（第一节 ）两千多年前的原子论
中国古代学者的观点
我们生活的这个世界是由各种各样的物质组成的。人们自然会问，物质是由什么构成的呢？
公元前5世纪，我国墨翟曾提出过物质微粒说，他称物质的微粒为“端”，意思是不能再被分割的质点。
但在战国时代，有一本著作《庄子·天下篇》中却提到了物质无限可分的思想：“一尺之槌，日取其半，万世不竭。”意思是说，一个短棍今天是一尺，明天取一半，余二分之一尺，后天取一半，余四分之一尺，以此类推，永远没有尽头。当然，这里并没有提出，也不可能提出用什么方法分割的问题。但在那个时代，我国古代学者就能用思辩的方法来这样提出问题，是难能可贵的。
古希腊哲人的原子论
在公元前四世纪的时候，希腊人德谟克利特提出了“原子”的概念，也认为这是一种不能再被分割的质点。后来伊壁鸠鲁又把这一概念大大地推进了一步。
罗马人卢克莱修（约公元前99-前55年）曾用诗句阐明德谟克利特和伊壁鸠鲁的原子观点：物体或者说物质要素，都是由原始粒子集合而成；虽有雷霆万钧之力，要破坏物质要素也不可能。
……
原始物质，由此可见，是既结实又单纯，由极小粒子之力牢固抱紧，但又不是粒子的堆集，其特征在任何情况下是无穷地单纯。
不能从它夺取什么，也不许缩小其本性，原始物质，世世代代，永远长存。
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原始物质，在无边无际的真空，当然不会静止，反而被迫不断地作各种各样的运动。
……
从这儿能看出，古代的原子论者认为：一切物质都由最小粒子的原子组成，原子是不可分割的；原子是客观的、物质性的存在，它是永恒地运动着的。
德谟克利特和他的老师留基伯共同创立了古希腊的原子论，认为一切事物的本源，是原子和虚无的空间。按照这种想法，人的感觉器官所感觉到的自然界物质的多样性，都是由原子的多种排列和各种不同的结合方式产生的。德谟克利特说：“根据现实的感觉，有甜与苦、热与冷、芳香和色彩的存在。但在本质上，仅有原子与空间的存在。我们认为似乎是本体的每一样物体，仅仅只有原子与空间才是真正的实质”。德谟克利特用原子论观点分析了一系列物理现像。他认为，无论是物体从一种状态过渡到另一种状态，从固体过渡到液体或气体以及相反的变化，还是物体的味道、颜色等等，并不是由于物体内部成分的改变，而是取决于原子的形状、大小、排列的变化和结合方式。
在古代，人们对物质结构的奥秘的探索，就只能依靠想像和思考。那时自然科学还没有从哲学中分离出来，原子只是哲学上的猜想，没有条件靠精密的实验加以证实。尽管原子说是一种很深刻的见解，但终究还是没有科学论证的一种猜测。至于一种物质能否转变为另一种物质，在那时候，科学技术水平还没有达到相应的高度，物质的内幕在理论上没有揭开，所以只不过是想像而已。
原子是不是真的存在呢？原子是不是构成物质大厦的“基本砖石”呢？一种原子是否能转变成另一种原子呢？人类为探索这些问题，走过了极其漫长的道路。
德谟克利特的原子学说，在整个封建时代，没有人去证实它。当时，化学为了适应封建主的特殊要求，走进了炼金术和炼丹术的泥坑，致力于寻求点石成金和长生不老的秘方。不仅如此，它还受到了封建的神学思想的束缚。当时，科学由古代社会的图书馆和科学院搬进了中世纪的教堂。于是，对“圣典”条文的研究代替了对自然的研究。从物质结构的争论，转移到另一种争论，去争论什么一个针尖里能住得下几个天使，以及天使吃些什么东西等等。
就在这样的历史条件下，原子学说在长达二十个世纪的时期里竟为人们所遗忘。
一直到18世纪中叶，俄国人罗蒙诺索夫（1711-1765年）才把原子观点复活起来，1808年，英国人道尔顿又加以进一步的总结。这样就结束了化学史上的愚昧的炼金时代，保证了化学向前健康的迅速发展。因此，化学中的新时代应该说是从原子论开始的。
这个时代的原子论的基本内容有如下几点：
（1）物质是由最小的微粒——原子组成的。原子就是不能再分的最小微粒。
（2）同种的原子在重量、大小和其他性质上相同。
（3）一切原子都处在不停地运动的状态。
18～19世纪，原子学说处在创立和发展的阶段，它解释了不少物理、化学现像。但是到了19世纪后期，由于科学的进一步发展，发现了许多新的现像，为旧的原子学说所无法解释，因而暴露出严重的缺陷。
