為什么相對原子質量以C12原子質量的1／12作為標準？

　　導讀：由于原子的實際質量很小，如果人們用它們的實際質量來計算的話那就非常的麻煩，因此國際上規定采用相對原子質量和相對分子質量來表示原子、分子的質量關系。相對原子質量標準的演變是人類對物質本質認識的一個縮影，小編在這將盡量用生動有趣的語言把這段曲折的歷史呈現給大家。

一、 H標準-原子質量標準開始出現

　　讓我們從道爾頓在18世紀末19世紀初建立的原子論說起。道爾頓根據他所建立的原子論導出了倍比定律（這時倍比定律與定比定律已經形成），并提出了原子量的概念。1803年，他規定了H的原子量為1（雖然他正式發布他的原子論是在1805年）。那時人們已經知道水中氫氧質量比為1:8，道爾頓無從知道水中氫氧原子的比例，他就根據思維經濟原則武斷地決定，水分子是由一個氫原子和一個氧原子構成的，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了。而因為這樣，雖然氫氧化鉀的組成他寫對了，但根據這個分子組成并結合氫氧化鉀的宏觀質量來推斷鉀的原子量也必然會出現錯誤的結果，因為氧的原子量是錯誤的。

　　后來呢，人們用了幾年，就感覺有些別扭。為什么呢？

　　上文已經提到了，那時候人們的科技水平不發達，確定原子量的方法是：1、確定宏觀上元素的質量比（還經常出錯）。2、確定它的化學式（還經常出錯）。3、根據前兩者確定原子的質量比（這個現在的初中學生應該也會，一般不會出錯）。4、確定原子量。

　　那時候實驗條件差，精度也低，人們當然喜歡取整數，或者只保留一、兩位小數。因為前邊的定比定律什么的可能會使人們產生原子量都是氫的整數倍的錯誤感覺，這樣就又有問題了。

　　首先確定氧的原子量就錯了，開門“紅”，以這個為基準去確定其他原子量當然也會出錯，其次是很多物質的化學式也確定錯了，再次是，取整數后，再計算其他原子量，通過很多中間物質導出的原子量的誤差就會被慢慢放大。

　　舉一個例子：根據氫和水，算出了氧，用算出來的氧的數值和氫氧化鉀去計算鉀的，用算出來的鉀的數值和碳酸鉀去計算碳的，用計算出來的碳的和碳酸鋇計算出來鋇的，用計算出來的鋇的和硫酸鋇，來計算硫的，好了，每次計算都會出現錯誤或誤差，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現，二氧化硫（好吧，那時候他們可能叫一氧化硫，或叫其他的名，反正不會叫做二氧化硫。因為從上圖上看，道爾頓他們把我們現在叫做二氧化硫的物質的分子認為是由一個硫原子和一個氧原子構成（嗯，不管他們叫它什么了），其中氧和硫的質量比與原子量之比不相同。以上是小編虛構的例子，但這種現象一定不是個例，他們就迷惑了，因為他們發現這原子量不自洽，一種化合物滿足了，另一種化合物就不滿足！照顧了這個物質，那個物質就不對了。

　　不過提一嘴，現代的離子半徑就是通過這種方式來確定的，即先規定了氧離子和氟離子的半徑，再根據X射線衍射實驗確定離子晶體中陰陽離子的核間距，即半徑和，然后用這個和減去其中一個離子的，來確定另一個離子。比如氯離子的半徑就是先測定氟化鉀，根據氟離子和鉀離子的半徑和和規定的氟離子半徑為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。當然以后鎂離子半徑可以再測氯化鎂得到，最后每一個都修約修約，讓整體接近自洽。

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

　　1810年時，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（貝采里烏斯因為發現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），所以他認為水中氫原子數量是氧原子數量的2倍，但這與他是否承認分子存在或阿伏加德羅定律無關，他只是認為體積比與原子數成正比），S修正為了32.2，P修正為了62.7（P是現在的2倍，應該還是某物質的化學式確定錯了），C修正為了12.5，As修正為了150.52，Pt修正為了199.4。1826年，他又進一步修正了，使H、C、N、O、F、P、S、Cl、As、Pt均與現在數值非常相近，至少保留到整數都是一樣的了。

　　哦，對了，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家。他用了近二十年的時間，在極其簡陋的實驗室里測定了大約兩千種化合物的化合量，并據此在1814～1826年的12年里連續發表了三張原子量表，所列元素多達49種。他還把道爾頓的畫圖的形式寫化學式改為現在的拉丁文寫法的人，雖然那時候用的不是下角標，而是上角標，但是至少讓我們現在的化學考試可以有時間答完卷子。

