相對原子質量——你不知道的故事

2021-01-20 教餘拾遺


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還是從道爾頓建立的原子論說起吧。

那一年,道爾頓石破天驚的提出了物質是由「原子」構成。

科學界爭論紛紛。

贊同的不少,反對的更多。

為了讓原子更合乎認知,道爾頓在提出原子這一概念時,就認為原子是具有大小和輕重之別的。他說「同一種元素的原子有相同的重量,不同元素的原子有不同的重量。」因此在中文裡翻譯成了「原子量」。但是當時由於重量和質量是相同的概念,因此雖然實際中獲得的都是原子的相對質量,但仍然稱作原子量。

反對者依舊不信:「小道吶,你說原子有質量,那原子的質量有多大啊?」

事實上,原子真的太小,體積小到無法觀察,質量小到無法測量。

道爾頓也不知道原子體積究竟有多大,原子質量有多少。

但道爾頓有辦法。

他根據化學上已經積累的有關化合物組成的實驗數據,以及他對化合物中原子數目的大膽假定,並以最輕的氫原子的重量為標準,並將其值定為1。由於氫是所有元素中的最輕者,由此可使測出的其他元素的原子量都會成為大於1的數值,很為方便。

經過努力,1803年,道爾頓終於整出了科學史上第一張原子量表。表中有二十二種「原子量」,其中有五種是「複雜原子」(化合物)的原子量。


道爾頓(J·Dalton,1766-1844):雖然我分不清紅綠,但我理得清微觀組成!

 

原子量概念的誕生,促進了化學的定量化和系統化,使化學的發展從過去拉瓦錫的宏觀定量考察階段,進入到道爾頓的微觀定量考察階段,並為後來元素周期律的發現奠定了基礎。


正當道爾頓躊躇滿志、志得意滿之際,貝採利烏斯從瑞典跑來告訴了一個壞消息。

「老道啊,不對啊!」

「啥,啥不對啦?小貝,可不要亂講!」 道爾頓一臉不高興。

「你的實驗水平還有待提高啊。把氧、氮的原子量定錯了」永斯·貝採利烏斯不慌不忙地說,「還有,你那些『複雜原子』,比如水,根本不是『原子』,而是『分子』,並且分子的構成也不對。」

道爾頓一聽火了:「小年輕,不對的地方我可以修改嘛。你有水平,你也來測幾個瞧瞧?」

「好哇,那我們就來個修正賽唄。」

「OK!」

 

永斯·貝採利烏斯是瑞典皇家科學院院士,化學元素符號的首倡者。

他一方面設法提高了實驗操作的精確程度,一方面利用了當時已經發現的,可以間接確定出化合物中原子數目的定律和規律,先後分析和測定了兩千多種化合物組成,對原子量進行了廣泛而精確的測定。

1818年之後,貝採利烏斯在經過多年原子量測定的實踐後認識到,用氧作標準比用氫更為合適。一方面,氧已經成為當時化學的核心,氧化物的數量比氫化物大得多,很便於直接測出有關元素的原子量。另一方面,將氫作為1的標準,會導致一些中子數較多的原子存在較大誤差,畢竟氫原子中是沒有中子的,而中子和質子的質量還是存在著差異。

應該把氧的原子量定為多少為宜呢?

自從聽說要將氧作標準後,就分成三派:湯姆遜派認定標準應該是1,武拉斯頓主張定為10,貝採利烏斯主張定為100。

這三個標準實際上都不方便:不是出現小於1的小數,就是帶來1000以上的數。

不過,貝採利烏斯認定「我的地盤我做主」,1826年,他公布了一張包括四十五種元素的原子量表。在這張表中,貝採利烏斯是以氧原子量的1/100為基準。


 

貝採利烏斯(J·J·Berzelius,1779-1848):我的地盤我做主!我的標準由我定!哦耶!

 

隨著科學認知的提高,大家測得的原子量也越來越精確。1860年,義大利化學家卡尼查羅從測定分子量入手測出了五十多種元素的原子量,得到了更為準確的結果。

不過,貝採利烏斯的標準,明擺著是個坑。除了氧元素的原子量是整數,其他大多數元素的原子量都不是整數了。那時候的人背個原子量是有多麼的不容易啊。


人們實在受不了那麼多小數的原子量。終於,比利時化學家斯塔斯熬不住了,也是在1860年,他提出把氧定為16。這個標準比較理想:這樣既保留氧作基準的優點,並且很多元素的原子量又回到了整數,且最輕的元素,氫的原子量也近於1。這一標準一出來就得到了大家的贊同,沿用了很長時間。化學家們愉快地接受了這一建議,並且基本做到了一百年不動搖!



