质量迁移:化学家修订 10 种元素的原子量

首次,元素周期表中最常见元素下方的那些小数字将要改变,从单一数值变为数值区间

一个国际管理机构采用了一种新的原子质量(又称原子量)定义,将原子量从特定值更改为质量区间,以解决关于最基本的科学概念之一长达 15 年的争论。在一份只有歌手兼喜剧演员汤姆·莱勒才会喜欢的清单中,氢、锂、硼、碳、氮、氧、硅、硫、氯和铊现在都拥有了新的质量定义。

“回想高中时代,你打开化学书,看到一张标准原子量的表格。你的老师可能会告诉你这些是自然常数。事实证明,这并非如此,”美国地质调查局的泰勒·科普伦说道,他是重新定义上述元素质量的文件的合著者。对于一些化学家来说,用看似笨拙的数值区间取代简单的单一数值一直备受争议,但近年来更精确的测量表明,为了准确性,这种改变是必要的。经过长达 18 个月的艰苦审批流程,新的定义于 12 月 12 日在《纯粹与应用化学》杂志上发表后正式生效。

有些元素拥有不止一种稳定的(非放射性的)同位素——同一物质的不同变体,但原子核中的中子数量不同,从而改变了质量。(元素的身份由质子数决定。)在这些情况下,元素周期表上列出的原子质量传统上被定义为平均值,具体取决于每种同位素在自然界中的常见程度。但是,这种平均值在地球上的每个地方或每种情况下都不相同。正如放射性碳定年法可以确定物质的时间一样,同位素分析也可以精确定位其位置。


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因此,现在碳不再被列为 12.0107 原子质量单位,测量不确定度约为 0.0008,而是具有 [12.0096; 12.0116] 的官方原子量,其中方括号和分号表示原子量区间。该区间并不反映测量精度的不确定性,而是反映了物质与物质之间原子量的实际变化。只有 10 种元素将拥有这些新的区间,因为其他元素最多只有一种稳定同位素,或者因为尚未量化上限和下限。*

如今的测量技术非常灵敏,以至于食物、水或污染物的样本通常可以根据同位素丰度追溯到其来源。科学家们经常在海洋学、地质学、生态学和法医学中使用这些技术。“当我前几天晚上观看《犯罪现场调查:纽约》时,我看到他们要分析池塘水样品的氧同位素。他们实际上是在确定原子量,并利用原子量因地而异这一事实,”科普伦说道。

尽管科学家可能会发现这种改变很有用,但对于那些已经很吃力,还要处理质量区间而不是仅仅一个数字的化学系学生来说,又该怎么办呢?科普伦认为这是一个教育机会。“这将使教师能够向学生介绍所谓的稳定同位素,这很棒,因为我们是由稳定同位素构成的,而且这种比例会因我们吃的东西而异。”

尚未听说过同位素的初学化学系学生可能会更难以理解这个概念,科普伦说他根本不知道最佳解决方案是什么,但这个问题现在掌握在国际纯粹与应用化学联合会的化学教育小组手中。

再教育远不止学生。科普伦说:“国际纯粹与应用化学联合会的一位人士对我说,他曾与许多其他化学家交谈过,他们并不知道原子量实际上是会变化的。也许对于很多人来说,这不是他们思考过的事情,而且这将让他们感到惊讶。在这种情况下,我认为委员会做了一件非常有用的事情。”

华盛顿特区美利坚大学的化学家马特·哈丁斯说,大多数不经常考虑同位素丰度或在大学教授普通化学的化学家可能会认为原子量是常数。但他表示,大多数在职化学家在被推动考虑这个问题时,会理解这种变化是存在的。

国际纯粹与应用化学联合会还为贸易和商业设定了关于元素的国际标准,因此在不知道具体原子量的情况下,为这些用途定义了一组数值。这些数值与以前的标准相似,但通常精度较低,以考虑到原子质量的变化。例如,碳现在的建议原子量为 12.011。

*编者注(12 年 23 月 10 日):这句话在发布后经过编辑。它最初声明其他元素只有一种稳定同位素。全文也经过编辑,以纠正将元素的原子量识别为原子质量的说法。

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