是七巧板游戲中的最終一塊?！边@件事被稱為玻爾的“二月轉(zhuǎn)變”。1913年7月、9月、11月，經(jīng)由盧瑟福舉薦，《哲學(xué)雜志》接連刊載了玻爾的三篇論文，標(biāo)記著玻爾模型正式提出。這三篇論文成為物理學(xué)史上的經(jīng)典，被稱為玻爾模型的“三部曲”。玻爾的原子理論給出這樣的原子圖像：1.電子在一些特定的可能軌道上繞核作圓周運(yùn)動(dòng)，離核愈遠(yuǎn)能量愈高；2.可能的軌道由電子的角動(dòng)量必需是h/2π的整數(shù)倍確定；3.當(dāng)電子在這些可能的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)原子不放射也不吸取能量，只有當(dāng)電子從一個(gè)軌道躍遷到另一個(gè)軌道時(shí)原子才放射或吸取能量，而且放射或吸取的輻射是單頻的，輻射的頻率和能量之間關(guān)系由E=hν給出。h為普朗克常數(shù)。h=6.626×10^(-34)J·s玻爾的理論成功地說(shuō)明白原子的穩(wěn)定性和氫原子光譜線規(guī)律。

玻爾的理論大大擴(kuò)展了量子論的影響，加速了量子論的發(fā)展。1915年，德國(guó)物理學(xué)家索末菲（ArnoldSommerfeld，1868-1951）把玻爾的原子理論推廣到包括橢圓軌道，并考慮了電子的質(zhì)量隨其速度而變更的狹義相對(duì)論效應(yīng)，導(dǎo)出光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)同試驗(yàn)相符。量子力學(xué)是在舊量子論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。舊量子論包括普朗克的量子假說(shuō)、愛(ài)因斯坦的光量子理論和玻爾的原子理論。1900年，普朗克提出輻射量子假說(shuō)，假定電磁場(chǎng)和物質(zhì)交換能量是以間斷的形式(能量子)實(shí)現(xiàn)的，能量子的大小同輻射頻率成正比，比例常數(shù)稱為普朗克常數(shù)，從而得出黑體輻射能量分布公式，成功地說(shuō)明白黑體輻射現(xiàn)象。四、量子力學(xué)模型1905年，愛(ài)因斯坦引進(jìn)光量子(光子)的概念，并給出了光子的能量、動(dòng)量與輻射的頻率和波長(zhǎng)的關(guān)系，成功地說(shuō)明白光電效應(yīng)。其后，他又提出固體的振動(dòng)能量也是量子化的，從而說(shuō)明白低溫下固體比熱問(wèn)題。1913年，玻爾在盧瑟福有核原子模型的基礎(chǔ)上建立起原子的量子理論。依據(jù)這個(gè)理論，原子中的電子只能在分立的軌道上運(yùn)動(dòng)，在軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)候電子既不吸取能量，也不放出能量。原子具有確定的能量，它所處的這種狀態(tài)叫“定態(tài)”，而且原子只有從一個(gè)定態(tài)到另一個(gè)定態(tài)，才能吸取或輻射能量。這個(gè)理論雖然有很多成功之處，但對(duì)于進(jìn)一步說(shuō)明試驗(yàn)現(xiàn)象還有很多困難。在人們相識(shí)到光具有波動(dòng)和微粒的二象性之后，為了說(shuō)明一些經(jīng)典理論無(wú)法說(shuō)明的現(xiàn)象，法國(guó)物理學(xué)家德布羅意于1923年提出了物質(zhì)波這一概念。認(rèn)為一切微觀粒子均伴隨著一個(gè)波，這就是所謂的德布羅意波。德布羅意的物質(zhì)波方程：E=?ω，p=h/λ，其中?＝h/2π，可以由E=p2/2m得到λ＝√(h2/2mE)。由于微觀粒子具有波粒二象性，微觀粒子所遵循的運(yùn)動(dòng)規(guī)律就不同于宏觀物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的量子力學(xué)也就不同于描述宏觀物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的經(jīng)典力學(xué)。