【正文】 。 同位素的發(fā)現(xiàn)和核化學(xué)的發(fā)展是二十世紀(jì)的事，然而關(guān)于同位素的預(yù)言則在上一世紀(jì)就己提出。人們測量一些元素原子量后，發(fā)現(xiàn)測得越精確，就越證明各元素的原子量并不是氫原子量的整數(shù)倍。又如門捷列夫排周期表時(shí)，把碲 () 排在碘 () 前，還有氬 () 排在鉀 () 前，鈷 () 排在銀 () 前，都說明同一元素的原子量并不是 “ 單一的 ” 數(shù)值，好象是許多數(shù)值的平均結(jié)果，不然無法說明門捷列夫的排法，正好符合性質(zhì)的周期性變化。英國科學(xué)家克魯克斯 (Crookes ， w ． 1832—1919) ，俄國科學(xué)家布特列洛夫（ 1828—1886 ）為解釋上述矛盾先后提出過同一元素的原子可具有不同的原子量，而且可用化學(xué)分餾法將它們分開，實(shí)際上他已從自發(fā)的唯物主義立場提出了同位素的思想。但是在科學(xué)上自發(fā)的唯物主義思想并不能抵抗唯心主義的襲擊。他們二入先后屈服于降神術(shù)。正如恩格斯指出的那樣 “ 許許多多自然科學(xué)家已經(jīng)給我們證明了，他們?cè)谒麄冏约耗情T科學(xué)的范圍內(nèi)是堅(jiān)定的唯物主義者，但是在這以外絕不僅是唯心主義者，而且甚至是虔誠的正教徒 ” 。 以后隨著天然放射性元素的發(fā)現(xiàn)一些元素的蛻變半衰期不同，而于 1910 年由英國科學(xué)家索迪 (SoddyJ Frederickl877—1956) 提出同位素的慨念。 質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的同一元素的不同原子互稱同位素 。即多核素元素中的不同核素互稱同位素。同種元素的不同核素，質(zhì)子數(shù)相同，在周期表中占同一位置，這就是同位素的原意。 同位素有的是穩(wěn)定的，稱穩(wěn)定同位素；有的具有放射性，稱放射性同位素。目前已知的天然元素中約有 20 種 ( 氟、鈉、鋁、磷、金等 ) 僅有單一的穩(wěn)定同位素，但都有放射性同位素。可以說，大多數(shù)天然元素都是由幾種同位素組成的混合物。到 1976 年為止，已發(fā)現(xiàn)的 107 種元素中，穩(wěn)定同位素約 300 多種，而放射性同位素達(dá) 1500 種以上，但多數(shù)是人工制備的。 目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)氫有三種同位素，在自然界有兩種穩(wěn)定同位素： 11H( 氕 ) 和 21H( 氘 ) ，另有一種 31H ( 氚 ) 為人造氫的同位素。氯在自然界中有兩種穩(wěn)定同位索：3517C1 和 3717 C1。碳有三種同位索： 126C 、 136C 為穩(wěn)定同位素， 146C 為放射性同位素。同一元素的各種同位素的原于核雖有差別，但是他們的核外電子數(shù)和化學(xué)性質(zhì)基本相同。因此同一元素的各種同位素均勻地混合在一起存在于自然界的各種礦物資源中。在化工冶煉過程中，發(fā)生同樣的化學(xué)反應(yīng)最后均勻混合，共存于該元素所生成的各種物質(zhì)中。我們所接觸到的就是各種穩(wěn)定同位素的混合物。 此外，人們也發(fā)現(xiàn)存在著質(zhì)量相同而性質(zhì)不同的原于，例如 3616S 和 3618Ar ，質(zhì)量數(shù)都是 36 ，由于它們的質(zhì)子數(shù)不同，分屬于不同元素 —— 硫和氬。同樣的,6529Cu 和6530 Zn ，質(zhì)量數(shù)都是 65 ，由于它們的質(zhì)子數(shù)不同，也分屬于不同元素 —— 銅和鋅。這種質(zhì)量數(shù)相同，質(zhì)子數(shù)不同，分屬于不同元素的幾種原子，互稱同量素。同量素的存在，也說明了以核電荷 ( 質(zhì)子數(shù) ) 作為劃分元素的標(biāo)準(zhǔn)是符合客觀規(guī)律的，抓住了事物的本質(zhì)。 123 原子的質(zhì)量 同位素發(fā)現(xiàn)以后，人們認(rèn)識(shí)到每種元素都有一定數(shù)目 ( 一種或一種以上 ) 的核素。 