一個國際管理機構採用了一種新的原子質量(又稱原子量)定義,將原子量從特定值更改為質量區間,以解決關於最基本的科學概念之一長達 15 年的爭論。在一份只有歌手兼喜劇演員湯姆·萊勒才會喜歡的清單中,氫、鋰、硼、碳、氮、氧、矽、硫、氯和鉈現在都擁有了新的質量定義。
“回想高中時代,你開啟化學書,看到一張標準原子量的表格。你的老師可能會告訴你這些是自然常數。事實證明,這並非如此,”美國地質調查局的泰勒·科普倫說道,他是重新定義上述元素質量的檔案的合著者。對於一些化學家來說,用看似笨拙的數值區間取代簡單的單一數值一直備受爭議,但近年來更精確的測量表明,為了準確性,這種改變是必要的。經過長達 18 個月的艱苦審批流程,新的定義於 12 月 12 日在《純粹與應用化學》雜誌上發表後正式生效。
有些元素擁有不止一種穩定的(非放射性的)同位素——同一物質的不同變體,但原子核中的中子數量不同,從而改變了質量。(元素的身份由質子數決定。)在這些情況下,元素週期表上列出的原子質量傳統上被定義為平均值,具體取決於每種同位素在自然界中的常見程度。但是,這種平均值在地球上的每個地方或每種情況下都不相同。正如放射性碳定年法可以確定物質的時間一樣,同位素分析也可以精確定位其位置。
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因此,現在碳不再被列為 12.0107 原子質量單位,測量不確定度約為 0.0008,而是具有 [12.0096; 12.0116] 的官方原子量,其中方括號和分號表示原子量區間。該區間並不反映測量精度的不確定性,而是反映了物質與物質之間原子量的實際變化。只有 10 種元素將擁有這些新的區間,因為其他元素最多隻有一種穩定同位素,或者因為尚未量化上限和下限。*
如今的測量技術非常靈敏,以至於食物、水或汙染物的樣本通常可以根據同位素丰度追溯到其來源。科學家們經常在海洋學、地質學、生態學和法醫學中使用這些技術。“當我前幾天晚上觀看《犯罪現場調查:紐約》時,我看到他們要分析池塘水樣品的氧同位素。他們實際上是在確定原子量,並利用原子量因地而異這一事實,”科普倫說道。
儘管科學家可能會發現這種改變很有用,但對於那些已經很吃力,還要處理質量區間而不是僅僅一個數字的化學系學生來說,又該怎麼辦呢?科普倫認為這是一個教育機會。“這將使教師能夠向學生介紹所謂的穩定同位素,這很棒,因為我們是由穩定同位素構成的,而且這種比例會因我們吃的東西而異。”
尚未聽說過同位素的初學化學系學生可能會更難以理解這個概念,科普倫說他根本不知道最佳解決方案是什麼,但這個問題現在掌握在國際純粹與應用化學聯合會的化學教育小組手中。
再教育遠不止學生。科普倫說:“國際純粹與應用化學聯合會的一位人士對我說,他曾與許多其他化學家交談過,他們並不知道原子量實際上是會變化的。也許對於很多人來說,這不是他們思考過的事情,而且這將讓他們感到驚訝。在這種情況下,我認為委員會做了一件非常有用的事情。”
華盛頓特區美利堅大學的化學家馬特·哈丁斯說,大多數不經常考慮同位素丰度或在大學教授普通化學的化學家可能會認為原子量是常數。但他表示,大多數在職化學家在被推動考慮這個問題時,會理解這種變化是存在的。
國際純粹與應用化學聯合會還為貿易和商業設定了關於元素的國際標準,因此在不知道具體原子量的情況下,為這些用途定義了一組數值。這些數值與以前的標準相似,但通常精度較低,以考慮到原子質量的變化。例如,碳現在的建議原子量為 12.011。
*編者注(12 年 23 月 10 日):這句話在釋出後經過編輯。它最初宣告其他元素只有一種穩定同位素。全文也經過編輯,以糾正將元素的原子量識別為原子質量的說法。