为了让原子更合乎认知,道尔顿在提出原子这一概念时,就认为原子是具有大小和轻重之别的。他说“同一种元素的原子有相同的重量,不同元素的原子有不同的重量。”因此在中文里翻译成了“原子量”。但是当时由于重量和质量是相同的概念,因此虽然实际中获得的都是原子的相对质量,但仍然称作原子量。
反对者依旧不信:“小道呐,你说原子有质量,那原子的质量有多大啊?”
事实上,原子真的太小co的相对原子质量,体积小到无法观察,质量小到无法测量。
道尔顿也不知道原子体积究竟有多大,原子质量有多少。
但道尔顿有办法。
他根据化学上已经积累的有关化合物组成的实验数据,以及他对化合物中原子数目的大胆假定,并以最轻的氢原子的重量为标准,并将其值定为1。由于氢是所有元素中的最轻者,由此可使测出的其他元素的原子量都会成为大于1的数值co的相对原子质量,很为方便。
经过努力,1803年,道尔顿终于整出了科学史上第一张原子量表。表中有二十二种“原子量”,其中有五种是“复杂原子”(化合物)的原子量。
道尔顿(J·Dalton,1766-1844):虽然我分不清红绿,但我理得清微观组成!
原子量概念的诞生,促进了化学的定量化和系统化,使化学的发展从过去拉瓦锡的宏观定量考察阶段,进入到道尔顿的微观定量考察阶段,并为后来元素周期律的发现奠定了基础。
正当道尔顿踌躇满志、志得意满之际,贝采利乌斯从瑞典跑来告诉了一个坏消息。
“老道啊,不对啊!”
“啥,啥不对啦?小贝,可不要乱讲!” 道尔顿一脸不高兴。
“你的实验水平还有待提高啊。把氧、氮的原子量定错了”永斯·贝采利乌斯不慌不忙地说,“还有,你那些‘复杂原子’,比如水,根本不是‘原子’,而是‘分子’,并且分子的构成也不对。”
道尔顿一听火了:“小年轻,不对的地方我可以修改嘛。你有水平,你也来测几个瞧瞧?”
“好哇,那我们就来个修正赛呗。”
“OK!”
永斯·贝采利乌斯是瑞典皇家科学院院士,化学元素符号的首倡者。
他一方面设法提高了实验操作的精确程度,一方面利用了当时已经发现的,可以间接确定出化合物中原子数目的定律和规律,先后分析和测定了两千多种化合物组成,对原子量进行了广泛而精确的测定。
1818年之后,贝采利乌斯在经过多年原子量测定的实践后认识到,用氧作标准比用氢更为合适。一方面,氧已经成为当时化学的核心,氧化物的数量比氢化物大得多,很便于直接测出有关元素的原子量。另一方面,将氢作为1的标准,会导致一些中子数较多的原子存在较大误差,毕竟氢原子中是没有中子的,而中子和质子的质量还是存在着差异。
应该把氧的原子量定为多少为宜呢?
自从听说要将氧作标准后,就分成三派:汤姆逊派认定标准应该是1,武拉斯顿主张定为10,贝采利乌斯主张定为100。
这三个标准实际上都不方便:不是出现小于1的小数,就是带来1000以上的数。
不过,贝采利乌斯认定“我的地盘我做主”,1826年,他公布了一张包括四十五种元素的原子量表。在这张表中,贝采利乌斯是以氧原子量的1/100为基准。
贝采利乌斯(J·J·Berzelius,1779-1848):我的地盘我做主!我的标准由我定!哦耶!
随着科学认知的提高,大家测得的原子量也越来越精确。1860年,意大利化学家卡尼查罗从测定分子量入手测出了五十多种元素的原子量,得到了更为准确的结果。
不过,贝采利乌斯的标准,明摆着是个坑。除了氧元素的原子量是整数,其他大多数元素的原子量都不是整数了。那时候的人背个原子量是有多么的不容易啊。
人们实在受不了那么多小数的原子量。终于,比利时化学家斯塔斯熬不住了,也是在1860年,他提出把氧定为16。这个标准比较理想:这样既保留氧作基准的优点,并且很多元素的原子量又回到了整数,且最轻的元素,氢的原子量也近于1。这一标准一出来就得到了大家的赞同,沿用了很长时间。化学家们愉快地接受了这一建议,并且基本做到了一百年不动摇!