某核素一個(gè)原子的質(zhì)量稱為該核素的原子質(zhì)量，簡稱原子質(zhì)量。 1973 年國際計(jì)量局公布了原子質(zhì)量的單位，規(guī)定一個(gè) 12 C 核素原子質(zhì)量的 1 ／ 12 為 “ 統(tǒng)一的原子質(zhì)量單位 ” ，用 “u” 表示。 ( 有的資料中寫為 “amu” ， “mu”) 。因此， 12 C 的原子質(zhì)量等于 12u 。 通過質(zhì)譜儀可以測定各核素的原子質(zhì)量及其在自然界的豐度，據(jù)此就可以計(jì)算出元素的平均原子質(zhì)量。如汞的平均原子質(zhì)量為 。 根據(jù)相對(duì)原子質(zhì)量的定義，某元素一個(gè)原子的平均質(zhì)量 ( 即平均原子質(zhì)量 ) 對(duì) 12 C 原子質(zhì)量的 1 ／ 12 之比，即為該元素的相對(duì)原子質(zhì)量： 可見，相對(duì)原子質(zhì)量和平均原于質(zhì)量是兩個(gè)有區(qū)別的概念，同一元素的相對(duì)原子質(zhì)量和平均原子質(zhì)量的數(shù)值相同，但平均原子質(zhì)量有單位 (u) ，相對(duì)原子質(zhì)量則是一個(gè)沒有單位的物理量。根據(jù)數(shù)學(xué)上 “ 比 ” 的道理，同量綱的量比只有比值而沒有單位，它僅僅表示對(duì)某一基準(zhǔn)的倍數(shù)。如汞元素的相對(duì)原于質(zhì)量 A r(Hg) ＝ 表示汞元素平均原子質(zhì)量是 12 C 核素原子質(zhì)量 1 ／ 12 的 倍。相對(duì)原子質(zhì)量與平均原子質(zhì)量的關(guān)系和相對(duì)密度與密度的關(guān)系很相近。 必須指出，元素的 “ 相對(duì)原子質(zhì)量 ” 和核素的 “ 原子質(zhì)量 ” ，雖然都是以 12 C 為基準(zhǔn)，但是它們是兩個(gè)不同的概念?，F(xiàn)將它們的區(qū)別比較如下： 1 ．相對(duì)原子質(zhì)量是某元素一個(gè)原于的平均質(zhì)量對(duì) 12C 核素一個(gè)原子的質(zhì)量的 1 ／12 之比，而原子質(zhì)量是某核素一個(gè)原子的質(zhì)量，前者是討論某元素天然存在的所有核素原子的平均質(zhì)量，后者只討論某元素一種核素原子的質(zhì)量。 2 ．從數(shù)值看，一種元素只有一個(gè)原子量；除單一核素元素外，同種元素各核素原子質(zhì)量不同。 3 ．相對(duì)原子質(zhì)量沒有單位，而原子質(zhì)量有單位 ( 常用 u 表示 ) 。因比對(duì)單一核素元素來說，它的相對(duì)原子質(zhì)量和原子質(zhì)量數(shù)值相等但是前者無單位，后者有單位。如鈉元素的相對(duì)原子質(zhì)量等于 ， 23 Na 核素的原子質(zhì)量等于 。 4 ．某些元素的相對(duì)原于質(zhì)量與核素的豐度有關(guān)；原于質(zhì)量與核素的豐度無關(guān)。 最后指出：原子質(zhì)量和質(zhì)量數(shù)也是兩個(gè)不同的概念，前者表示某核素原子的質(zhì)量，后者表示某核素原子核中質(zhì)子數(shù)與中于數(shù)之和，雖然質(zhì)子和中子的質(zhì)量接近于 1u ，但不等于 1 ，再加上靜質(zhì)量虧損的原因，除 12 C 核素的原子質(zhì)量是整數(shù)，其數(shù)值恰好等于質(zhì)量數(shù)之外，其余核素的原子質(zhì)量都有小數(shù)，質(zhì)量數(shù)則全是整數(shù)。124 元素的相對(duì)原子質(zhì)量 國際原子量與同位素豐度委員會(huì)給原子量下的最新定義 (1979 年 ) 是： 一種元素的相對(duì)原子質(zhì)量是該元素 1 摩爾質(zhì)量對(duì)核素 12 C 的 1 摩爾質(zhì)量 1 ／ 12 的比值 。 由于 1mol 任何元素都含有相同的原子數(shù)，因此，相對(duì)原子質(zhì)量也就是一種元素的一個(gè)原于的平均質(zhì)量對(duì) 12 C 核素一個(gè)原子的質(zhì)量的 1 ／ 12 之比。