这是任何学说的共同发展规律。因为客观事物的本质并不是一下子就会被人们全部加以认识的，而是在人们的不断实践中，被逐渐地认识到的。在更广泛和更深入的实践中，原来的理论就逐渐暴露出缺点，这是很自然的事情。不懂得这个道理的人，面对这种现像，往往十分困惑，甚至很不高兴。认为科学进入了死胡同，再也无法前进。而懂得这个道理的人，面对这种现像，则会满怀喜悦，认为这是新希望的曙光，并且朝着曙光往前探索，修改原来的理论，开辟出一个科学的新世界来。
原子真是不可再分割的吗？
当人们着手研究元素以及由它所形成的单质和化合物的性质为什么会随着元素原子量的递变而有周期性的变化，以及同族元素性质为什么相似的原因时，对“原子不可分割”论产生种种疑点：元素和元素间为什么有这样紧密的联系呢？如果每个原子都是光秃秃的一颗不可分割的最小微粒，各自独立，互不相关，那么元素间还有什么联系？
合理的分析虽说是当时很难被有的科学家所接受，而又不得不予以承认的，那就是否定“原子不可分割”论，相信原子不是不可分割，原子有着复杂的结构；后来元素周期律的发现表明原子还是可以分割的。
元素周期律开始动摇了原子是“不可分割的”这种根深蒂固的信念，而使这种信念受到摧毁性打击的则是放射性现像的发现。
（第二节 ）19世纪的原子分子论
道尔顿的原子论
物质是由原子构成的这一猜想，虽然早就提出来了，但一直到了18世纪，尤其是18世纪后半期至19世纪中期，工业兴起，科学迅速发展，人们通过生产实践和大量化学、物理学实验，才加深了对原子的认识。
把原子学说第一次从推测转变为科学概念的，应归功于英国一个教会学校的化学教员，他就是道尔顿（1766-1844年）。
道尔顿首先研究了法国化学家普鲁斯特于1806年发现的有趣结论：参与化学反应的物质质量都成一定的整数比（定比定律），例如1克氢和8克氧化合成9克水，假如不按这个一定的比例，多余的就要剩下而不参加化合。道尔顿自己又发现：当两种元素所组成的化合物具有两种以上时，在这些化合物中，如果一种元素的量是一定的，那么与它化合的另一种元素的量总是成倍数地变化的（倍比定律）。
为什么元素间的化合总是成整数和倍数的关系呢？道尔顿丰富的想像力，给他以激励。他感到，这一事实暗示物质是由某种可数的最小单位构成的。于是，道尔顿把这些事实总结概括加以分析，提出了关于原子的著名论断：物质是由具有一定质量的原子构成的；元素是由同一种类的原子构成的；化合物是由构成该化合物成分的元素的原子结合而成的；原子是化学作用的最小单位，它在化学变化中不会改变。
道尔顿的原子论同过去的原子论相比，已有雄厚的科学依据。但是，道尔顿的原子论提出以后，在新的实验事实面前又出现了一个新的矛盾。
1809年，法国科学家盖·吕萨克发现，在气体的化学反应中，在同温同压下参与反应的气体的体积成简单的整数比；如果生成物也是气体，它的体积也和参加反应气体的体积成简单的整数比（气体反应定律）。例如，两公升的氢和一公升的氧化合时，生成两公升的水蒸汽。盖·吕萨克想，如果不论哪种气体在同温同压下，在相同体积内部含有相同的原子数，不就可以用道尔顿的原子论解释气体反应定律了吗？
可是道尔顿发现，这项假定如果正确，在上述实例中，两个氢原子和一个氧原子应当生成两个“水原子”（后来称水分子），这样，一个“水原子”中不就只能含有半个氧原子了吗？为了解决这一矛盾，1811年意大利科学家阿伏加德罗在原子论中引进了“分子”的概念。他认为，构成任何气体的粒子不是原子，而是分子。单质的分子是由同种原子构成的；化合物的分子是由几种不同的原子构成的。在上述例子中，氢的分子是由两个氢原子构成的，氧的分子是由两个氧原子构成的，而水的分子是由两个氢原子和一个氧原子构成的。
这样，经过不同国家的许多人的努力，才逐步地建立了原子分子学说。这个学说认为：（1）物质是由分子组成的，分子是保留原物质性质的微粒。例如，糖溶解在一杯水里，糖分子遍及全杯水，水就有了甜味。（2）分子是由原子组成，原子则是用化学方法不能再分割的最小粒子，它已失去了原物质的性质。例如，我们平时食用的食盐（氯化钠）的分子是由钠原子和氯原子组成的，氯是有毒的，显然食盐的性质与氯和钠的性质截然不同；另一方面，完全无害的元素碳和氮，组成的化合物却可以是剧毒的气体氰（CN）化物。
这个原子分子学说比以前的原子学说又有了很大进展。过去，在原子和宏观物质之间没有任何过渡，要从原子推论各种物质的性质是很困难的。现在，在物质结构中发现了分子、原子这样不同的层次。因而我们可以认为，人们对于物质是怎样构成的问题，认识已经接近物质的本来面貌了。
分子是否确定有呢？实践终于证明了分子的存在和分子的运动。