二、 O 標準成為主流

　　同樣還是1826年，同樣還是貝采里烏斯，因為他覺得氧形成的化合物比氫形成的化合物要多得多（小編覺得因為那時他主要研究的是無機物吧），也許也是為了標新立異的緣故吧，他采用以氧的原子量為100的標準，取代了道爾頓的原子量標準，也因為上文說了，他糾正了很多原子量的錯誤，比如O的原子量已經是H的16倍了，H為6.64，它更符合實驗事實，所以就被廣大化學家采納了。不過，讓小編吐槽一下，他給氧取了這么個整數，可就坑壞了其他元素的原子量了，都不是整數了（也許S會是200，Cu在高中階段會是400？）。不知道那時候的人背原子量有沒有現在這么容易。

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家代表大會上論證了原子-分子學說。在根據蒸氣密度法測定分子量的基礎上，提出一個合理的測定原子量的方案：“因為一個分子中所含各種原子的數目必然都是整數，因此，在重量等于分子量值的某物質中，某元素的重量一定是其原子量的整數倍。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原子的這種元素，那么，在一系列該元素的重量值中，那個最小值，即為該元素的大約原子量。”

　　也許是人們實在受不了那么多小數，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的了（比以H為1的時候接近整數要多，原因見下一段，但也不知道這個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點后4位，化學家們愉快地使用了100年！

　　也許因為氧的三種同位素中，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，因為那時候人們雖然不知道有同位素，但是從實驗的效果上來看，他們規定的是氧的各種同位素的原子量的加權平均數為16。O-16核素有8個質子、8個中子和16個電子構成，所以這時的單位1相當于是1個質子和1個中子的平均質量與1個電子的質量的和（精確來說不同于它們的靜止質量，因為有質量虧損），這樣對很多其他元素的原子量更接近整數有所幫助，因為很多輕元素的質子數和中子數都是相同的。

　　當然的，那時候人們連原子是否真實存在都不確定，原子論還屬于一個看不見摸不著的假說，更不知道的質子、中子和電子為何物了。

　　接下來到了20世紀，湯姆森和盧瑟福相繼發現了電子、原子核，在1912年人們發現了同位素可能存在的證據并于1913年成功找到的同位素，此后又在1929年發現了氧是有同位素的！（不過質子是盧瑟福于1917年發現的，而中子在1920年盧瑟福才假設可能存在，到1932年才由查德威克真正發現了中子。）

　　這可是驚天動地的大發現啊！試想一下，一直以來作為“標準秤砣”的氧原子居然有3種啊，這不是亂套了嗎？物理學家認為，沒有一種氧原子的原子量是16，因為16只是三種氧原子的加權平均數，這種“混合平均的氧原子”是不存在的，之前原子量的規定是荒謬的。所以質譜儀的發明者阿斯通規定，以O-16原子的質量的1/16定為原子量的單位，O-16的原子量為16.0000，元素的原子量規定為各同位素原子的加權平均數。這個定義與之前的定義主要有兩個差別，一是將“O”改為了“O-16”，二是把原子量16改為了16.0000（體現出大部分原子量不是整數為普遍現象）。阿斯通的規定獲得了物理學界的廣泛支持，畢竟比原來的定義要更嚴謹一些嘛，因為舊定義中的O是不真實存在的原子。阿斯通也因為質譜儀的發明以及利用質譜儀測定了很多元素的同位素豐度等貢獻，獲得了1922年諾貝爾化學獎。（吐個槽：那個年代的化學獎很多都被原子物理學家拿走，現在的化學獎很多都被生物學家拿走的感覺……）

歐內斯特·盧瑟福

約瑟夫·約翰·湯姆森

三、 物理原子量與化學原子量并存

　　雖然同位是的發現對當時的科學界影響很大，不過，化學家們并不買賬。改原子量？牽一發而動全身啊！而且……這是要改多少數據啊？以小編的心態大膽猜測一下他們的想法：“管他那種O原子是不是真實存在的呢，既然同位素豐度是固定的（當然，在一定時間和空間范圍內），我們研究的又主要是宏觀的東西（注意當時化學的研究對象），稱量的都是天文數字那么多的原子、分子，從結果上看，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，因為我可以直接拿來天然存在的O2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，當然，小編猜測也許那時候化學家也不太能分離出純的O-16組成的物質。總之，他們認為不改也不影響研究，而自己的東西讓物理學家給改了會很丟人。

　　從此，原子量一詞分成了“物理原子量”和“化學原子量”，數值是不同的，物理學界和化學界互相不服軟啊，“憑什么聽你們的？用你們規定的那個數？哥哥我用了2個月背出的有效數字有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、更生動的描寫，可惜現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，原子量在科學界是有兩套的，各用各的數據。

