元素周期表面臨大修改：原子量原來非定數(shù)

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，這個世界還有什么不變呢？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(rèn)為“原子量”是雷打不動的，現(xiàn)在看來，這只是一個傳說。

起因 原子量原來非定數(shù)

元素周期表是人類最偉大、最美麗的創(chuàng)造之一，以簡潔的形式包含了無窮的奧妙，并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(fā)現(xiàn)里面有一上一下兩個數(shù)字，上面的數(shù)字小，下面的數(shù)字大；上面的數(shù)字是整數(shù)，下面的數(shù)字是小數(shù)。上面的那個數(shù)叫“原子序數(shù)”，指的是該元素原子中含有的質(zhì)子數(shù)，決定該元素的化學(xué)性質(zhì)。而下面的數(shù)字就是這里要說的“原子量”。原子量體現(xiàn)著原子的相對質(zhì)量。但是，同一種元素的不同原子的相對質(zhì)量并不相同，比如大多數(shù)的氫原子，只有一個質(zhì)子，而沒有中子，原子量是1，但是有少數(shù)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(tǒng)稱“重氫”。

于是國際理論和應(yīng)用化學(xué)組織規(guī)定，原子量是一種元素所有同位素原子的平均質(zhì)量。比如說，原子量為1的氫的數(shù)量比較多，而原子量為2、3的氘和氚的數(shù)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(shí)只是一種“幻覺”。為國際理論和應(yīng)用化學(xué)組織工作的美國穩(wěn)定同位素實(shí)驗(yàn)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(xué)們，看出問題所在了嗎？原子量的依據(jù)是各種同位素在宇宙中的相對含量，化學(xué)上叫“豐度”，但是人類怎么可能知道宇宙中各種同位素的豐度呢？現(xiàn)在中學(xué)課本上的原子量，只是科學(xué)家根據(jù)有限的采樣計(jì)算來的?？缕諅惐硎?，教師對他們的學(xué)生說“原子量在自然界中是基本常數(shù)”，但它們不是。

比如說，地球上的水蒸氣從赤道向兩極運(yùn)動，那些含有更多的氘和氚的水蒸氣會稍重一些，更早地落到大海里。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”更愿意待在冷的地方，所以水被凍成冰之后，它里面會融解更多的氧-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里面含有比環(huán)境中多4%的氘。

科學(xué)家們對我們的世界了解得越多，越發(fā)現(xiàn)同位素豐度這東西真是捉摸不定?！安粩嗟男碌耐凰販y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?！?/p>

應(yīng)用 同位素其實(shí)很有用

雖然同位素在化學(xué)上若了不少麻煩，但科學(xué)研究上還真離不了它。通過對不同區(qū)域同位素豐度的了解，科學(xué)家可以知道很多物質(zhì)來源于何方。

比如說，通過測量象牙里的某些同位素的量，就可以知道這頭象吃的是草還是樹葉。

再比如說，運(yùn)動員可能會非法服用睪丸酮以促進(jìn)肌肉生長，那么檢驗(yàn)人員是如何知道尿樣中的睪丸酮是運(yùn)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(yùn)動員是否服用禁藥。

同位素還是犯罪現(xiàn)場調(diào)查的有力工具。在上世紀(jì)90年代，奧地利曾經(jīng)發(fā)生過一次嚴(yán)重的鐵管炸彈爆炸事件，數(shù)人在爆炸中喪生。因?yàn)檎◤椂际鞘褂闷匠Ｒ椎玫脑现谱?，很難追蹤其來源，所以此案的偵破一度陷入僵局。后來法庭科學(xué)家終于發(fā)現(xiàn)，一個炸彈的石膏底座里含有比平均數(shù)多得多的重氫，這樣就把調(diào)查人員引向了一個疑犯的起居室，這里的重氫富集度也相當(dāng)高，調(diào)查人員終于掌握了足夠的證據(jù)指控疑犯。

而柯普倫最喜歡的故事是，一個美國司機(jī)從佛羅里達(dá)州買橘汁，運(yùn)到堪薩斯州，在這里兌水，冒充“鮮橘汁”出售。通過同位素檢查，發(fā)現(xiàn)橘汁里的水是堪薩斯州的自來水，于是這個造假的司機(jī)遭到了起訴。

解決 單一數(shù)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(shí)用價值，所以國際理論和應(yīng)用化學(xué)組織就設(shè)想出了一種“顛覆性”的標(biāo)注原子量的方法，一改用一個數(shù)字標(biāo)注的方法，改為上下限標(biāo)注法。比如說氫的原子量是[1.00784;1.00811]，表示在地球上發(fā)現(xiàn)的含氫的物質(zhì)中，氫原子最小的平均質(zhì)量是1.00784，最大的平均質(zhì)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(diào)查”。

這個名單還會擴(kuò)大嗎？可能會，但變化不會太大。因?yàn)橛行┰?，比如說氟、鋁、鈉、金和17種其他的元素都只有一種原子質(zhì)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(zhǔn)確”的平均質(zhì)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。