斯塔司(J·S Stas,1813-1891):我只是想讓大家記得輕鬆一點而已。

 

1869年,門捷列夫發現的元素周期律又為確定原子量提供了一條重要途徑。他依照原子量與元素性質的相互關係校正了銦、鈾、鈹、釔、鈦等元素的原子量,使當時已知的元素基本上都具有了準確的原子量。

1910 年,英國科學家索迪在研究了元素蛻變產物以後認為,一種元素可能會有兩種或兩種以上的元素變種即同位素,並在不久後得到了證實。這表明,通常的原子量實際是幾種同位素的原子所構成的平均原子量,從而打破了一種元素一種原子量的傳統觀念。


 

索迪(F.Soddy,1877-1956):門捷列夫給每種元素一個位置,我卻在一個位置上找到幾個兄弟!

 

原子量的測量越來越精確。

1914年,美國的理查茲由於精確測定眾多元素的原子量而獲得諾貝爾化學獎。


1929年,W.F.吉奧克和H.L.江斯登發現天然氧中存在著O—16、O—17、O—18三種同位素,它們的原子量各不相同,且在自然界的分布不完全均勻。

吉奧克,W.F.(1895—1982):不得了,原來氧不只一種原子!

 

這可是驚天動地的大發現啊!試想一下,一直以來作為「標準」的氧原子居然有3種,這不是亂套了嗎?

物理學家認為,用天然氧作為原子量基準是荒謬的,因為這種「混合平均的氧原子」是不存在的。

所以質譜儀的發明者阿斯頓規定,以O—16原子的質量的1/16定為原子量的單位,O—16的原子量為16.0000,元素的原子量規定為各同位素原子的加權平均數。


阿斯頓(Francis Wi11iam Aston,1877-1945):賣質譜儀嘍定標準!


阿斯頓的規定獲得了物理學界的廣泛支持,畢竟這比原來的定義要更嚴謹一些嘛。於是物理界率先改用了以氧—16等於16為基準的原子量。


但化學界不幹了。

畢竟,標準一換,數據全變!

試想一下,如果要你以前所記的原子量換個數據全部重背,你也肯定不樂意。

同位素的存在是事實,但用原來的標準,並不影響化學研究。更何況,化學的地盤跟著物理而變標準,那化學家的面子擱哪裡去?於是,化學界還是沿用天然氧等於16的基準。


物理學界和化學界互相不服軟啊,從此,一種原子兩個量,「物理」「化學」各不同。化學基準比物理基準的值大,所測定的原子量數值則要小。

1940年,國際原子量與同位素豐度委員會(ICAW)確定以1.000275作為兩種標度的換算因子:物理原子量 = 1.000275 × 化學原子量。

差別雖小,越是精確,結果越是不同。

存在兩種標度必然經常引起混亂。


不過,也許是為了面子,雙方還是互不相讓,直到做質譜和原子量測量研究的馬塔赫提出的解決方案……



J.H.馬塔赫:你造不,我可是於1955年獨立修改了整個元素周期表的原子量的人!

 

1959 年,德國質譜學家J.H.馬塔赫向國際純粹和應用化學聯合會建議採用豐度穩定且量大的碳—12等於12.0000作為基準,可使全部元素的原子量數值僅降低0.0043%,變動幅度較小,與化學的舊原子量相比幾乎完全一樣,又便於用質譜儀對欲測定的原子進行直接比較和測定。國際純粹和應用物理聯合會也於1960年接受這一建議。1961年,在蒙特婁召開的國際純粹與應用化學聯合會上,正式通過這一新基準,從而實現了物理原子量和化學原子量的統一,統稱為「國際原子量」。


1979年,由國際相對原子質量委員會提出原子量的定義。「國際原子量」是相對原子質量,是一個比值,單位是1,而不是原子的絕對質量。

與之對應,我國在在1994年7月1日起,在專業的學術文件上需要使用「原子量」的概念的,均使用「相對原子質量」來代替(同時也廢除了「分子量」,使用「相對分子質量」來代替)。

 



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