導(dǎo)讀

由于原子的實(shí)際質(zhì)量很小，如果人們用它們的實(shí)際質(zhì)量來計(jì)算的話那就非常的麻煩，因此國際上規(guī)定采用相對(duì)原子質(zhì)量和相對(duì)分子質(zhì)量來表示原子、分子的質(zhì)量關(guān)系。相對(duì)原子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的演變是人類對(duì)物質(zhì)本質(zhì)認(rèn)識(shí)的一個(gè)縮影，小編在這將盡量用生動(dòng)有趣的語言把這段曲折的歷史呈現(xiàn)給大家。

一、 H標(biāo)準(zhǔn)-原子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)開始出現(xiàn)

讓我們從道爾頓在18世紀(jì)末19世紀(jì)初建立的原子論說起。道爾頓根據(jù)他所建立的原子論導(dǎo)出了倍比定律（這時(shí)倍比定律與定比定律已經(jīng)形成），并提出了原子量的概念。1803年，他規(guī)定了H的原子量為1（雖然他正式發(fā)布他的原子論是在1805年）。那時(shí)人們已經(jīng)知道水中氫氧質(zhì)量比為1:8，道爾頓無從知道水中氫氧原子的比例，他就根據(jù)思維經(jīng)濟(jì)原則武斷地決定，水分子是由一個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子構(gòu)成的，所以氧的原子量是8，道爾頓是原子量測量的開山始祖。

從圖中我們可以看出，不僅是水，像二氧化硫、甲烷、碳酸鋇的分子組成他都給錯(cuò)了。而因?yàn)檫@樣，雖然氫氧化鉀的組成他寫對(duì)了，但根據(jù)這個(gè)分子組成并結(jié)合氫氧化鉀的宏觀質(zhì)量來推斷鉀的原子量也必然會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的結(jié)果，因?yàn)檠醯脑恿渴清e(cuò)誤的。

后來呢，人們用了幾年，就感覺有些別扭。為什么呢？

上文已經(jīng)提到了，那時(shí)候人們的科技水平不發(fā)達(dá)，確定原子量的方法是：

1、確定宏觀上元素的質(zhì)量比（還經(jīng)常出錯(cuò)）。

2、確定它的化學(xué)式（還經(jīng)常出錯(cuò)）。

3、根據(jù)前兩者確定原子的質(zhì)量比（這個(gè)現(xiàn)在的初中學(xué)生應(yīng)該也會(huì)，一般不會(huì)出錯(cuò)）。

4、確定原子量。

那時(shí)候?qū)嶒?yàn)條件差，精度也低，人們當(dāng)然喜歡取整數(shù)，或者只保留一、兩位小數(shù)。因?yàn)榍斑叺亩ū榷墒裁吹目赡軙?huì)使人們產(chǎn)生原子量都是氫的整數(shù)倍的錯(cuò)誤感覺，這樣就又有問題了。

首先確定氧的原子量就錯(cuò)了，開門“紅”，以這個(gè)為基準(zhǔn)去確定其他原子量當(dāng)然也會(huì)出錯(cuò)，其次是很多物質(zhì)的化學(xué)式也確定錯(cuò)了，再次是，取整數(shù)后，再計(jì)算其他原子量，通過很多中間物質(zhì)導(dǎo)出的原子量的誤差就會(huì)被慢慢放大。