1827年英国植物学家布朗首先在显微镜下观察到，水中的小花粉在不停地作不规则的运动。仔细观察，可以发现任何悬浮在液体或气体中的非常小的微粒，都永远处于无休止的没有规则的运动状态之中。这个悬浮的微粒愈小，它的运动就愈激烈；温度愈高，这种运动也愈激烈。后来人们把这种运动叫布朗运动，把像小花粉那样小的微粒叫布朗微粒。布朗运动是永不休止的，它不受外界因素的影响，完全是物质内部运动的反映。
布朗运动说明了什么问题呢？原来，这种运动就是由液体的分子运动引起的。由于液体的分子每时每刻都在作不规则的热运动，这些分子撞击布朗微粒，就引起了布朗微粒的运动。如果悬浮物的颗粒太大，则在每一瞬间撞击到这个大颗粒上的分子数目就太多了，致使这些撞击作用基本上相互抵消了，大颗粒就会保持不动。当悬浮粒小到一定程度时，碰撞到小颗粒上的分子就不那么多，就会从某一个方向出现分子撞击的不平衡，使小颗粒发生运动。布朗颗粒体积愈小，发生撞击的不平衡的可能性愈大，布朗运动就愈急剧。另一方面，温度愈高，分子无规则运动的速度就愈大，分子撞击引起的布朗运动也随之加剧。由于对布朗运动现像的观察和了解，使得人们深入理解了布朗运动的本质。因此证实了分子的存在和分子运动的存在。
我们熟悉的自然界的物质有三态：固态、液态和气态。可以这样理解：固体的分子排列得比较整齐和紧密，分子运动的范围相对来说是很小的；液体分子的排列就自由些和松散些，因此分子运动的范围就比较大些；气体的分子，表现得最自由，它们往往或多或少地独立运动，与其他的分子无所牵连。永无休止的分子的剧烈运动足以说明气体的性质。后来计算出在一秒钟内，气体中的一个分子和其他分子的碰撞次数就达50余亿次。气体分子的运动，就总体来说，它全是不规则的运动。
从19世纪中期，开始了气体分子的运动论的研究。这一研究取得了巨大的成功，科学家们根据气体分子运动论确定了原子的质量和直径。各种原子的大小不同，它们只有1亿分之一至1亿分之四厘米。50万个原子只能排满头发丝细的距离，500万个原子排成一行，也只不过是在我们这里的一个小句号的范围里。原子的重量只有1千万亿亿分之一克。一杯水的重量与其中的一个原子的重量相比，约等于地球的重量与其上的小块砖头的重量之比，可见原子是何等的微小。
长期以来，人们并没有用肉眼看见过原子。原子，就是在高倍显微镜下，在近代电子显微镜下也很难看见。但是，人们对原子的客观存在不再怀疑。这是为什么呢？因为，发展科学和检验真理的唯一可靠的标准是实践。人类的大量的生产实践，间接地证实了原子的存在，用原子分子学说可以准确无误地解释和指导我们的生产实践。
一直到1970年，才有一位美国科学家报道说，他借助扫描电子显微镜第一次观察到了单个的铀和钍的原子。1978年2月，日本一位科学家宣布，他们用具有超高度分辨能力的电子显微镜拍摄了世界上第一张原子的照片，看到了几种原子的图像。
2001年，中国科学家汪正民用新的实验技术，在国际上首获原子体系（铷原子）不同电子云影相。
（第三节 ）元素周期律的发现
人们对化学元素的定性研究，特别是进行定量的分析经过了长期的实践。
由于道尔顿提出了原子观点，人们对元素有了新的认识，认为每一种元素都是由特定的原子组成的；不管这一种元素的数量多少，它都是由原子组成的。这种元素与另一种元素之所以不同，是因为它们的原子的性质不相同。一种原子与另一种原子的最基本的物理性质的区别，就是原子的重量不同。
1862年，首先由法国地质学家坎古杜瓦提出了元素随着原子量的变化，其化学性质呈现周期性变化的问题。1864年德国化学家迈耶，按原子量递增顺序制定了一个“六元素表”。这个“六元素表”，1865年，英国化学家纽兰兹按原子量递增顺序，将已知元素作了排列。他发现，到了第八个元素就与第一个元素性质相似，亦即元素的排列每逢八就出现周期性。
纽兰兹从小受母亲的影响，爱好音乐，觉得这好像音乐上的八个音阶一样重复出现，于是自己把它称为“八音律”，画出了“八音律”表。1866年3月当他在伦敦化学学会发表这一观点时，得到的却是嘲笑和讽刺；他的有关论文也被退稿。七年以后，他的论文又被拒绝发表。虽然纽兰兹的“八音律”表存在着缺点和不成熟的地方，但他发现了元素的性质在排列上有周期性这一研讨方向是完全正确的，而且在这个正确的方向上向前迈进了一大步。一直到18年以后，即在门捷列夫的元素周期表的重要性得到普遍承认以后，纽兰兹的论文才得以发表，英国皇家学会才给他颁赠了勋章。