當(dāng)粒子的大小由微觀過(guò)渡到宏觀時(shí)，它所遵循的規(guī)律也由量子力學(xué)過(guò)渡到經(jīng)典力學(xué)。量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)的差別首先表現(xiàn)在對(duì)粒子的狀態(tài)和力學(xué)量的描述及其變更規(guī)律上。在量子力學(xué)中，粒子的狀態(tài)用波函數(shù)描述，它是坐標(biāo)和時(shí)間的復(fù)函數(shù)。為了描寫微觀粒子狀態(tài)隨時(shí)間變更的規(guī)律，就須要找出波函數(shù)所滿足的運(yùn)動(dòng)方程。這個(gè)方程是薛定諤在1926年首先找到的，被稱為薛定諤方程。當(dāng)微觀粒子處于某一狀態(tài)時(shí)，它的力學(xué)量(如坐標(biāo)、動(dòng)量、角動(dòng)量、能量等)一般不具有確定的數(shù)值，而具有一系列可能值，每個(gè)可能值以確定的幾率出現(xiàn)。當(dāng)粒子所處的狀態(tài)確定時(shí)，力學(xué)量具有某一可能值的幾率也就完全確定。這就是1927年，海森伯得出的測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系，同時(shí)玻爾提出了并協(xié)原理，對(duì)量子力學(xué)給出了進(jìn)一步的闡釋。量子力學(xué)和狹義相對(duì)論的結(jié)合產(chǎn)生了相對(duì)論量子力學(xué)。經(jīng)狄拉克、海森伯（又稱海森堡，下同）和泡利（pauli）等人的工作發(fā)展了量子電動(dòng)力學(xué)。20世紀(jì)30年頭以后形成了描述各種粒子場(chǎng)的量子化理論——量子場(chǎng)論，它構(gòu)成了描述基本粒子現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)。量子力學(xué)是在舊量子論建立之后發(fā)展建立起來(lái)的。舊量子論對(duì)經(jīng)典物理理論加以某種人為的修正或附加條件以便說(shuō)明微觀領(lǐng)域中的一些現(xiàn)象。由于舊量子論不能令人滿足，人們?cè)谡覍の⒂^領(lǐng)域的規(guī)律時(shí)，從兩條不同的道路建立了量子力學(xué)。1925年，海森堡基于物理理論只處理可視察量的相識(shí)，拋棄了不行視察的軌道概念，并從可視察的輻射頻率及其強(qiáng)度動(dòng)身，和玻恩、約爾丹一起建立起矩陣力學(xué)；1926年，薛定諤基于量子性是微觀體系波動(dòng)性的反映這一相識(shí)，找到了微觀體系的運(yùn)動(dòng)方程，從而建立起波動(dòng)力學(xué)，其后不久還證明白波動(dòng)力學(xué)和矩陣力學(xué)的數(shù)學(xué)等價(jià)性；狄拉克和約爾丹各自獨(dú)立地發(fā)展了一種普遍的變換理論，給出量子力學(xué)簡(jiǎn)潔、完善的數(shù)學(xué)表達(dá)形式。海森堡還提出了測(cè)不準(zhǔn)原理，原理的公式表達(dá)如下：ΔxΔp≥?/2。建立在量子理論基礎(chǔ)上的原子結(jié)構(gòu)模型，為現(xiàn)代元素周期律的理論奠定了基礎(chǔ)，莫斯萊（英）依據(jù)大量晶體X射線衍射的試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合當(dāng)時(shí)的原子結(jié)構(gòu)理論得出周期律是依據(jù)原子序數(shù)排列的，而不是原子量。對(duì)于放射性的進(jìn)一步探討，人們發(fā)覺(jué)，原子量不同的同種原子，放射性也不同，1913年索弟（英）提出同位素假說(shuō)。第三節(jié)莫斯萊定律、原子量測(cè)定和同位素發(fā)覺(jué)第四節(jié)超鈾元素的合成與現(xiàn)代元素周期律理論20世紀(jì)30年頭，元素周期表上的最終一個(gè)元素是92號(hào)元素鈾。1934年E.費(fèi)密認(rèn)為，元素周期表的終點(diǎn)不是鈾，鈾以后還應(yīng)存在“超鈾元素”。他從中子照射過(guò)的鈾中分出了放射性產(chǎn)物，并稱之為“超鈾元素”。