舉一個(gè)例子：根據(jù)氫和水，算出了氧，用算出來的氧的數(shù)值和氫氧化鉀去計(jì)算鉀的，用算出來的鉀的數(shù)值和碳酸鉀去計(jì)算碳的，用計(jì)算出來的碳的和碳酸鋇計(jì)算出來鋇的，用計(jì)算出來的鋇的和硫酸鋇，來計(jì)算硫的，好了，每次計(jì)算都會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤或誤差，這么多步之后，就是失之毫厘謬以千里了。用算出來的硫再去看二氧化硫就發(fā)現(xiàn)，二氧化硫（好吧，那時(shí)候他們可能叫一氧化硫，或叫其他的名，反正不會(huì)叫做二氧化硫。因?yàn)閺纳蠄D上看，道爾頓他們把我們現(xiàn)在叫做二氧化硫的物質(zhì)的分子認(rèn)為是由一個(gè)硫原子和一個(gè)氧原子構(gòu)成（嗯，不管他們叫它什么了），其中氧和硫的質(zhì)量比與原子量之比不相同。以上是小編虛構(gòu)的例子，但這種現(xiàn)象一定不是個(gè)例，他們就迷惑了，因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)這原子量不自洽，一種化合物滿足了，另一種化合物就不滿足！照顧了這個(gè)物質(zhì)，那個(gè)物質(zhì)就不對(duì)了。

不過提一嘴，現(xiàn)代的離子半徑就是通過這種方式來確定的，即先規(guī)定了氧離子和氟離子的半徑，再根據(jù)X射線衍射實(shí)驗(yàn)確定離子晶體中陰陽離子的核間距，即半徑和，然后用這個(gè)和減去其中一個(gè)離子的，來確定另一個(gè)離子。比如氯離子的半徑就是先測定氟化鉀，根據(jù)氟離子和鉀離子的半徑和和規(guī)定的氟離子半徑為136pm，來得到鉀離子的半徑，再測定氯化鉀中氯和鉀的原子半徑和，減去剛才得到的鉀離子半徑，獲得氯離子半徑。當(dāng)然以后鎂離子半徑可以再測氯化鎂得到，最后每一個(gè)都修約修約，讓整體接近自洽。

話說回來，為什么原子量不自洽呢？因?yàn)镠原子（準(zhǔn)確的說是氕）是由1個(gè)質(zhì)子和1個(gè)電子構(gòu)成的，不含有中子。而其他原子都是既有質(zhì)子也有中子的。中子的靜止質(zhì)量為1.6749547×10^-24g，質(zhì)子的靜止質(zhì)量為1.6726491×10^-24g，中子是比質(zhì)子重的0.138%的，這一部分就能讓那些有很多中子的原子離整數(shù)差得更遠(yuǎn)（雖然有質(zhì)量虧損）。

1810年時(shí)，道爾頓的原子量被修正為：H-1，O-7，N-5，S-13.0，P-9，C-5.4，As-42，Pt-100。1818年貝采里烏進(jìn)行了大量修正，H修正為了0.99，O修正為了16（貝采里烏斯因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)2體積氫氣與1體積氧氣生成2體積水蒸汽（忽略氫鍵影響），所以他認(rèn)為水中氫原子數(shù)量是氧原子數(shù)量的2倍，但這與他是否承認(rèn)分子存在或阿伏加德羅定律無關(guān)，他只是認(rèn)為體積比與原子數(shù)成正比），S修正為了32.2，P修正為了62.7（P是現(xiàn)在的2倍，應(yīng)該還是某物質(zhì)的化學(xué)式確定錯(cuò)了），C修正為了12.5，As修正為了150.52，Pt修正為了199.4。1826年，他又進(jìn)一步修正了，使H、C、N、O、F、P、S、Cl、As、Pt均與現(xiàn)在數(shù)值非常相近，至少保留到整數(shù)都是一樣的了。

哦，對(duì)了，貝采里烏斯采是誰？他是第一位把原子量測得比較精確的化學(xué)家。他用了近二十年的時(shí)間，在極其簡陋的實(shí)驗(yàn)室里測定了大約兩千種化合物的化合量，并據(jù)此在1814～1826年的12年里連續(xù)發(fā)表了三張?jiān)恿勘恚性囟噙_(dá)49種。他還把道爾頓的畫圖的形式寫化學(xué)式改為現(xiàn)在的拉丁文寫法的人，雖然那時(shí)候用的不是下角標(biāo)，而是上角標(biāo)，但是至少讓我們現(xiàn)在的化學(xué)考試可以有時(shí)間答完卷子。