所謂一個(gè)原子的平均質(zhì)量，是對(duì)一種元素含有多種天然同位素說的，平均質(zhì)量可由這些同位素的原子質(zhì)量和豐度來計(jì)算。 相對(duì)原子質(zhì)量用符號(hào) A r(E) 表示， A 代表原子質(zhì)量，下標(biāo) r 表示相對(duì)， E 代表某元素。如氯元素的相對(duì)原子質(zhì)量等于 ，可表示為 A r(Cl)= ，它表示 1mol 氯原子的質(zhì)量是核素 12 C 的 1 摩爾質(zhì)量 1 ／ 12 的 倍。亦即 1 個(gè)氯原子的平均質(zhì)量是 12 C 原子質(zhì)量 1/12的 倍?？梢娤鄬?duì)原子質(zhì)量僅是一種相對(duì)比值，它沒有單位。 自 1803 年道爾頓發(fā)表原子論以來，人們自然要考慮這樣的問題，一個(gè)原子有多重？從那時(shí)起，就有人開始致力于原子量的研究工作。由于原子很小，質(zhì)量很輕 ( 最輕的原子約重 10 24 g ，而最重的原子也不夠此重的 250 倍 ) 。一般情況下，又不能獨(dú)立存在，因比人們不僅無法取出單個(gè)的原子，更沒有這樣精密的天平能夠稱出原子的真實(shí)質(zhì)量。但是，我們可以稱取 1mol 某元素的原子，用摩爾質(zhì)量除以阿佛加德羅數(shù)．從而得到以克為單位的某元素原子的質(zhì)量。以克為單位的原子質(zhì)量，數(shù)字極小，使用極不方便，只好選取某元素的原子質(zhì)量為標(biāo)準(zhǔn)，令其它元素的原子質(zhì)量與之比較，這樣求得元素的相對(duì)原子質(zhì)量。 道爾頓首先提出以最輕的氫元素 H ＝ 1 為相對(duì)原子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) ( 當(dāng)時(shí)尚未發(fā)現(xiàn)同位素，因而認(rèn)為同種元素的原子具有相同的質(zhì)量 ) 。某元素一個(gè)原子比氫原子重幾倍，則原子量就是幾。后來由于很多種元素都能與氧化合生成氧化物，它們的化合量可與氧直接比較， 1826 年改用 O ＝ 100 為標(biāo)準(zhǔn)。 1860 年又改 O ＝ 16 作標(biāo)準(zhǔn)，這樣可使相對(duì)原子質(zhì)量數(shù)值小些，同時(shí)保持氫元素原子量約等于 1 。而所有元素原子量都大于 1 。 到 1929 年發(fā)現(xiàn)了氧的同位素。隨后人們通過實(shí)驗(yàn)證明氧的同位素豐度在自然界的分布是不均勻的，因而認(rèn)識(shí)到用天然氧作相對(duì)原子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不夠妥當(dāng)。物理學(xué)界隨即采用 16 O 等于 16 作為相對(duì)原于質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，但是化學(xué)界仍然保持了天然氧相對(duì)原子質(zhì)量等于 16 的標(biāo)準(zhǔn)。從這時(shí)起就有了所謂化學(xué)相對(duì)原子質(zhì)量和物理相對(duì)原子質(zhì)量并行的兩種標(biāo)度。這兩種標(biāo)度之間的差別約為萬分之三。 1940 年國際原于量與同位素豐度委員會(huì)確定以 為兩種標(biāo)度的換算因數(shù)：物理相對(duì)原子質(zhì)量＝ 化學(xué)相對(duì)原子質(zhì)量 實(shí)際上，由于天然氧的豐度是略有變化的，規(guī)定換算因數(shù)也不是一種妥善辦法，由于兩種相對(duì)原子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)并存所引起的矛盾，自然就促進(jìn)了統(tǒng)一 “ 原子量標(biāo)淮的要求。