1938年發(fā)覺(jué)核裂變現(xiàn)象后,判明以前所謂的“超鈾元素”事實(shí)上是某些裂變產(chǎn)物元素。1940年，美國(guó)科學(xué)家E.M.麥克米倫等利用中子照射氧化鈾薄片，發(fā)覺(jué)了第一個(gè)人工合成的超鈾元素──93號(hào)元素镎。隨著反應(yīng)堆、加速器以及核物理和放射化學(xué)探測(cè)、分別技術(shù)的發(fā)展，1940年以后,已用人工方法合成了從93號(hào)到107號(hào)的15個(gè)超鈾元素,約160種核素;1982年和1984年，又報(bào)道合成了109號(hào)和108號(hào)元素。超鈾元素中前11個(gè)（Z=93～103,即镎到鐒）屬于錒系元素。猶如鑭以后填充4f亞電子殼層的14個(gè)元素（Z=58～71，從鈰到镥）組成鑭系元素一樣，錒(Z=89)以后填充5f亞電子殼層的14個(gè)元素(Z=90～103，從釷到鐒)組成錒系元素,在元素周期表中也占有特殊的位置。由于這些元素逐個(gè)填充5f內(nèi)電子殼層，它們彼此在化學(xué)性質(zhì)上是相像的，需用特殊的萃取劑和離子交換劑進(jìn)行化學(xué)分別。鐒(Z＝103)以后的元素總稱超錒元素(或超鐒元素)，目前只人工合成了104、105、106、107、108和109號(hào)元素（這些元素的化學(xué)命名尚未最終確定）。它們接著填充6d電子殼層,因而，104號(hào)元素的化學(xué)行為同Ⅳ副族的鉿相像,105號(hào)元素同Ⅴ副族的鉭相像，106和107號(hào)元素則相應(yīng)同鎢和錸相像。盡管已發(fā)覺(jué)在自然鈾礦中存在極微量的镎和钚，但供探討和應(yīng)用的全部超鈾元素仍都由人工方法制備。人工合成超鈾元素主要通過(guò)兩大類型核反應(yīng)的途徑實(shí)現(xiàn)，即：中子俘獲反應(yīng)和帶電粒子核反應(yīng)

上述兩種合成的方法中，只有中子俘獲法能獲得可稱量的Z<100的超鈾元素。目前世界上钚的年產(chǎn)量達(dá)噸級(jí)，镎、镅、鋦的年產(chǎn)量達(dá)到公斤級(jí)，鋦以后的元素的年產(chǎn)量則低得多，如锎僅為克數(shù)量級(jí)。利用帶電粒子轟擊靶元素的方法只能獲得示蹤量的超鈾元素。對(duì)于Z>100的元素的合成，因其生成截面微小，往往一次試驗(yàn)僅可產(chǎn)生幾十甚至幾個(gè)原子。第一次合成鍆時(shí)，用α粒子轟擊Es，三個(gè)小時(shí)才產(chǎn)生一個(gè)Md原子。人工合成的超鈾元素對(duì)核能的發(fā)展和利用有重要意義。Pu是反應(yīng)堆及核電站等的重要核燃料Pu、Cm和Cm制成的熱源和熱電池已用于氣象衛(wèi)星和航天事業(yè),Pu還用于制造心臟起搏器。此外，人工合成超重元素對(duì)擴(kuò)展元素周期表、預(yù)言更重的原子核的結(jié)構(gòu)和探究星際起源等方面都有重要意義。第十五章現(xiàn)代結(jié)構(gòu)化學(xué)（下）—量子化學(xué)理論第一節(jié)經(jīng)典價(jià)鍵結(jié)構(gòu)理論弗蘭克蘭特從銻、砷、磷、氮僅能結(jié)合確定數(shù)量的有機(jī)基團(tuán)動(dòng)身，相識(shí)到一個(gè)元素原子能和另一個(gè)元素原子化合的原子數(shù)目是確定的，這是初步的原子價(jià)概念，是經(jīng)典價(jià)鍵理論的開(kāi)端。荷蘭范霍夫，法國(guó)勒貝爾提出碳原子價(jià)鍵的空間結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)，由于碳的四個(gè)價(jià)鍵上取代基不同，導(dǎo)致了光學(xué)異構(gòu)體，并預(yù)料了異構(gòu)體的數(shù)目，也指出雙鍵的存在將引起順?lè)串悩?gòu)，這是立體化學(xué)的開(kāi)端。瑞士蘇黎世高校名教授維爾納首先提出“配位數(shù)”概念，建立了絡(luò)合物的配位理論。