二、 O 標(biāo)準(zhǔn)成為主流

同樣還是1826年，同樣還是貝采里烏斯，因?yàn)樗X得氧形成的化合物比氫形成的化合物要多得多（小編覺得因?yàn)槟菚r(shí)他主要研究的是無機(jī)物吧），也許也是為了標(biāo)新立異的緣故吧，他采用以氧的原子量為100的標(biāo)準(zhǔn)，取代了道爾頓的原子量標(biāo)準(zhǔn)，也因?yàn)樯衔恼f了，他糾正了很多原子量的錯(cuò)誤，比如O的原子量已經(jīng)是H的16倍了，H為6.64，它更符合實(shí)驗(yàn)事實(shí)，所以就被廣大化學(xué)家采納了。不過，讓小編吐槽一下，他給氧取了這么個(gè)整數(shù)，可就坑壞了其他元素的原子量了，都不是整數(shù)了（也許S會(huì)是200，Cu在高中階段會(huì)是400？）。不知道那時(shí)候的人背原子量有沒有現(xiàn)在這么容易。

雅科比·貝采里烏斯

1860年，康尼查羅在德國卡爾斯魯厄國際化學(xué)家代表大會(huì)上論證了原子-分子學(xué)說。在根據(jù)蒸氣密度法測定分子量的基礎(chǔ)上，提出一個(gè)合理的測定原子量的方案：“因?yàn)橐粋€(gè)分子中所含各種原子的數(shù)目必然都是整數(shù)，因此，在重量等于分子量值的某物質(zhì)中，某元素的重量一定是其原子量的整數(shù)倍。如果我們考查一系列含某一元素的化合物，其中必有一種或幾種化合物中只含有一個(gè)原子的這種元素，那么，在一系列該元素的重量值中，那個(gè)最小值，即為該元素的大約原子量?！?/p>

也許是人們實(shí)在受不了那么多小數(shù)，也是在1860年斯塔斯建議把氧的原子量定為了16，這樣就又有很多是接近整數(shù)的了（比以H為1的時(shí)候接近整數(shù)要多，原因見下一段，但也不知道這個(gè)原因是不是站得住腳），更重要的是，他將天平的靈敏度提高到0.03mg，將很多元素的原子量的測量值測到了小數(shù)點(diǎn)后4位，化學(xué)家們愉快地使用了100年！

也許因?yàn)檠醯娜N同位素中，O-16是最多的，占99.76%，而O-17和O-18分別是0.04%和0.20%，所以氧的原子量為16，基本就反過來決定了O-16也差不多為16，因?yàn)槟菚r(shí)候人們雖然不知道有同位素，但是從實(shí)驗(yàn)的效果上來看，他們規(guī)定的是氧的各種同位素的原子量的加權(quán)平均數(shù)為16。O-16核素有8個(gè)質(zhì)子、8個(gè)中子和16個(gè)電子構(gòu)成，所以這時(shí)的單位1相當(dāng)于是1個(gè)質(zhì)子和1個(gè)中子的平均質(zhì)量與1個(gè)電子的質(zhì)量的和（精確來說不同于它們的靜止質(zhì)量，因?yàn)橛匈|(zhì)量虧損），這樣對(duì)很多其他元素的原子量更接近整數(shù)有所幫助，因?yàn)楹芏噍p元素的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都是相同的。

當(dāng)然的，那時(shí)候人們連原子是否真實(shí)存在都不確定，原子論還屬于一個(gè)看不見摸不著的假說，更不知道的質(zhì)子、中子和電子為何物了。

接下來到了20世紀(jì)，湯姆森和盧瑟福相繼發(fā)現(xiàn)了電子、原子核，在1912年人們發(fā)現(xiàn)了同位素可能存在的證據(jù)并于1913年成功找到的同位素，此后又在1929年發(fā)現(xiàn)了氧是有同位素的?。ú贿^質(zhì)子是盧瑟福于1917年發(fā)現(xiàn)的，而中子在1920年盧瑟福才假設(shè)可能存在，到1932年才由查德威克真正發(fā)現(xiàn)了中子。）

