1803年，道尔顿将古希腊思辨的原子论改造成定量的化学原子论。他提出了下述假设：1. 化学元素是由非常微小的、不可再分的物质微粒即原子组成的；2. 原子是不可改变的；3. 化合物由分子组成，而分子由几种原子化合而成，是化合物的最小粒子；4. 同一元素的原子均相同，不同元素的原子不同，主要表现为重量的不同；5. 只有以整数比例的元素的原子相结合时，才会发生化合；6. 在化学反应中，原子仅仅是重新排列，而不会创生或消失。道尔顿的这种新的原子论很好地解释了当量定律。1808年，道尔顿出版了《化学哲学新体系》，系统地阐述了他的化学原子论。
道尔顿不仅用术语“原子”来表示具有给定化学性质的化学元素的最小粒子，在化学化合时只以整数数目与另一种基本粒子结合，而且还用原子来表示刚性而不可分的终极粒子。道尔顿得到的结论是：化学元素和初始的物理学原子并没有区别。由此，原子论的发展在进入19世纪以后掀开了新的一页，它从哲学的猜想变为科学的推理与实证，从定性的模糊描述进入到定量的精确测量与推算。
之前人们已经知道空气是由几种成分组成的，主要是氧、氮、水气，并且空气是均匀的。但是在道尔顿看来，如果气体相互排斥，空气的各个组成成分就应该分离出来。为了解决这一困难，道尔顿提出不同化学物质的原子并不是一样的，原子存在着不同的类型；任何一种元素的原子都是一样的，并且都带有这种元素自身的特性。
道尔顿根据原子概念提出了倍比定律，并用实验证实了这一定律。倍比定律指的是，当甲、乙两种元素相互化合，能生成几种不同的化合物时，则在这些化合物中，与一定量甲元素相化合的乙元素的质量必互成简单的整数比。例如铜和氧可以生成氧化铜和氧化亚铜两种化合物。在氧化铜中，含铜80%，含氧20%，铜与氧的质量比为4∶1。在氧化亚铜中，含铜88.9%，含氧11.1%，铜与氧的质量比为8∶1。由此可见，在这两种铜的氧化物中，与等量的氧相化合的铜的质量比为1∶2，是一个简单的整数比。倍比定律的发现使得原子论更加可信了。
道尔顿进一步提出，鉴别不同元素原子的一个重要特征是它们的相对重量。他在1803年以氢元素的重量为单位列出第一张这样的重量表，也就是我们所说的原子量表。如果人们能够知道一种元素有几个原子和另一种元素的一个原子化合，就可以在实验数据的基础上运用倍比定律测算出元素的原子量来。

古代原子论是哲学思辨的产物，而道尔顿的原子论是科学实验和逻辑推理的产物，所以是道尔顿把原子论从哲学变成了科学，而且是分类的、定量的科学。在道尔顿之前，无论是在牛顿的理论中还是在拉瓦锡的理论中，都是把物理学的原子论跟化学的元素理论截然分开的，道尔顿第一次把物理学的原子论跟化学的元素理论统一起来了。与道尔顿同时代的著名化学家戴维（Davy）曾说：“原子论是当代最伟大的科学成就，道尔顿在这方面的功绩可与开普勒在天文学方面的功绩媲美。”道尔顿的主要成就都写在他的《化学哲学新体系》一书中，通过这部书，他既贡献了新的知识，也为后人的探索发现提供了宝贵的方法。
道尔顿出生在英国坎伯兰郡一个纺织工人家庭。因家里太穷，只能上贵格会（一种教会组织）的学校，他的老师鲁宾逊很喜欢道尔顿，允许他阅读自己的藏书和期刊。1778年鲁宾逊退休，12岁的道尔顿接替他在学校里任教，工资微薄。1781年道尔顿在另一所学校任教时，结识了盲人哲学家J.高夫，并在他的帮助下自学了拉丁文、希腊文、法文、数学和自然哲学。
道尔顿早期主要关注气象学，然后又研究化学，但仍然保持天天做气象记录的习惯，而且在每天早上六点准时打开窗户，使得对面的一个家庭主妇依赖道尔顿每天开窗来起床为家人做早饭。道尔顿虽然取得了巨大的成就，但是直到晚年他的生活也不宽裕，68岁时还在招收学生以补贴家用。学生当中有个没有受过正规教育的16岁少年名叫詹姆斯•焦耳，后来在热力学和电学领域取得重大成就。
道尔顿还曾经研究过色盲问题，因为他本人患有遗传先天性红绿色盲症。在这个课题上道尔顿只发表过一篇文章，但是此后这种先天性红绿色盲症就被称为“道尔顿症”。
道尔顿不是那种天资超群的人，但他勤奋、刻苦、不折不挠，终于以原子论学说为现代化学奠定了基础。