在化學(xué)工作中使用相對(duì)原于質(zhì)量的地方很多，因此，化學(xué)界希望選擇一個(gè)新標(biāo)度，并希望這個(gè)新標(biāo)度對(duì)原有的相對(duì)原子質(zhì)量數(shù)值改變?cè)叫≡胶?。?jīng)過反復(fù)的討論 1 H 、 4 He 、 19 F 、 12 C 、 16 O 等均曾被考慮過作為新的相對(duì)原子質(zhì)量標(biāo)堆，最后認(rèn)定以 12 C 作標(biāo)準(zhǔn)有許多好處： 12 C 在碳的天然同位素中所占的相對(duì)百分?jǐn)?shù)比較固定，受地點(diǎn)影響不大，而且對(duì) 12 C 的質(zhì)量測定比較精確，最重要的是，采用 12 C 作為相對(duì)原子質(zhì)量的新標(biāo)準(zhǔn)，各元素的相對(duì)原子質(zhì)量變動(dòng)不大，僅比過去降低了 % ，對(duì)大多數(shù)元素來說變動(dòng)不大。實(shí)際上，除氧之外，只有五種元素 (Ag 、 C1 、 Br 、 K 、 Ar) 的相對(duì)原子質(zhì)量稍有變動(dòng)。于是在 1960 年和 1961 年，國際物理學(xué)會(huì)和國際化學(xué)會(huì)先后正式采用以 12 C 的原子質(zhì)量＝ 12 作為相對(duì)原子質(zhì)量的新標(biāo)準(zhǔn)。從此，相對(duì)原子質(zhì)量有了統(tǒng)一的新標(biāo)準(zhǔn)，不再存在所謂化學(xué)相對(duì)原子質(zhì)量和物理相對(duì)原子質(zhì)量的區(qū)別，而統(tǒng)一改稱為國際原子量了。 13 原子的起源和演化 公元前約四百年，哲學(xué)家對(duì)萬物之原作了種種推測。希臘最卓越的唯物論者德?？死?( 公元前 460~370 年 ) 提出了萬物由 “ 原子”產(chǎn)生的思想。其后世界各國的哲學(xué)家，包括中國戰(zhàn)國時(shí)期《莊子》一書中，均對(duì)物質(zhì)可分與否爭論不休，延續(xù)時(shí)間很久。 1741 年俄國的羅蒙諾索夫 (1711~1763) 曾提出了物質(zhì)構(gòu)造的粒子學(xué)說，但由于實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)不夠，未曾被世人重視。人類對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)由臆測發(fā)展到科學(xué)，主要是依據(jù)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。 到了十八世紀(jì)末，歐洲已進(jìn)入資本主義上升時(shí)期，生產(chǎn)的迅速發(fā)展推動(dòng)了科學(xué)的進(jìn)展。在實(shí)驗(yàn)室里開始有了較精密的天平，使化學(xué)科學(xué)從對(duì)物質(zhì)變化的簡單定性研究進(jìn)入到定量研究，從而陸續(xù)發(fā)現(xiàn)一些元素互相化合時(shí)質(zhì)量關(guān)系的基本定律，為化學(xué)新理論的誕生打下了基礎(chǔ)。這些定律是： 1 ．質(zhì)量守恒定律： 1756 年，羅蒙諾索夫經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出第一個(gè)關(guān)于化學(xué)反應(yīng)的質(zhì)量定律，即 質(zhì)量守衡定律 — 參加化學(xué)反應(yīng)的全部物質(zhì)的質(zhì)量，等于反應(yīng)后的全部產(chǎn)物的質(zhì)量。 2 ．定組成定律： 1779 年法國化學(xué)家普勞斯特 (l754~1826) 證明 一種純凈的化合物不論來源如何，各組分元素的質(zhì)量間都有一定的比例 ，這個(gè)結(jié)論稱為 定比定律 。 3 ．倍比定律： 1803 年英國的中學(xué)教師道爾頓發(fā)現(xiàn)，當(dāng)甲乙兩種元素互相化合生成兩種以上化合物時(shí)，則在這些化合物中，與同一質(zhì)量甲元素化合的乙元素的質(zhì)量間互成簡單的整數(shù)比。這個(gè)結(jié)論稱為倍比定律。例如氫和氧互相化合生成水和過氧化氫兩種化合物：在這兩種化合物中，氫和氧的質(zhì)量比分別是 1 ： 和 1 ： ，即與 1 份質(zhì)量的氫相化合的氧的質(zhì)量比為 : ＝ 1:2 。 