這可是驚天動(dòng)地的大發(fā)現(xiàn)?。≡囅胍幌?，一直以來作為“標(biāo)準(zhǔn)秤砣”的氧原子居然有3種啊，這不是亂套了嗎？物理學(xué)家認(rèn)為，沒有一種氧原子的原子量是16，因?yàn)?6只是三種氧原子的加權(quán)平均數(shù)，這種“混合平均的氧原子”是不存在的，之前原子量的規(guī)定是荒謬的。所以質(zhì)譜儀的發(fā)明者阿斯通規(guī)定，以O(shè)-16原子的質(zhì)量的1/16定為原子量的單位，O-16的原子量為16.0000，元素的原子量規(guī)定為各同位素原子的加權(quán)平均數(shù)。這個(gè)定義與之前的定義主要有兩個(gè)差別，一是將“O”改為了“O-16”，二是把原子量16改為了16.0000（體現(xiàn)出大部分原子量不是整數(shù)為普遍現(xiàn)象）。阿斯通的規(guī)定獲得了物理學(xué)界的廣泛支持，畢竟比原來的定義要更嚴(yán)謹(jǐn)一些嘛，因?yàn)榕f定義中的O是不真實(shí)存在的原子。阿斯通也因?yàn)橘|(zhì)譜儀的發(fā)明以及利用質(zhì)譜儀測定了很多元素的同位素豐度等貢獻(xiàn)，獲得了1922年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。（吐個(gè)槽：那個(gè)年代的化學(xué)獎(jiǎng)很多都被原子物理學(xué)家拿走，現(xiàn)在的化學(xué)獎(jiǎng)很多都被生物學(xué)家拿走的感覺……）

歐內(nèi)斯特·盧瑟福

約瑟夫·約翰·湯姆森

三、 物理原子量與化學(xué)原子量并存

雖然同位是的發(fā)現(xiàn)對(duì)當(dāng)時(shí)的科學(xué)界影響很大，不過，化學(xué)家們并不買賬。改原子量？牽一發(fā)而動(dòng)全身??！而且……這是要改多少數(shù)據(jù)??？以小編的心態(tài)大膽猜測一下他們的想法：“管他那種O原子是不是真實(shí)存在的呢，既然同位素豐度是固定的（當(dāng)然，在一定時(shí)間和空間范圍內(nèi)），我們研究的又主要是宏觀的東西（注意當(dāng)時(shí)化學(xué)的研究對(duì)象），稱量的都是天文數(shù)字那么多的原子、分子，從結(jié)果上看，和使用同位素的平均原子量的效果是相同的，是不影響做研究的，而且……好像還更方便些，因?yàn)槲铱梢灾苯幽脕硖烊淮嬖诘腛2去做原子量測定的研究，而不必分離出純的由O-16組成的O2或其他化合物，當(dāng)然，小編猜測也許那時(shí)候化學(xué)家也不太能分離出純的O-16組成的物質(zhì)。總之，他們認(rèn)為不改也不影響研究，而自己的東西讓物理學(xué)家給改了會(huì)很丟人。

從此，原子量一詞分成了“物理原子量”和“化學(xué)原子量”，數(shù)值是不同的，物理學(xué)界和化學(xué)界互相不服軟啊，“憑什么聽你們的？用你們規(guī)定的那個(gè)數(shù)？哥哥我用了2個(gè)月背出的有效數(shù)字有4位的原子量表不就白背了嗎？”（好吧，這部分，小編在圖書館借的某本書中，有更詳細(xì)、更生動(dòng)的描寫，可惜現(xiàn)在不知道是哪本書了，找了很多書也沒有再找到），總之有那么幾年，原子量在科學(xué)界是有兩套的，各用各的數(shù)據(jù)。

