元素周期律的科学阐述

 

在原子结构和量子力学逐渐被世人广泛接受之后,随之而来的就是对由大量原子、分子或离子聚集而成的物质的物理性质、结构、内部运动规律及其化学性质和变化有了真正的认识。从根本上改变了20世纪之前在物质的组成、物质的物理、化学性质以及物质变化研究领域中建立起来的一些基本概念。原来仅是经验规律的元素周期律得到理论的解释;以原子论为核心的研究,发展到了主要以原子、分子这两个概念为基础的研究,主要通过研究电子在分子、原子中的分布和运动规律,更深刻地揭示物质的物理化学性质和物理化学变化,电子成为一个研究的结构单元;物理与化学统一成为物质科学,并开始向生物和更广阔的科学研究领域发展。

化学键理论的形成
  

电子绕核运动概念的形成

  泡利1915年索末菲把玻尔的原子核结构理论从两方面加以扩充,一是认为电子绕核运动不仅限于圆形轨道,而且也包括椭圆形轨道。二是把相对论与玻尔理论结合起来,考虑到电子的质量会随电子的运动速率的变化而变化。1925年,泡利提出不相容原理,描述了电子在轨道上的分布,因此获1945年物理奖。随着量子力学的建立,原子结构理论有了重大发展,玻尔的电子轨道概念为电子云概念所取代。

 

 

 

化学键理论的发展

  鲍林1931年,化学家鲍林和物理学家斯莱脱合作从电子的波动性出发,认为波可以叠加,在碳原子成键时,电子所用的轨道不完全是原来纯粹的单一轨道,而是两个轨道经过叠加而成的“杂化轨道”,这个理论能很好地解释甲烷的四面体结构,也满意地解答了乙烯分子及其化许多分子的构型,因此获1954年诺贝尔化学奖。

  莫立肯利用量子力学方法,用计算机计算了在分子内电子运动的途径,主张把轨道看成是围绕原子核散开的电子云,轨道面向空间,可以互相重叠,形成化学键,为分子轨道理论建立作出贡献,因此获1966年化学奖。

  1965年,化学家伍德瓦德与霍夫曼共同提出并阐明了“各种分子在反应中总是倾向于循着(或力图保持)其轨道对称性不变的方向发展”的分子轨道对称守恒原理。

物性分析

固体中的电子移动学

  肖克利、巴丁、布拉顿1928年,布洛赫提出能带理论的雏形。能带理论用单电子独立运动的量子描述解释了固体的导电性质。1947年肖克利、巴丁、布拉顿发明了点接触型晶体管,获1956年物理奖。1957年基比尔发明集成电路。1957年江崎玲于奈用发现半导体的隧道效应,并制造了隧道二极管,获1973年物理奖。

图中蜂球表示栓在二位平面上的电子蓝色起伏坡表示一个在磁场中运动的“自由”电子的电荷分布,黑尖头是束缚在电子上的磁通量。

1980年克利青从金属-氧化物-半导体效应管的氧化物表面上发现了量子霍尔效应,获1985年物理奖。

 

 

 

磁性原理

  1928年海森伯把量子力学引进了外斯的铁磁理论,依据局域化自旋交换解释了磁性的起源。1932年内耳发现了反磁性和亚铁磁性并成功地解释了这些现象,获1970年物理奖。范弗勒克、安德逊等对磁性和无序体系电子结构的基本性研究获1977年物理奖。1926年吉奥克提出绝热去磁法获1949年化学奖。

 

 

 

 

高压下的变化

  1910年布里奇曼设计出压强达2万公斤/厘米2的高压装置。人工合成钻石设备1953年美国通用电气公司在他的装置基础上设计一种高压装置并利用它在1955年首次合成了金刚石。由于他在高压装置设计上的杰出贡献,获1946年物理奖。朗道1962年因在液氦研究方面所做的开创性工作获物理奖,他还在超导方面有重要贡献。


 

 

 

低温物理和超导

低温下的金属导电

  曾因在低温物理研究的贡献获1913年物理奖的昂内斯于1913年发现低温超导现象。1957年巴丁、库珀和施里弗提出了第一个成功的超导微观理论,1972年获物理奖。1960年代初,贾埃佛在一系列实验中观察到单电子隧道效应, 并利用这种方法准确测量了超导体的能隙,同时约瑟夫森在理论上预言了超导电子对以隧道效应通过超导-势垒-超导体出现的奇特现象,即“约瑟夫森效应”1963年贝尔实验室从实验上证明了他的预言。他们获1973年物理奖。由此一门新的学科-超导电子学创立了,尤其是伴随着根据约瑟夫森效应原理制成的超导量子干涉器件(SQUID)的问世,相应地,超导体的另一大类应用,即弱电(弱磁)应用也拉开了序幕。1986年,柏德诺兹、缪勒在镧钡铜氧的化合物中发现了存在临界转变温度高达30K左右的超导电性。他们因此获1987年物理奖。1993年日本已制成1080米长,临界温度为110K的超导线。

原子排列方式与结构

  通过新的技术,对物质晶体和分子结构的研究,不仅能更系统、更精确地掌握原子和原子基团构成化学物质及诱发化学变化的方式和规律,还能解释和推测物质在静态和动态中所表现的性质和性能。这使整个化学科学从经典的定性的科学发展成为现代的定量的科学。


探讨化合物的结构

X射线结构分析方法

  对晶体结构的研究将帮助人们从原子的水平上了解物质。1913年布拉格父子用X射线衍射法对氯化钠、氯化钾晶体进行了测定,指出分析晶体衍射图就可以确定晶体内部的原子(或分子)间的距离和排列。1915年布拉格父子因此获诺贝尔物理奖。
  有机化学家豪普物曼和卡尔勒在50年代后建立了应用X射线分析的以直接法测定晶体结构的纯数学理论,特别对研究大分子生物物质如激素、抗生素、蛋白质及新型药物分子结构方面起了重要推进作用,他们因此获1985年诺贝尔化学奖。DNA X射光绕射影像

 

 

 

核磁共振技术

  1927年1919年斯特恩发展了研究原子、原子核性质的分子束方法,证实了原子磁矩的存在,获1943年物理奖。1944年,拉比因发明记录原子核磁性共振法而获1944年物理奖。1946年布洛赫和珀塞尔各自独立地发展出一种新的实验方法,脚部核磁共振圈能以极高精确度测量原子核的磁矩。他们开辟了一个崭新的物理学领域-核磁共振能谱学,病人在做核磁共振检查同时对于物质结构的测定,特别是结构化学的发展起了重要作用,他们因此获1952年物理奖。

  从70年代后期起,随着计算机和NMR在理论和技术上的完善,NMR无论在广度、深度上都获得了长足的发展,它已成为物理、化学、生物、医学和地学研究中必不可少的实验手段。

扫描隧道显微镜的发明

  1982年,国际商业机器公司苏黎世实验室的葛.宾尼博士和海.罗雷尔博士及其同事们共同研制成功了世界第一台新型的表面分析仪器——扫描隧道显微镜(STM)。用单原子拼成的汉字它的出现,使人类第一次能够实时地观察单个原子物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质,被国际公认为80年代世界十大科技成就之一。为此,1986年,宾尼博士和罗雷尔与发明电子显微镜的鲁斯卡获诺贝尔物理学奖。被激光囚禁的铷原子云

 

被激光囚禁的铷原子云