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元素周期表面臨大修改??原子量原來非定數

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。

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」,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。

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里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里達州買橘汁,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,發現橘汁里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。

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。

 

責任編輯: 王和  來源:新京報 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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