到1940年，才通過同位素技術(shù)準(zhǔn)確地測定出了氧的各種同位素豐度。因?yàn)槲锢韺W(xué)界把O-16定為16.0000，并測得O-17和O-18的質(zhì)量分別為17.0045和18.0049，加權(quán)平均后，得到氧元素的分子量為16.0044，而化學(xué)將加權(quán)平均數(shù)規(guī)定為16，所以它們的原子量單位的比值就是16.0044/16.0000=1.000275。同年，國際原子量與同位素豐度委員會(huì)（ICAW）就將其確定為兩種原子量的換算因子，即：物理原子量=1.000275×化學(xué)原子量。

因?yàn)槭且员戎禐闃?biāo)準(zhǔn)的，所以各元素的兩個(gè)原子量的倍數(shù)關(guān)系都是相同的，即所有元素的兩種原子量都是1.000275倍的關(guān)系，但因?yàn)楦髟氐脑恿康臄?shù)值不同，所以兩者的差值是不同的。有人可能認(rèn)為1.000275太小，可以忽略。其實(shí)不然，以Fe為例，假設(shè)鐵的原子量為58.845，在乘以1.000275后變成了58.861，如果學(xué)過分析化學(xué)，就會(huì)明白使用有四位小數(shù)電子天平的悲哀……58.845和58.861兩個(gè)數(shù)在分析化學(xué)家眼力看，差太多了！如果是滴定兩次滴出來這兩個(gè)結(jié)果？根本不平行嘛！

四、 C-12標(biāo)準(zhǔn)的確立

直到1935年開始，大規(guī)模使用質(zhì)譜儀來確定元素的原子量，準(zhǔn)確度得到了空前的提高！質(zhì)譜儀的基本原理高中人教版物理里面有介紹，就是根據(jù)帶電粒子在磁場中的偏轉(zhuǎn)半徑，確定質(zhì)量與電荷的比值，而電荷基本就是1或2，從而得到極其精確的質(zhì)量（前提是弄好真空環(huán)境）。

而那個(gè)時(shí)候的化學(xué)家也開始研究化學(xué)鍵了，鮑林他們就這時(shí)候開始逐漸牛起來的嘛，由宏觀進(jìn)入到了微觀領(lǐng)域，所以這時(shí)候化學(xué)家對(duì)核素的區(qū)分，也是有必要的了。

不過，也許是為了面子，物理學(xué)界和化學(xué)界依然在僵持，直到一個(gè)做質(zhì)譜和原子量測量研究的馬陶赫提出的解決方案……

馬陶赫是誰呢？根據(jù)國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）2004年的一篇原子量發(fā)展史的綜述對(duì)其的介紹，他是1955年獨(dú)立地修改了整個(gè)元素周期表的原子量的人！小編驚呆了，這真是大神?。?/p>

1959年，馬陶赫在國際純粹與應(yīng)用物理學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAP）于慕尼黑召開的大會(huì)上，建議以C-12原子的1/12作為原子量的單位，即他建議以Ar(C-12)=12.0000取代Ar(O-16)=16.0000，1960年得到了IUPAP的通過（可能因?yàn)樗苡型桑?，然后IUPAP以新標(biāo)準(zhǔn)與化學(xué)的舊原子量相比幾乎完全一樣，將這個(gè)新的原子量標(biāo)準(zhǔn)提交給IUPAC考慮。IUPAC經(jīng)過考慮后，初步?jīng)Q定接受（有臺(tái)階下了，呼呼），并在1961年在蒙特利召開的大會(huì)上予以正式通過。?1961年8月，開始正式啟用新標(biāo)準(zhǔn)，Angus E.(Gus) Cameron?在1961年，以Ar(C-12)=12.0000新標(biāo)準(zhǔn)更新了原子量表。從此，“物理原子量”和“化學(xué)原子量”這兩個(gè)詞就不再使用了，而用“國際原子量”來代替了。