這些基本定律都是經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，是在對(duì)大量實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行分析和歸納的基礎(chǔ)上得出的結(jié)論。究竟是什么原因形成了這些質(zhì)量關(guān)系的規(guī)律 ? 這樣的新問題擺在化學(xué)家面前，迫使他們必須進(jìn)一步探求新的理論，從而用統(tǒng)一的觀點(diǎn)去闡明各個(gè)規(guī)律的本質(zhì)。 1787 年，年輕的道爾頓首先開始對(duì)大氣的物理性質(zhì)進(jìn)行了研究，從中逐漸形成了他的化學(xué)原子論思想。當(dāng)時(shí)，他繼承了古代希臘的原子論，認(rèn)為大氣中的氧氣和氮?dú)庵阅芑ハ鄶U(kuò)散并均勻混合，原因就在于它們都是由微粒狀的原子構(gòu)成的，不連續(xù)而有空隙，因此，才能相互滲透而擴(kuò)散。 19 世紀(jì)初，為了解釋元素互相化合的質(zhì)量關(guān)系的各個(gè)規(guī)律．道爾頓把他的原子論思想引進(jìn)了化學(xué)，他認(rèn)為物質(zhì)都是由原子組成的，不同元素的化合就是不同原子間的結(jié)合。例如碳的兩種氧化物碳和氧的質(zhì)量比分別是 3 ： 4 和 3 ： 8 ，和一定質(zhì)量的碳相化合的氧的質(zhì)量比恰好是 1 ： 2 。這不正是原子個(gè)數(shù)比的一種表現(xiàn)嗎 ? 這使他確信．物質(zhì)都是由原子結(jié)合而成，不同元素的原子不同，因而相互結(jié)合后就產(chǎn)生出不同物質(zhì)。 為了充分證明他的觀點(diǎn)．精確區(qū)分出不同元素的原子，他認(rèn)為關(guān)鍵是區(qū)分出不同原子的相對(duì)質(zhì)量，即相對(duì)原子質(zhì)量，于是他著手進(jìn)行測定相對(duì)原子質(zhì)量的工作。他把氫的相對(duì)原子質(zhì)量定為 1 ，并假定了元素化合時(shí)需要的不同原子數(shù)目。依照當(dāng)量定律和定組成定律提供的大量數(shù)據(jù)，初步測出了氫、氧、氮、硫、磷、碳等元素的原子量，為他的原子論提供了依據(jù)并形成了完整的理論體系。 道爾頓原子論的主要內(nèi)容有三點(diǎn) 1 ．一切物質(zhì)都是由不可見的、不可再分割的原子組成。原子不能自生自滅。 2 ．同種類的原子在質(zhì)量、形狀和性質(zhì)上都完全相同，不同種類的原子則不同。 3 ．每一種物質(zhì)都是由它自己的原子組成。單質(zhì)是由簡單原子組成的，化合物是由復(fù)雜原子組成的，而復(fù)雜原子又是由為數(shù)不多的簡單原子所組成。復(fù)雜原子的質(zhì)量等于組成它的簡單原子的質(zhì)量的總和。他還第一次列出了一些元素的原子量。 道爾頓的原子論合理地解釋了當(dāng)時(shí)的各個(gè)化學(xué)基本定律。根據(jù)原子論的論點(diǎn)，原子是物質(zhì)參加化學(xué)反應(yīng)的最小單位物質(zhì)在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)原子的種類和總數(shù)并沒有變化，各原子又有自己確定的質(zhì)量，因而反應(yīng)前后質(zhì)量不變 ( 質(zhì)量守恒定律 ) ?；衔锏膹?fù)雜原子是由為數(shù)不多的簡單原子組成。在復(fù)雜原子中所含不同的簡單原子的數(shù)目和質(zhì)量都是確定不變的，故復(fù)雜原子的質(zhì)量組成一定 ( 定組成定律 ) 。如果甲元素的一個(gè)原子能與乙元素的一個(gè)、兩個(gè)或幾個(gè)原子化合形成多種化合物，乙元素原子量都相同，則與相同質(zhì)量甲元素化合的乙元素質(zhì)量之比必成簡單整數(shù)比 ( 倍比定律 ) 等等。由于道爾頓的原子論簡明而深刻地說明了上述化學(xué)定律，一經(jīng)提出就得到科學(xué)界的承認(rèn)和重視。 由上面的說明可見，元素互相化合的質(zhì)量關(guān)系是原子學(xué)說的感性基礎(chǔ)