相对原子质量

　　相对原子质量(Ar)是以一个碳-12原子质量的1/12作为标准，任何一种原子的平均原子质量跟一个碳-12原子质量的1/12的比值，称为该原子的相对原子质量。

　　让我们从道尔顿在18世纪末19世纪初建立的原子论说起。道尔顿根据他所建立的原子论导出了倍比定律(这时倍比定律与定比定律已经形成)，并提出了相对原子质量的概念。1803年，他规定了H的相对原子质量为1(虽然他正式发布他的原子论是在1805年)。

　　那时人们已经知道水中氢氧质量比为1:8，道尔顿无从知道水中氢氧原子的比例，他就根据思维经济原则武断地决定，水分子是由一个氢原子和一个氧原子构成的，所以氧的相对原子质量是8，道尔顿是相对原子质量测量的开山始祖。

　　H原子(准确的说是氕)是由1个质子和1个电子构成的，不含有中子。而其他原子都是既有质子也有中子的。中子的静止质量为1.6749547×10^-24g，质子的静止质量为1.6726491×10^-24g，中子是比质子重的0.138%的，这一部分就能让那些有很多中子的原子离整数差得更远(虽然有质量亏损)。

　　贝采里乌斯，他是第一位把相对原子质量测得比较精确的化学家。他用了近二十年的时间，在极其简陋的实验室里测定了大约两千种化合物的化合量，并据此在1814～1826年的12年里连续发表了三张相对原子质量表，所列元素多达49种。

　　贝采里乌斯还发现2体积氢气与1体积氧气生成2体积水蒸汽(忽略氢键影响)，所以他认为水中氢原子数量是氧原子数量的2倍。

　　贝采里乌斯觉得氧形成的化合物比氢形成的化合物要多得多，他采用以氧的相对原子质量为100的标准，取代了道尔顿的相对原子质量标准。他纠正了很多相对原子质量的错误，比如O的相对原子质量已经是H的16倍了，H为6.64，它更符合实验事实，所以就被广大化学家采纳了。

　　1860年，康尼查罗在德国卡尔斯鲁厄国际化学家代表大会上论证了原子-分子学说。在根据蒸气密度法测定分子量的基础上，提出一个合理的测定相对原子质量的方案：“因为一个分子中所含各种原子的数目必然都是整数，因此，在重量等于分子量值的某物质中，某元素的重量一定是其相对原子质量的整数倍。如果我们考查一系列含某一元素的化合物，其中必有一种或几种化合物中只含有一个原子的这种元素，那么，在一系列该元素的重量值中，那个最小值，即为该元素的大约相对原子质量。”

　　也许是人们实在受不了那么多小数，也是在1860年斯塔斯建议把氧的相对原子质量定为了16，这样就又有很多是接近整数的了，更重要的是，他将天平的灵敏度提高到0.03mg，将很多元素的相对原子质量的测量值测到了小数点后4位。

　　氧的三种同位素中，O-16是最多的，占99.76%，而O-17和O-18分别是0.04%和0.20%，所以氧的相对原子质量为16，基本就反过来决定了O-16也差不多为16，因为那时候人们虽然不知道有同位素，但是从实验的效果上来看，他们规定的是氧的各种同位素的相对原子质量的加权平均数为16。

　　O-16核素有8个质子、8个中子和16个电子构成，所以这时的单位1相当于是1个质子和1个中子的平均质量与1个电子的质量的和(精确来说不同于它们的静止质量，因为有质量亏损)，这样对很多其他元素的相对原子质量更接近整数有所帮助，因为很多轻元素的质子数和中子数都是相同的。

　　接下来到了20世纪，汤姆森和卢瑟福相继发现了电子、原子核，在1912年人们发现了同位素可能存在的证据并于1913年成功找到的同位素，此后又在1929年发现了氧是有同位素的!

　　试想一下，一直以来作为“标准秤砣”的氧原子居然有3种啊，这不是乱套了吗?物理学家认为，没有一种氧原子的相对原子质量是16，因为16只是三种氧原子的加权平均数，这种“混合平均的氧原子”是不存在的，之前相对原子质量的规定是荒谬的。

　　所以质谱仪的发明者阿斯通规定，以O-16原子的质量的1/16定为相对原子质量的单位，O-16的相对原子质量为16.0000，元素的相对原子质量规定为各同位素原子的加权平均数。这个定义与之前的定义主要有两个差别，一是将“O”改为了“O-16”，二是把相对原子质量16改为了16.0000(体现出大部分相对原子质量不是整数为普遍现象)。

　　1959年，马陶赫在国际纯粹与应用物理学联合会(IUPAP)于慕尼黑召开的大会上，建议以C-12原子的1/12作为相对原子质量的单位，即他建议以Ar(C-12)=12.0000取代Ar(O-16)=16.0000。

　　1960年得到了IUPAP的通过，然后IUPAP以新标准与化学的旧相对原子质量相比几乎完全一样，将这个新的相对原子质量标准提交给IUPAC考虑。IUPAC经过考虑后，初步决定接受(有台阶下了，呼呼)，并在1961年在蒙特利召开的大会上予以正式通过。

　　为什么马陶赫建议将标准改为了Ar(C-12)=12.0000呢?原因有以下几点。

　　1、测量相对原子质量的精确方法已经改为了质谱法，质谱仪中碳元素是次级基准，即用C-12做标准是很可靠的，因为碳元素可以形成很多有机物，可以形成很多很多较重的(即分子量较大的)分子离子，这样可以测量的物种很多，对于减小相对误差是有好处的，其他元素不具备这种优越条件;

　　3、1950年开始物理学界已经开始推广以C-12为12.0000的标准了，并且在物理学界取得了一定支持;

　　4、物理学家可以接受这个新标准，因为它与O-16一样，同样是以一种核素作为标准的，是“严谨”的;

　　5、化学家可以接受这个新标准，因为与之前按O-16为标准时的相对误为275ppm(百万分之二百七十五，ppm表示百万分之一)相比，新标准与旧的相对原子质量的相对误差为42ppm，与化学家传统使用的相对原子质量几乎完全一样，因为O的平均相对原子质量的1/16恰好与C-12的1/12极其接近，也因此现在的相对原子质量最接近整数的元素不是H=1.008，也不是C=12.011，而是O=15.999。

　　当我们计算一个水分子的质量是多少时，就会发现计算起来极不方便(一个水分子是由两个氢原子和一个氧原子组成的)。若是计算其它更复杂的分子质量时那就更麻烦了。因此国际上规定采用相对原子质量和相对分子质量来表示原子、分子的质量关系。

　　国际规定把一个碳-12原子的质量分为12等份。那每一份的质量就是：一个原子的质量/(1/12×一个碳-12原子的质量)=一个原子的质量/1.667e-27kg。计算方法(1.993e-26)/12=1.667e-27千克。

　　然后再把其它某种原子的实际质量与这个数相比后所得的结果，这个结果的数值就叫做这种原子的相对原子质量。如氧原子的相对原子质量求法为：(2.657e-26)/(1.667e-27)=16，即氧原子的相对原子质量约为16，我们在计算时就采用16。这样就要简便得多。

　　注：碳原子有好几种，其中有一种碳原子它的原子核中含6个质子和6个中子，加起来是12，所以把它称为碳-12。当然还有其它如碳-14等，它含有8个中子和6个质子加起为14。国际上之所以要选用碳-12而不用碳-14是因为当选用碳-12原子作标准时，其它原子的相对原子质量都接近整数，便于记忆与使用。

　　相对原子质量≈[质子数×一个质子的质量+中子数×一个中子的质量]/[(1/12)mC]

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