1893年，他發(fā)表了“論無(wú)機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)”一文，大膽提出了劃時(shí)代的配位理論，這是無(wú)機(jī)化學(xué)和配位化學(xué)結(jié)構(gòu)理論的開(kāi)端。維爾納的配位理論很好地說(shuō)明白已知的同分異構(gòu)現(xiàn)象。他認(rèn)為內(nèi)界的構(gòu)型可以是平面的，也可以是立體的。并且，他還預(yù)言了后來(lái)證明存在的一些同分異構(gòu)現(xiàn)象，從而配位理論得到了化學(xué)家的普遍承認(rèn)。早在1900年，阿培格就指出：原子的原子數(shù)概念和借助于它得出的化學(xué)式是有機(jī)化合物分類的基礎(chǔ)，但對(duì)于無(wú)機(jī)化合物卻遠(yuǎn)非是充分的。對(duì)于各種無(wú)機(jī)化合物，原子或原子團(tuán)對(duì)電荷的親和力是特別重要的。盡管這種思想并不特別清晰和明確，但已具備了化學(xué)鍵電子理論的萌芽。1904年，阿培格又進(jìn)一步發(fā)展了他的思想，在題為《親和力和原子價(jià)》的論文中提出了“電價(jià)”的概念。盡管他在論文中把電價(jià)和化學(xué)元素周期表聯(lián)系了起來(lái)，并提出正常價(jià)和反常價(jià)的新觀點(diǎn)，但他沒(méi)有提出任何原子模型。阿培格的電價(jià)理論，也沒(méi)有依靠任何原子模型。只是把電價(jià)定義為：表觀為原子在生成離子化合物時(shí)，以其離子所帶的電荷數(shù)來(lái)量度電子價(jià)。由此可見(jiàn)，阿培格的電價(jià)理論還是閱歷性的，是不成熟的。但他的電價(jià)理論，指明白后人探討化學(xué)鍵的方向。1913年，玻爾在提出原子模型的同時(shí)，還曾提出關(guān)于分子的動(dòng)態(tài)模型，這一模型的合理內(nèi)容，經(jīng)過(guò)一系列的發(fā)展，才使化學(xué)鍵的電子理論得以完善。1916年，德國(guó)化學(xué)家柯塞爾提出了他的化合價(jià)理論：必需用原子結(jié)構(gòu)的理論來(lái)說(shuō)明化學(xué)行為，化學(xué)中穩(wěn)定離子的形成，是由于原子獲得電子或失去電子以達(dá)到惰性氣體穩(wěn)定電子結(jié)構(gòu)而造成的?？巳麪柕睦碚撝饕詷O性分子與離子化合物為對(duì)象，成功地說(shuō)明白典型金屬和非金屬相互作用的化學(xué)行為。他的理論是建立在化學(xué)元素的原子中電子完全得失的極端化的基礎(chǔ)上的，沒(méi)有考慮到相互若即若離的過(guò)渡狀態(tài)，因此，在說(shuō)明離子化合物時(shí)是成功的，而對(duì)于非離子化合物，如氧氣、氯氣等則無(wú)法說(shuō)明。柯塞爾的理論只是解決了沖突的一個(gè)方面。他的功績(jī)?cè)谟谒央x子化合物區(qū)分出來(lái)了，并把這種化個(gè)物的形成與玻爾的原子結(jié)構(gòu)模型相聯(lián)系，這在化合價(jià)的電子理論的發(fā)展中是一大進(jìn)步。美國(guó)科學(xué)家路易斯于同年發(fā)表了《原子和分子》的論文，說(shuō)明的問(wèn)題正是克塞爾遺留的問(wèn)題，即沖突的另一方面。路易斯原子模型的敘述是有錯(cuò)誤的，但是，路易斯的觀點(diǎn)中，包括著很多合理的思想。其中，最重要的是認(rèn)為兩個(gè)原子可以共享電子以達(dá)到“八偶體狀態(tài)”，從而說(shuō)明白非極性鍵的生成。也使得人們對(duì)化合價(jià)理論有了更深刻和更完善的相識(shí)。路易斯的共價(jià)鍵理論因?yàn)槭墚?dāng)時(shí)條件的限制，只能說(shuō)明一些簡(jiǎn)潔分子，對(duì)困難的多原子共價(jià)化合物還無(wú)法說(shuō)明。美國(guó)化學(xué)家朗繆爾在劉易斯理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行了深化的探討，使劉易斯的共價(jià)鍵理論得到了補(bǔ)充和發(fā)展。