　　到1940年，才通過同位素技術準確地測定出了氧的各種同位素豐度。因為物理學界把O-16定為16.0000，并測得O-17和O-18的質量分別為17.0045和18.0049，加權平均后，得到氧元素的分子量為16.0044，而化學將加權平均數規定為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（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×化學原子量。

　　因為是以比值為標準的，所以各元素的兩個原子量的倍數關系都是相同的，即所有元素的兩種原子量都是1.000275倍的關系，但因為各元素的原子量的數值不同，所以兩者的差值是不同的。有人可能認為1.000275太小，可以忽略。其實不然，以Fe為例，假設鐵的原子量為58.845，在乘以1.000275后變成了58.861，如果學過分析化學，就會明白使用有四位小數電子天平的悲哀……58.845和58.861兩個數在分析化學家眼力看，差太多了！如果是滴定兩次滴出來這兩個結果？根本不平行嘛！

四、 C-12標準的確立

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

　　而那個時候的化學家也開始研究化學鍵了，鮑林他們就這時候開始逐漸牛起來的嘛，由宏觀進入到了微觀領域，所以這時候化學家對核素的區分，也是有必要的了。

　　不過，也許是為了面子，物理學界和化學界依然在僵持，直到一個做質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？根據國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）2004年的一篇原子量發展史的綜述對其的介紹，他是1955年獨立地修改了整個元素周期表的原子量的人！小編驚呆了，這真是大神啊！

　　1959年，馬陶赫在國際純粹與應用物理學聯合會（IUPAP）于慕尼黑召開的大會上，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（可能因為他很有威望吧），然后IUPAP以新標準與化學的舊原子量相比幾乎完全一樣，將這個新的原子量標準提交給IUPAC考慮。IUPAC經過考慮后，初步決定接受（有臺階下了，呼呼），并在1961年在蒙特利召開的大會上予以正式通過。 1961年8月，開始正式啟用新標準，Angus E.(Gus) Cameron 在1961年，以Ar(C-12)=12.0000新標準更新了原子量表。從此，“物理原子量”和“化學原子量”這兩個詞就不再使用了，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準改為了Ar(C-12)=12.0000呢？原因有以下幾點。

　　1.測量原子量的精確方法已經改為了質譜法（但化學方法也仍然很重要！），質譜儀中碳元素是次級基準，即用C-12做標準是很可靠的，因為碳元素可以形成很多有機物，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，對于減小相對誤差是有好處的，其他元素不具備這種優越條件；

　　2.自然界中的C-12的豐度是很穩定的，并且是大量的；

　　3.1950s開始物理學界已經開始推廣以C-12為12.0000的標準了，并且在物理學界取得了一定支持；

　　4.物理學家可以接受這個新標準，因為它與O-16一樣，同樣是以一種核素作為標準的，是“嚴謹”的；

　　5.化學家可以接受這個新標準，因為與之前按O-16為標準時的相對誤為275ppm（百萬分之二百七十五，ppm表示百萬分之一）相比，新標準與舊的原子量的相對誤差為42ppm，與化學家傳統使用的原子量幾乎完全一樣，因為O的平均原子量的1/16恰好與C-12的1/12極其接近，也因此現在的原子量最接近整數的元素不是H=1.008，也不是C=12.011，而是O=15.999。讓我們感謝馬陶赫，否則不知道現在是不是還是有兩套原子量表。

　　這個定義與舊的定義相比，要說明的有：

　　1.原來是以1個原子與1個C-12原子相比較，現在變成了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個氫原子的質量是一個C-12原子質量的1.00794/12”了，因為H、D、T原子沒有一個是那個數值的，它表示的是按照天然豐度“混合”的H、D、T共1mol時，質量是1mol C-12質量（即0.012kg）的1/12（即1g）的1.00794倍（即1.00794g）。很繞是吧？但確實比之前要更規范，因為沒有了那種“假想的平均質量的原子”，雖然名稱仍叫做“原子量”。（初中教材沒有用1mol而仍然用1個原子，應該是考慮到初中同學沒有開始學物質的量，以及只是初步了解同位素的概念）

　　2.單核素元素的相對原子質量等于該元素的核素的相對原子質量，多核素元素的相對原子質量等于該元素的天然同位素相對原子質量的加權平均值。

　　3.相對原子質量是一個比值，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“原子質量"（英文為“atomic mass”），它是質量的絕對值。

　　而現在，在英文中，relative atomic mass反而成了比atomicweight更受到推薦的術語。

　　同時，我國在1993年12月27日發布了《中華人民共和國國家標準物理化學和分子物理學的量和單位GB3102.8-93》，并在1994年7月1日起廢除。在專業的學術文件上需要使用“原子量”的概念的，均使用“相對原子質量”來代替（同時也廢除了“分子量”，使用“相對分子質量”來代替），不過由于原子量有更深的內涵，學術界還不希望完全將其廢除。

最后，歸納一下