1805年，法国化学家和物理学家盖-吕萨克（Gay-Lussac）在实验中发现：水可以用氧气和氢气按体积1∶2的比例制取。1808年他又发现，体积的整数比例关系不仅在参加反应的气体中存在，如果反应物是气体的话，体积这种比例关系同样存在于反应物与生成物之间。1809年12月31日盖-吕萨克发表了他发现的气体化合体积定律，也称盖-吕萨克定律。在此之前的1804年，盖-吕萨克有过一次壮举，他和法国物理学家毕奥等人带着气压计、温度计、湿度计、静电计等仪器，还有青蛙、小鸟等实验动物，乘坐拿破仑时代的热气球，升上5800米的高空，进行空气测量和实验。这个高度比阿尔卑斯山的最高峰勃朗峰还要高1000米。
1811年，意大利都灵大学的物理学教授阿伏伽德罗（Avogadro）进一步设想，同样体积的不同气体在同样的温度和压力下，含有同等数目的微粒。1814年，法国的科学家安培（Ampère）也提出了同样的假说。阿伏伽德罗的假说引起了一个困难，即一体积的氢和一体积的氯化合时，产生了两体积的氯化氢，这在当时意味着氢原子和氯原子在化合的过程中都分裂为两半。为了克服这一困难，阿伏伽德罗假定氢、氯等气体的元素微粒都是含有两个原子的分子，当两种气体化合时，这些元素的分子就分裂成两个原子，然后每种元素都有一个原子存在于一个化合分子中。
阿伏伽德罗的假说显然是一个很合逻辑的解决办法，但是直到19世纪60年代以前，它并没有被人们广泛接受。道尔顿和其他一些人都反对这种见解，因为他们坚持认为同一种原子必然相互排斥，因而不可能结合成分子。道尔顿本人还认为不同种类的原子不但原子量不同，而且大小不同，每单位体积的气体中的分子数目也不同。道尔顿一开始也不相信盖-吕萨克的气体化合体积定律，直到后来的实验证据逼得他接受了盖-吕萨克定律，但是他始终否定阿伏伽德罗假说的正确性。可见大科学家有时也是很偏执的。

1819年，法国科学家P.L.杜隆（P-L Dulong）和A.T.珀替（A.T.Petit）测定了许多单质的比热容之后，发现大部分固态单质的比热容与原子量的乘积几乎都相等，这个乘积约等于6.2。这个定律被称为杜隆-珀替定律。比热容是指单位质量物质的热容量，即单位质量物体改变单位温度时吸收或放出的热量。在室温下，这个定律对于绝大多数单质固体而言都是适用的，只有少数原子量低、熔点高的单质固体，如硼、铍、金刚石（碳）等是例外，这些物质在高温时才适用此定律。
杜隆－珀替定律的发现是在道尔顿原子论问世后不久, 那时原子量数据还比较混乱，很不准确。尽管这一定律在当时的科学界还没有被普遍接受，但是杜隆和珀替还是大胆地按此定律修正了一批元素的原子量。
杜隆－珀替定律是一条经验定律，到19世纪中叶人们才逐渐认识到这条定律的背后原因在于，物体温度升高所需热量决定于原子的多少而与原子的种类无关。比热容和原子量的乘积就是1摩尔原子的温度升高1度所需的热量，习惯上称为原子热容，所以这个定律也叫原子热容定律，即“大多数固态单质的原子热容几乎都相等”。