其次節(jié)共振理論共振論是美國(guó)化學(xué)家L.PauLing在十九世紀(jì)三十年頭初提出來(lái)的，一種分子結(jié)構(gòu)理論，他認(rèn)為分子的真實(shí)結(jié)構(gòu)是由兩種或兩種以上的經(jīng)典價(jià)鍵結(jié)構(gòu)式共振而成的，共振論包括離域鍵、鍵長(zhǎng)、鍵能等概念，表示電子離域化的電子式方法一共振。共振論的應(yīng)用主要包括說(shuō)明有機(jī)化合物的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)兩個(gè)方面，在物理性質(zhì)方面可以用來(lái)說(shuō)明分子的極性（偶極矩）鍵長(zhǎng)，離域鍵、鍵能等，在化學(xué)性質(zhì)方面可以用來(lái)預(yù)料反應(yīng)的產(chǎn)物比較化合物酸堿性的強(qiáng)弱；推斷反應(yīng)條件穩(wěn)定，電荷的分布位置和說(shuō)明多重反應(yīng)性能等，但只應(yīng)當(dāng)適當(dāng)選用而不能過(guò)分強(qiáng)調(diào)它的應(yīng)用?？傊?，任何一個(gè)化學(xué)反應(yīng)是電子云的分布價(jià)鍵的變更和共振的結(jié)果。所以說(shuō)明絕大多數(shù)化學(xué)或立體化學(xué)問(wèn)題時(shí)共振論、共價(jià)鍵論（價(jià)鍵和分子軌道理論）量子力學(xué)等理論要結(jié)合起來(lái)，要的確駕馭共振的定量概念，因?yàn)?，它們相互補(bǔ)充也有它們的缺點(diǎn)，屬于共扼效應(yīng)有一些問(wèn)題，也是要運(yùn)用分子軌道理論方法來(lái)解決。用共振式來(lái)形式化地（定性地）描述電子離域化系統(tǒng)很便利，在實(shí)際用上很有價(jià)值，因此用仍很廣泛?，F(xiàn)代化化學(xué)鍵理論是建立在薛定鄂方程的基礎(chǔ)上的，人們用波函數(shù)來(lái)描述電子的狀態(tài)，1927年海特勒和倫敦解氫分子的薛定鄂方程建立量子化學(xué)，他們計(jì)算出氫分子的兩個(gè)能量狀態(tài)1和2得到了試驗(yàn)驗(yàn)證，繼而建立了全新的化學(xué)鍵理論。在化學(xué)發(fā)展中，對(duì)于共價(jià)鍵，形成了兩種等價(jià)的理論，其一是價(jià)鍵理論，先由海特勒和倫敦提出，后經(jīng)鮑林（美）和斯萊特（美）充溢發(fā)展而成；其二是分子軌道理論，由馬利肯（美）和洪特（德）等人提出來(lái)的。第三節(jié)現(xiàn)代化學(xué)鍵理論由于有機(jī)合成的進(jìn)一步發(fā)展，1965年伍德瓦德（美）和霍夫曼（美）在合成維生素B12時(shí)總結(jié)出分子軌道對(duì)稱守恒原理，1981年，福井謙一（日）和霍夫曼因?yàn)樗麄兏髯蕴岢銮熬€軌道理論和分子軌道對(duì)稱守恒原理而被授予諾貝爾獎(jiǎng)。們對(duì)晶體一般規(guī)律的探究也是從探討晶體的外形起先的。1669年，丹麥人斯登諾（Steno,N.1638-1686），1783年法國(guó)礦物學(xué)家愛(ài)斯?fàn)枺―eIIsle,R.1736-1790）分別在觀測(cè)各種礦物晶體時(shí)發(fā)覺(jué)了晶體的第一個(gè)定律──晶面夾角守恒定律。在19世紀(jì)初，晶體測(cè)角工作曾盛極一時(shí)，積累了關(guān)于大量自然礦物和人工晶體的精確觀測(cè)數(shù)據(jù)。這為進(jìn)一步發(fā)覺(jué)晶體外形的規(guī)律性（特殊是關(guān)于晶體對(duì)稱性的規(guī)律）創(chuàng)建了條件。第四節(jié)晶體結(jié)構(gòu)的測(cè)定在晶體對(duì)稱性的探討中，關(guān)于對(duì)稱群的數(shù)學(xué)理論起了很大作用。在1805－1809年間，德國(guó)學(xué)者魏斯（Weiss,C.S.1780-1856）起先探討晶體外形的對(duì)稱性。1830年德國(guó)人赫塞爾（Hessel,J.F.Ch.1796-1872），1867年俄國(guó)人加多林分別獨(dú)立地推導(dǎo)出，晶體外形對(duì)稱元素的一切可能組合方式（也就是晶體宏觀宏觀對(duì)稱類型）共有32種（