J.H.馬陶赫

為什么馬陶赫建議將標(biāo)準(zhǔn)改為了Ar(C-12)=12.0000呢？原因有以下幾點(diǎn)。

1.測量原子量的精確方法已經(jīng)改為了質(zhì)譜法（但化學(xué)方法也仍然很重要?。?，質(zhì)譜儀中碳元素是次級(jí)基準(zhǔn)，即用C-12做標(biāo)準(zhǔn)是很可靠的，因?yàn)樘荚乜梢孕纬珊芏嘤袡C(jī)物，可以形成很多很多較重的（即分子量較大的）分子離子，這樣可以測量的物種很多，對(duì)于減小相對(duì)誤差是有好處的，其他元素不具備這種優(yōu)越條件；

2.自然界中的C-12的豐度是很穩(wěn)定的，并且是大量的；

3.1950s開始物理學(xué)界已經(jīng)開始推廣以C-12為12.0000的標(biāo)準(zhǔn)了，并且在物理學(xué)界取得了一定支持；

4.物理學(xué)家可以接受這個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗cO-16一樣，同樣是以一種核素作為標(biāo)準(zhǔn)的，是“嚴(yán)謹(jǐn)”的；

5.化學(xué)家可以接受這個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)榕c之前按O-16為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的相對(duì)誤為275ppm（百萬分之二百七十五，ppm表示百萬分之一）相比，新標(biāo)準(zhǔn)與舊的原子量的相對(duì)誤差為42ppm，與化學(xué)家傳統(tǒng)使用的原子量幾乎完全一樣，因?yàn)镺的平均原子量的1/16恰好與C-12的1/12極其接近，也因此現(xiàn)在的原子量最接近整數(shù)的元素不是H=1.008，也不是C=12.011，而是O=15.999。讓我們感謝馬陶赫，否則不知道現(xiàn)在是不是還是有兩套原子量表。

這個(gè)定義與舊的定義相比，要說明的有：

1.原來是以1個(gè)原子與1個(gè)C-12原子相比較，現(xiàn)在變成了1mol元素與1molC-12相比，也就是說氫的原子量為1.00794指的不是“1個(gè)氫原子的質(zhì)量是一個(gè)C-12原子質(zhì)量的1.00794/12”了，因?yàn)镠、D、T原子沒有一個(gè)是那個(gè)數(shù)值的，它表示的是按照天然豐度“混合”的H、D、T共1mol時(shí)，質(zhì)量是1mol C-12質(zhì)量（即0.012kg）的1/12（即1g）的1.00794倍（即1.00794g）。很繞是吧？但確實(shí)比之前要更規(guī)范，因?yàn)闆]有了那種“假想的平均質(zhì)量的原子”，雖然名稱仍叫做“原子量”。（初中教材沒有用1mol而仍然用1個(gè)原子，應(yīng)該是考慮到初中同學(xué)沒有開始學(xué)物質(zhì)的量，以及只是初步了解同位素的概念）

2.單核素元素的相對(duì)原子質(zhì)量等于該元素的核素的相對(duì)原子質(zhì)量，多核素元素的相對(duì)原子質(zhì)量等于該元素的天然同位素相對(duì)原子質(zhì)量的加權(quán)平均值。

3.相對(duì)原子質(zhì)量是一個(gè)比值，它是量綱為1的物理量，即單位是1，而不是u（道爾頓），單位為u（或kg）的物理量是“原子質(zhì)量"（英文為“atomic mass”），它是質(zhì)量的絕對(duì)值。

而現(xiàn)在，在英文中，relative atomic mass反而成了比atomicweight更受到推薦的術(shù)語。

同時(shí)，我國在1993年12月27日發(fā)布了《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)物理化學(xué)和分子物理學(xué)的量和單位GB3102.8-93》，并在1994年7月1日起廢除。在專業(yè)的學(xué)術(shù)文件上需要使用“原子量”的概念的，均使用“相對(duì)原子質(zhì)量”來代替（同時(shí)也廢除了“分子量”，使用“相對(duì)分子質(zhì)量”來代替），不過由于原子量有更深的內(nèi)涵，學(xué)術(shù)界還不希望完全將其廢除。

最后，歸納一下