4. 接力式的竞赛：元素周期律的发现

对于元素的分类工作，最早可追溯到18世纪有“现代化学之父”之称的法国化学家拉瓦锡（Lavoisier，公元1743-1794年）。拉瓦锡第一个尝试在化学元素之间寻找其相互联系，他在《化学概要》一书中把他所认定的33种“化学元素”分为四类。不过，33种“化学元素”中包括了某些化合物，甚至还有光和热。“元素”的认定本身就存在着很多问题，当然这种分类也就不可能正确了。在道尔顿的原子论中，原子量成为元素的重要特征，所以不少化学家开始从原子量中来探寻元素之间的联系。
在19世纪初，科学家已经发现如果以氢的原子量作为一个单位，有一些元素的原子量都接近于整数。英国伦敦的一个医生普劳特（Pront）在1815年就提出各种元素的原子都是由数目不同的氢原子组成的。瑞典化学家柏齐利乌斯（Berzelius）经过研究认为元素的原子量并不精确地是氢原子量的整数倍。19世纪30年代，柏齐利乌斯制定了一个原子量表，他的原子量跟今天确认的非常接近。
1817年德国耶拿大学的化学教授德贝赖纳（Dobereiner）发现了钙、锶、钡的原子量大致形成一种等差级数，法国巴黎大学的化学家巴拉尔（Balard）根据他新发现的溴的化学性质预言氯、溴、碘将形成另一个等差级数。
这种等差级数的关系对于当时已知的50多种元素并不能普遍适用，给人的感觉像是拼凑出来的，所以没有引起足够的重视。19世纪40年代，法国化学家杜马（duma）尝试根据元素的性质和反应把元素分为天然的族。他把硼、碳、硅放在一组，把氮、磷、砷放在另一组。
19世纪50年代，化学家已经发现每一种金属原子只能和完全确定数目的有机基团化合，这个数目被称为元素的原子价，例如锑、砷、磷、氮的化合数一般是3或5，有机化合物中最重要的元素碳的化合数是4。根据各种元素的化合价，一些化合物的分子结构模型被化学家们构造出来了。化学家们还注意到，各种同价的元素形成了天然的族或者组，这一事实使化学家发现了对元素进行分类的另一个依据。

当元素的原子量和原子价在19世纪60年代被固定下来之后，一些化学家纷纷进行把元素分为若干有联系的组的新尝试，1862年，法国的地质学家尚古多（Chancourtois），将已知的61种元素按原子量的大小顺序标记在绕着圆柱体上升的螺旋线上，制作了一个“大地螺旋图”。他把圆柱纵向分为16等分，把螺旋下端的出发点定为零，通过此点就可划分出从0到16号的纵线。如果把原子量为1的氢安排在第一号纵线上，则原子量为7的锂就排在第七号纵线上，据此发现性质相似的元素，如锂、钠和钾，铍、镁、钙、锶和钡，分别位于同一纵线上。
这种排列方法很有趣，但要达到井然有序的程度还有困难。一些性质迥异的元素，如硫和钛、钾和锰都跑到同一条母线上而成为同组元素。尚古多将煞费苦心的大作“大地螺旋图”递交给法国科学院，由于他大量使用了一些地质学术语，化学家看不太明白，尚古多本人也解释不清，结果法国科学院拒绝发表他的论文。尚古多先后递交了三篇含有图表的论文，都是石沉大海。直到27年后，元素周期律已被普遍接受的1889年，他的研究报告才出版，却是明日黄花了。
在法国发生的故事，很快在英国又重演了一遍。1864－1865年期间，英国化学家纽兰兹（Newlands）把当时已知的61种元素按原子量的大小顺序进行排列，发现无论从哪一个元素算起，每到第八个元素就和第一个元素的性质相近。这很像音乐上的八度音循环，因此，他干脆把元素的这种周期性叫做“八音律”。为了便于观察，纽兰兹把全部已知元素整理成七行八列的表格，其中不直接使用原子量，而是使用了元素的序号。这个表的前两个周期几乎与现代周期表中的二、三周期完全一样。看来，纽兰兹已经地摸到了“真理女神”的裙角，差点就揭示出元素周期律了。但从第三纵列以后就不能令人满意了，有六个位置同时安置了两种元素，还有些顺序考虑到元素的性质而大胆地颠倒了，但并不恰当。另外，纽兰兹没有充分估计到原子量的值会有错误，更没有考虑到应该为那些未被发现的元素预先留出空位。他只是机械地将元素按原子量大小的顺序连续地排列起来。结果锰和氮、磷、砷排成了性质相似的一族；钴和镍则排在卤素之列。这样就把事物内在的本质规律掩盖起来了。
1865年，纽兰兹在英国化学学会的讲坛上报告自己的论文《论八音律》时，他的重要观点不但没有受到重视，还遭到了与会化学家的嘲笑。一个教授当场奚落纽兰兹：“如果按原子量的顺序把元素排列起来之后，就可以得出具有重要意义的定律的话，那么若是按元素名称的字头ABC的顺序排列起来的话，也许会得到更加意想不到的美妙效果！”纽兰兹的工作已经接近元素周期律，却被一群保守的化学家视为怪胎，化学学会拒绝发表他的论文。纽兰兹对英国化学界的保守气氛深感失望，一气之下干脆放弃了理论化学的研究，转而研究制糖工艺。直到门捷列夫和迈耶尔发现元素周期律并被广泛承认后，英国化学学会才纠正了对纽兰兹工作不公正的评价，1877年颁发给他一枚戴维勋章，以表彰他在探索元素周期律的工作中所做出的贡献。
与此同时，德国化学家迈耶尔（Meyer）从化合价和物理性质方面人手，去探索元素间的规律。1864年，迈耶尔写成了著名的《近代化学理论》一书，详细阐述了原子－分子论。这本书前后再版了五次，并被译成英、法、俄文，传播很广。《近代化学理论》的第一版中列出了迈耶尔的第一张元素周期表，表中列出了28个元素，他们按相对原子质量递增的顺序排列，一共分成六族，并给出了相应的原子价是4、3、2、1、1、2。1868年，迈耶尔发表了第二张周期表，增加了24个元素和9个纵行，并区分了主族和副族。迈耶尔的第三张元素周期表发表于1870年，他采用了竖式周期表的形式，对相似元素的族属划分更加完善。并且预留了一些空位给有待发现的元素，但是表中没有氢元素。可以说，迈耶尔已经发现了元素周期律。