斯塔司(J·S Stas,1813-1891):我只是想让大家记得轻松一点而已。
1869年,门捷列夫发现的元素周期律又为确定原子量提供了一条重要途径。他依照原子量与元素性质的相互关系校正了铟、铀、铍、钇、钛等元素的原子量,使当时已知的元素基本上都具有了准确的原子量。
1910 年,英国科学家索迪在研究了元素蜕变产物以后认为,一种元素可能会有两种或两种以上的元素变种即同位素,并在不久后得到了证实。这表明,通常的原子量实际是几种同位素的原子所构成的平均原子量,从而打破了一种元素一种原子量的传统观念。
索迪(F.Soddy,1877-1956):门捷列夫给每种元素一个位置,我却在一个位置上找到几个兄弟!
原子量的测量越来越精确。
1914年,美国的理查兹由于精确测定众多元素的原子量而获得诺贝尔化学奖。
1929年,W.F.吉奥克和H.L.江斯登发现天然氧中存在着O—16、O—17、O—18三种同位素,它们的原子量各不相同,且在自然界的分布不完全均匀。
吉奥克,W.F.(1895—1982):不得了,原来氧不只一种原子!
这可是惊天动地的大发现啊!试想一下,一直以来作为“标准”的氧原子居然有3种,这不是乱套了吗?
物理学家认为,用天然氧作为原子量基准是荒谬的,因为这种“混合平均的氧原子”是不存在的。
所以质谱仪的发明者阿斯顿规定,以O—16原子的质量的1/16定为原子量的单位,O—16的原子量为16.0000,元素的原子量规定为各同位素原子的加权平均数。
阿斯顿(Francis Wi11iam Aston,1877-1945):卖质谱仪喽定标准!
阿斯顿的规定获得了物理学界的广泛支持,毕竟这比原来的定义要更严谨一些嘛。于是物理界率先改用了以氧—16等于16为基准的原子量。
但化学界不干了。
毕竟,标准一换,数据全变!
试想一下,如果要你以前所记的原子量换个数据全部重背,你也肯定不乐意。
同位素的存在是事实,但用原来的标准,并不影响化学研究。更何况,化学的地盘跟着物理而变标准,那化学家的面子搁哪里去?于是,化学界还是沿用天然氧等于16的基准。
物理学界和化学界互相不服软啊,从此,一种原子两个量,“物理”“化学”各不同。化学基准比物理基准的值大,所测定的原子量数值则要小。
1940年,国际原子量与同位素丰度委员会(ICAW)确定以1.000275作为两种标度的换算因子:物理原子量 = 1.000275 × 化学原子量。
差别虽小,越是精确,结果越是不同。
存在两种标度必然经常引起混乱。
不过,也许是为了面子,双方还是互不相让,直到做质谱和原子量测量研究的马塔赫提出的解决方案……
J.H.马塔赫:你造不,我可是于1955年独立修改了整个元素周期表的原子量的人!
1959 年,德国质谱学家J.H.马塔赫向国际纯粹和应用化学联合会建议采用丰度稳定且量大的碳—12等于12.0000作为基准,可使全部元素的原子量数值仅降低0.0043%,变动幅度较小,与化学的旧原子量相比几乎完全一样,又便于用质谱仪对欲测定的原子进行直接比较和测定。国际纯粹和应用物理联合会也于1960年接受这一建议。1961年,在蒙特利尔召开的国际纯粹与应用化学联合会上,正式通过这一新基准,从而实现了物理原子量和化学原子量的统一,统称为“国际原子量”。
1979年,由国际相对原子质量委员会提出原子量的定义。“国际原子量”是相对原子质量,是一个比值,单位是1,而不是原子的绝对质量。
与之对应,我国在在1994年7月1日起,在专业的学术文件上需要使用“原子量”的概念的,均使用“相对原子质量”来代替(同时也废除了“分子量”,使用“相对分子质量”来代替)。
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