这个世界变化太快了,今天有人辞职,明天有人离婚,刚刚建好的大楼可能两年又被拆了,这个世界还有什么不变呢?可能有人会说“元素周期表”。但是,元素周期表根基也在动摇,以前认为“原子量”是雷打不动的,现在看来,这只是一个传说。
起因原子量原来非定数
元素周期表是人类最伟大、最美丽的创造之一,以简洁的形式包含了无穷的奥妙,并不是每个人都能读懂它。拿出一份元素周期表,看看任何一种元素所在的格子,都会发现里面有一上一下两个数字,上面的数字小,下面的数字大;上面的数字是整数,下面的数字是小数。上面的那个数叫“原子序数”,指的是该元素原子中含有的质子数,决定该元素的化学性质。而下面的数字就是这里要说的“原子量”。原子量体现着原子的相对质量。但是,同一种元素的不同原子的相对质量并不相同,比如大多数的氢原子,只有一个质子,而没有中子,原子量是1,但是有少数的氢原子有一个或两个中子,原子量分别是2和3,它们分别被称为“氘”和“氚”,统称“重氢”。
于是国际理论和应用化学组织规定,原子量是一种元素所有同位素原子的平均质量。比如说,原子量为1的氢的数量比较多,而原子量为2、3的氘和氚的数量比较少,平均下来氢元素的原子量是1.00794。
完美无缺是吧,但是,这其实只是一种“幻觉”。为国际理论和应用化学组织工作的美国稳定同位素实验室的泰勒·柯普伦(Tyler Coplen)表示,原子量是个“流连不去的误解”。同学们,看出问题所在了吗?原子量的依据是各种同位素在宇宙中的相对含量,化学上叫“丰度”,但是人类怎么可能知道宇宙中各种同位素的丰度呢?现在中学课本上的原子量,只是科学家根据有限的采样计算来的。柯普伦表示,教师对他们的学生说“原子量在自然界中是基本常数”,但它们不是。
比如说,地球上的水蒸气从赤道向两极运动,那些含有更多的氘和氚的水蒸气会稍重一些,更早地落到大海里。所以,热带海域中的氘和氚总是比极地海域要多一些。再比如说,氧-18或称“重氧”更愿意待在冷的地方,所以水被冻成冰之后,它里面会融解更多的氧-18,也就是说冰块中重氧的含量更多。而橘子树会在其体液中富集更多的氘,这让我们喝的橘子汁里面含有比环境中多4%的氘。
科学家们对我们的世界了解得越多,越发现同位素丰度这东西真是捉摸不定。“不断的新的同位素测量让原子量不断变化”,柯普伦说,“这让我们疯狂,2010年IUPAC剥夺了10个‘惹麻烦’的元素的原子量,它们分别是氢、锂、硼、碳、硫和氮。”
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