最后要说的就是与迈耶尔同一时期的、20世纪以后家喻户晓的俄国化学家门捷列夫了，他制定的元素周期表几乎是毫无改变地延用至今，并且一定还会一劳永逸地延用下去──经过门捷列夫“一劳”，我们大家都“永逸”了。这就是为什么我们应当感谢那些无私奉献的科学家。



门捷列夫

德米特里•门捷列夫（Дми́трий Ива́нович Менделе́ев，公元1834-1907年）出生于西伯利亚的小城托博尔斯克，13岁时父亲去世。1848年，他的母亲在自家的小工厂被一把大火烧光了之后，卖掉了家产，经过几千公里的雪橇旅行和几多周折，把14岁的门捷列夫送到圣彼得堡的中央师范学院学习化学，这个学校也是他父亲的母校。好在大学的学费和吃住费全免，这使门捷列夫的学业有了保障。门捷列夫是一个活泼调皮的学生，学习成绩一度很差，二年级结束时全班28个学生中只有3人为他垫底。后来他改正了自己的缺点，毕业时因成绩优秀而获得一枚金质奖章，毕业后先后做过中学教师和彼得堡大学的副教授。1859年他到德国海德堡大学深造，1861年回到彼得堡先后在工艺学院和彼得堡大学教授化学。

回到彼得堡以后，门捷列夫开始着手编写一本内容丰富的著作《化学原理》。他遇到一个难题，即用一种怎样的合乎逻辑的方式来组织当时已知的63种元素。门捷列夫仔细研究了63种元素的物理性质和化学性质，他准备了许多扑克牌一样的卡片，将63种化学元素的名称及其原子量、氧化物、物理性质、化学性质等分别写在卡片上。他用不同的方法去摆放那些卡片，用以进行元素分类的试验。他试图在元素全部的复杂的特性里，捕捉元素的共同性。他在批判地继承前人工作的基础上，对大量实验事实进行了订正、分析，经过多年的一次又一次地失败之后，他终于在1869年概括、总结出元素的性质随着原子量的递增而呈周期性的变化的规律，即元素周期律。
门捷列夫根据元素周期律编制了一个元素周期表，把已经发现的63种元素全部列入表里，从而初步完成了使元素系统化的任务。门捷列夫那部运用元素性质周期性的观点写成的名著《化学原理》也在1869年宣告完成。1871年12月，门捷列夫在第一张元素周期表的基础上进行增益，发表了第二张表。在该表中，改竖排为横排，使同一族元素处于同一竖行中，更突出了元素性质的周期性。至此，化学元素周期律的发现工作已圆满完成。

在门捷列夫的周期表中没有机械地完全按照原子量数值的顺序排列。特别是他在表中留下空位，并高度准确地预测了这些还没有下落的元素的性质，还根据自己的计算指出当时测定的某些元素原子量的数值有错误。若干年后，他的预言全都得到了证实。门捷列夫工作的成功，引起了科学界的强烈震动。
门捷列夫认为，在周期表每一行的末尾都存在一个空档，也就是在氟、氯、溴、碘等第7列元素之后，还应当有第8列元素。1894年，英国化学家拉姆齐（Ramsay）为了解开“从空气中分离出来的氮的原子量总是比在实验室中产生的氮的原子量重”这个谜团，他用赤热的镁跟空气样品中的氧和氮发生化学反应，在容器中的氧和氮都被吸收了之后，他发现还有一种气体残留物，这就是氩（Argon），希腊文的意思是“懒惰”。 拉姆齐爵士从1894 年至1898年间，通过对空气分离和光谱法相继发现了氩、氦、氖、氪、氙5种惰性元素。1900年德国人多恩（Dorn）发现氡，1907年拉姆齐指出氡元素位于周期表第六行的末尾，至此，门捷列夫的元素周期表全部完成，这一年门捷列夫去世。化学在19世纪取得了巨大的发展，这一发展阶段以元素周期表第8列元素的发现而告终。
门捷列夫说：“在发现周期律的大道上，斯特雷克尔、德·尚古多和纽兰兹其实是站在最前列的人，他们需要的只是将整个问题提到一定高度所必需的勇气，在此高度上，就可看清楚周期律在这些事实上的映像。……周期律是截止于1860-1870这10年之末的，一直在积累之中的，已确立的事实及各种概括的直接结果，它使体现于这些资料之中的内容有了某种系统化的表达。”

