元素周期表根基動搖面臨「大改」 原子量非定數

2021-01-07 搜狐網

　　這個世界變化太快了，今天有人辭職，明天有人離婚，剛剛建好的大樓可能兩年又被拆了，這個世界還有什麼不變呢？可能有人會說「元素周期表」。但是，元素周期表根基也在動搖，以前認為「原子量」是雷打不動的，現在看來，這只是一個傳說。

　　起因 原子量原來非定數

　　元素周期表是人類最偉大、最美麗的創造之一，以簡潔的形式包含了無窮的奧妙，並不是每個人都能讀懂它。拿出一份元素周期表，看看任何一種元素所在的格子，都會發現裡面有一上一下兩個數字，上面的數字小，下面的數字大；上面的數字是整數，下面的數字是小數。上面的那個數叫「原子序數」，指的是該元素原子中含有的質子數，決定該元素的化學性質。而下面的數字就是這裡要說的「原子量」。原子量體現著原子的相對質量。但是，同一種元素的不同原子的相對質量並不相同，比如大多數的氫原子，只有一個質子，而沒有中子，原子量是1，但是有少數的氫原子有一個或兩個中子，原子量分別是2和3，它們分別被稱為「氘」和「氚」，統稱「重氫」。

　　於是國際理論和應用化學組織規定，原子量是一種元素所有同位素原子的平均質量。比如說，原子量為1的氫的數量比較多，而原子量為2、3的氘和氚的數量比較少，平均下來氫元素的原子量是1.00794。

　　完美無缺是吧，但是，這其實只是一種「幻覺」。為國際理論和應用化學組織工作的美國穩定同位素實驗室的泰勒·柯普倫（Tyler Coplen）表示，原子量是個「流連不去的誤解」。同學們，看出問題所在了嗎？原子量的依據是各種同位素在宇宙中的相對含量，化學上叫「豐度」，但是人類怎麼可能知道宇宙中各種同位素的豐度呢？現在中學課本上的原子量，只是科學家根據有限的採樣計算來的。柯普倫表示，教師對他們的學生說「原子量在自然界中是基本常數」，但它們不是。

　　比如說，地球上的水蒸氣從赤道向兩極運動，那些含有更多的氘和氚的水蒸氣會稍重一些，更早地落到大海裡。所以，熱帶海域中的氘和氚總是比極地海域要多一些。再比如說，氧-18或稱「重氧」更願意待在冷的地方，所以水被凍成冰之後，它裡面會融解更多的氧-18，也就是說冰塊中重氧的含量更多。而橘子樹會在其體液中富集更多的氘，這讓我們喝的橘子汁裡面含有比環境中多4%的氘。

　　科學家們對我們的世界了解得越多，越發現同位素豐度這東西真是捉摸不定。「不斷的新的同位素測量讓原子量不斷變化」，柯普倫說，「這讓我們瘋狂，2010年IUPAC剝奪了10個"惹麻煩"的元素的原子量，它們分別是氫、鋰、硼、碳、硫和氮。」

　　應用 同位素其實很有用

　　雖然同位素在化學上若了不少麻煩，但科學研究上還真離不了它。通過對不同區域同位素豐度的了解，科學家可以知道很多物質來源於何方。

　　比如說，通過測量象牙裡的某些同位素的量，就可以知道這頭象吃的是草還是樹葉。

　　再比如說，運動員可能會非法服用睪丸酮以促進肌肉生長，那麼檢驗人員是如何知道尿樣中的睪丸酮是運動員自己分泌的，還是從外界攝入的呢？答案是，藥用睪丸酮是從植物中提取出來的，它含有的碳同位素配比和人體分泌的睪丸酮不同，由此可以知道運動員是否服用禁藥。

　　同位素還是犯罪現場調查的有力工具。在上世紀90年代，奧地利曾經發生過一次嚴重的鐵管炸彈爆炸事件，數人在爆炸中喪生。因為炸彈都是使用平常易得的原料製作，很難追蹤其來源，所以此案的偵破一度陷入僵局。後來法庭科學家終於發現，一個炸彈的石膏底座裡含有比平均數多得多的重氫，這樣就把調查人員引向了一個疑犯的起居室，這裡的重氫富集度也相當高，調查人員終於掌握了足夠的證據指控疑犯。

　　而柯普倫最喜歡的故事是，一個美國司機從佛羅裡達州買橘汁，運到堪薩斯州，在這裡兌水，冒充「鮮橘汁」出售。通過同位素檢查，發現橘汁裡的水是堪薩斯州的自來水，於是這個造假的司機遭到了起訴。

　　解決 單一數改成上下限

　　既然元素的原子量沒有定值，而且同位素豐度測量有著巨大的實用價值，所以國際理論和應用化學組織就設想出了一種「顛覆性」的標註原子量的方法，一改用一個數字標註的方法，改為上下限標註法。比如說氫的原子量是[1.00784;1.00811]，表示在地球上發現的含氫的物質中，氫原子最小的平均質量是1.00784，最大的平均質量是1.00811，鋰、硼、碳、硫和氮這幾種元素也獲得了新的原子量，而氦、鎳、銅、鋅、硒、鍶、氬和鉛正在「接受調查」。

　　這個名單還會擴大嗎？可能會，但變化不會太大。因為有些元素，比如說氟、鋁、鈉、金和17種其他的元素都只有一種原子質量，沒有同位素。而那些放射性元素，則變化太多，根本不可能算出其「準確」的平均質量。比如鈾這種元素就有234、235、238三種同位素，它們分別會衰變成釷229，釷230，釷234，而且半衰期還不一樣，其比例是時時變化的，所以，也就沒可能也沒必要確定它們的「豐度」分別是多少了。

　　連結

　　原子量如何計算

　　因為原子的質量很小，用實際的質量表現很不容易，所以國際權威機構「國際理論和應用化學組織」（IUPAC)規定，以一個碳12原子的質量的1/12作為一個單位，每種元素的原子量以這個單位的倍數表示。比如說，金子的原子質量正好是這個單位的196.967倍，所以它的原子量就是196.967。國際理論和應用化學組織規定，元素的原子量是所有同位素的平均質量。它的依據是各種同位素在宇宙中的相對數量，這個數量被稱為「豐度」。比如氯有原子量為34.969和原子量為36.966兩種同位素，豐度分別為75.77%和24.23%，所以氯元素的原子量是「34.969×0.7577+36.966×0.2423=35.453」。 （劉錚）

(責任編輯：UN100)

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