元素周期表面临“大改”

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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。”

应用 同位素其实很有用

虽然同位素在化学上若了不少麻烦，但科学研究上还真离不了它。通过对不同区域同位素丰度的了解，科学家可以知道很多物质来源于何方。

比如说，通过测量象牙里的某些同位素的量，就可以知道这头象吃的是草还是树叶。

再比如说，运动员可能会非法服用睾丸酮以促进肌肉生长，那么检验人员是如何知道尿样中的睾丸酮是运动员自己分泌的，还是从外界摄入的呢？答案是，药用睾丸酮是从植物中提取出来的，它含有的碳同位素配比和人体分泌的睾丸酮不同，由此可以知道运动员是否服用禁药。

同位素还是犯罪现场调查的有力工具。在上世纪90年代，奥地利曾经发生过一次严重的铁管炸弹爆炸事件，数人在爆炸中丧生。因为炸弹都是使用平常易得的原料制作，很难追踪其来源，所以此案的侦破一度陷入僵局。后来法庭科学家终于发现，一个炸弹的石膏底座里含有比平均数多得多的重氢，这样就把调查人员引向了一个疑犯的起居室，这里的重氢富集度也相当高，调查人员终于掌握了足够的证据指控疑犯。

而柯普伦最喜欢的故事是，一个美国司机从佛罗里达州买橘汁，运到堪萨斯州，在这里兑水，冒充“鲜橘汁”出售。通过同位素检查，发现橘汁里的水是堪萨斯州的自来水，于是这个造假的司机遭到了起诉。

解决 单一数改成上下限

既然元素的原子量没有定值，而且同位素丰度测量有着巨大的实用价值，所以国际理论和应用化学组织就设想出了一种“颠覆性”的标注原子量的方法，一改用一个数字标注的方法，改为上下限标注法。比如说氢的原子量是[1.00784;1.00811]，表示在地球上发现的含氢的物质中，氢原子最小的平均质量是1.00784，最大的平均质量是1.00811，锂、硼、碳、硫和氮这几种元素也获得了新的原子量，而氦、镍、铜、锌、硒、锶、氩和铅正在“接受调查”。

这个名单还会扩大吗？可能会，但变化不会太大。因为有些元素，比如说氟、铝、钠、金和17种其他的元素都只有一种原子质量，没有同位素。而那些放射性元素，则变化太多，根本不可能算出其“准确”的平均质量。比如铀这种元素就有234、235、238三种同位素，它们分别会衰变成钍229，钍230，钍234，而且半衰期还不一样，其比例是时时变化的，所以，也就没可能也没必要确定它们的“丰度”分别是多少了。

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原子量如何计算

因为原子的质量很小，用实际的质量表现很不容易，所以国际权威机构“国际理论和应用化学组织”（IUPAC)规定，以一个碳12原子的质量的1/12作为一个单位，每种元素的原子量以这个单位的倍数表示。比如说，金子的原子质量正好是这个单位的196.967倍，所以它的原子量就是196.967。国际理论和应用化学组织规定，元素的原子量是所有同位素的平均质量。它的依据是各种同位素在宇宙中的相对数量，这个数量被称为“丰度”。比如氯有原子量为34.969和原子量为36.966两种同位素，丰度分别为75.77%和24.23%，所以氯元素的原子量是“34.969×0.7577+36.966×0.2423=35.453”。