1905年和1906年，门捷列夫两次获得了诺贝尔奖提名，但最终都未获奖，原因是评审委员会中的一名委员认为，门捷列夫的贡献太过陈旧，而且已经众所周知，所以不应给门捷列夫颁奖。1906年的化学奖颁发给了亨利•莫桑，获奖理由是他发现了一些新的元素，但在此之前，门捷列夫就预言了这些元素将被发现。1907年门捷列夫去世，彻底与诺贝尔奖无缘。一百年过去了，人们早已忘记了亨利•莫桑这个名字，而门捷列夫的名字则会永远刻印在一代又一代人的脑海里。
据说，门捷列夫只用了他生命十分之一的时间来研究化学。门捷列夫一生都很忙，他曾致力于北极探险，北冰洋海底有一条山脉是以他的名字命名的；他还一个人乘坐热气球飞到3000米高空测量收集气象数据；最让你想不到的大概是他做的箱包在时尚界也占有一席之地。有一部有趣的五集电视片就叫《门捷列夫很忙》。
门捷列夫在1876年跟第一个妻子离婚，四年后跟情投意合的第二任妻子结婚，但是当时俄国的法律规定离婚七年后才能结婚，所以门捷列夫算是犯了重婚罪。不过沙皇在得知他的这一过失之后说：“门捷列夫可能有两个妻子，但是俄国只有一个门捷列夫。”

寻找元素周期律是个接力式的科学工作。元素周期律不是一个变化规律，它是通过归纳方法总结出来的一个分布型规律，是一个静态规律。那时科学家们还不知道这种规律的原理──这一原理就藏在每一种元素的原子结构里面。

5. 实验揭开奥秘：卢瑟福的原子结构和玻模型

欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford，公元1871-1937年）被称为原子核物理之父，他一生中做过无数重要的物理学实验，被誉为继法拉第之后最伟大的实验物理学家。卢瑟福有一句名言：“所有的科学若不是物理学就是集邮。”这说明除了物理学，卢瑟福看不起其他所有科学，当然也包括化学。可是在诺贝尔奖上他却被捉弄了一把：卢瑟福最知名的功绩是发现了原子的结构，但是诺委会却给他颁了个诺贝尔化学奖。卢瑟福曾无奈地说：“我一个搞物理的怎么就得了个化学奖呢？这是我一生中绝妙的一次玩笑！”当然，这个化学奖对他来说也是当之无愧，因为他在元素蜕变和放射性方面的研究对于化学而言是重大的贡献。

21岁时的卢瑟福

卢瑟福出生于新西兰南岛小城纳尔逊的一个手工业工人家庭，从小家境贫寒，通过自己的刻苦努力在新西兰完成大学学业，1895年到英国剑桥大学的卡文迪许实验室深造，1898年去加拿大蒙特利尔的麦吉尔大学做了9年物理学教授，1907年返回英国出任曼彻斯特大学的物理系主任。1919年卢瑟福接替他的老师J.J.汤姆逊（J.J.Thomson），担任卡文迪许实验室主任。1925年当选为英国皇家学会会长，1931年受封为纳尔逊男爵，死后跟牛顿安葬在一起，这可是英国科学家的最大荣耀。可以说，卢瑟福一帆风顺地驶入最高境界的学术道路让每一位学者称羡不已，其实这跟卢瑟福在科学上的进取精神和在处世上的宽厚性格有关，他被称为“从来没有树立过一个敌人，也从来没有失去过一位朋友”的人。有人疑惑卢瑟福作为新西兰人怎么会受封为英国男爵？这就必须要提一下新西兰与英国在历史上的关系。卢瑟福去英国的时候新西兰是英国的海外领地，不是一个国家，直到他去世时新西兰仍然是英国的一个自治领，还没有独立，所以卢瑟福始终是英国国籍。