[其它杂谈]核能史话  问题在于精确测量 [第14页]

第二章：原子的结构

4.问题在于精确测量

    从核特性的研究中已知该质量的测定取决于对单个原子质量的测量，而单个原子质量的测定又归结为对元素原子量的测定。但是，由于所测原子量的精确度不高，加上每一克原子中的原子数也知道得不够准确。且同种元素中的每个原子是否都有相同的两只练也都不得而知。所有这些都影响到核质量的精确测定。为此必须进一步研究对核质量更精确的测量方法。

    早在1886牛，就有人对同种元素所有原子完全相同的观点提出过怀疑。但由于条件限制，未能进行实验验证。到了1932年，卢瑟福和索第在研究铀族元素的放射性衰变产物中，首次发现在一种元素中存在着多种质量不同的同位素。到了1907年，随着钍系、铀系、锕系三个放射系的建立，科学家们从中又找到了一连串放射性元素，发现它们的原子并不是各方面都完全相同。但由于在测量方面的限制，未能对这些奇怪现象解释清楚。与此同时，对同位素颇有研究的索第从放射性原子的α衰变和β衰变所引起的原子量变化中，分析了三个天然放射系最终衰变产物的特性。发现它们应是三种不同原子量的铅原子，即铅206、铅207和铅208。接着索第等人又在1914年，对这三种铅同位素的原子量进行了测定。这样就直接证明了铅确实存在着三种不同原子量的稳定同位素，并对其它各种元素中的原子是否都有相同原子量提出了怀疑。

    当然，人们首先联想到的是大自然岩石中的铅，它是没有放射性的稳定核，原子量为207.2。而且人们不禁要问，为什么会出现带有小数点的原子量呢？从周期表上可看出，不仅铅元素是这样，其它元素也有此现象。这会不会是由于多种铅同位素混在一起造成的呢？但由于当时还无法进行同位素分离，因此得不到原子量单一的元素。这样问题也就无法解决，就需要设法找到一种可以测量单一原子质量的方法。

    1912年，英国物理学家汤姆逊和阿斯顿分别对氖原子进行了测量。汤姆逊用电磁分离法测得了氖的两种不同原子量的同位素，计算表明它们分别为氖20和氖22，并算得前者约90％，后者约10％。这样，氖的平均原子量即为20.183。

    与此同时，阿斯顿用气体扩散法，对氖同位素进行了分离和测量。其结果也证明氖是由多种同位素所组成，并精确地测定了氖同位素的成分及其百分数。发现除了氖20占90.51％和氖22占9.21％，还有氖2l占0.28％。

    另外，根据很多元素的原子量都带有小数点的特点，说明这些元素都可能有同位素存在。于是科学家们就利用同位素分离装置去寻找各种元素的同位素。而人们通常把汤姆逊的第一台能够分离同位素的装置叫做“质谱仪”。然而，最先使用这个名称的是阿斯顿，他在1919年建成了第一台高效率的质谱仪，阿斯顿利用它对各种元素的同位素进行了仔细测量和研究。其它科学家也相继推出了同样的质谱仪，并通过测量发现了许多种同位素。

    从1913～1937年，经过二十多年努力，初步完成了对各种向位素的测量任务。即使到现在，随着各种越来越精密的测量装置的建成，这种同位素成分的分析测量工作仍在继续进行。

    许多元素的原子量是接近于某整数，但并非刚好是整数。如果某种元素有几种稳定的同位素，那末此种元素的原子量一定是几种同位素的平均值。例如，氯元素的原子虽为35.453，就是因为氯原子是由24.5％的氯37和75.5％的氯35所组成的混合体。但我们在实际应用中，仍把构成某一元素的各种同位素的平均质量数称为该元素的原子量，而把与某种同位素的质量最接近的整数称作该同位素的“质量数”。

    对于原子量刚好接近整数值的元素来说，它们有可能是由单一的原子组成。铍9、氟19、钠23、铝27、金197、铋209和钍232等元素，都是由单—的原子所组成。所以它们在自然界的同位素丰度是百分之百，能容易地提炼成纯元素，如金的纯度就可达99.9999％(俗称六个九)。

    但是，在精确测定各元素原子量的结果中，也发现有某些例外的情况，即有些元素的平均原子量是接近整数，但在质谱仪上测量时，发现它们仍然有着多种同位素。例如氦元素的原子量差不多刚好是4(4.0026)。但在精确测量中发现，仍然有着百万分之一的氦3原子。同样，氮和碳元素中也有类似的情况。甚至对于最轻的元素—氢来说，它也有万分之一的氢2同位素存在于自然界中，这是美国化学家尤里在1932年把水进行同位素分离时发现的。氢2的质量数为氢的两倍，它是质量数差别最大的同位素。到了1934年，人们在同位素分离中又找到了氢的另一个同位素氢3。它是带有β放射性的，半衰期为12.33年，发射出的β粒子能量为18千电于伏，质量数为氢的三倍。

    氧元素的各种同位素的精确测定是在1939年由美国化学家吉奥克完成的。许多年来，氧原子量被物理学家任意定为16.0000，而实际上氧元素中有99.76％的氧16；0.20％的氧18和0.04％的氧17，这样氧16的实际原子量必然要小于16.0000。到1960年后，作为原子量的测量标准采用了碳12原子质量，这样氧16的原子量就成为15.994915。

    由前我们知道，同位素的概念也适用于带放射性的元素，为此人们也对放射性同位素也进行了精确测定。例如，铀元素的原子量最初认为是238。到了1935年，加拿大出生的美国物理学家登普斯特在铀原子中发现了其中有0.7％为铀235，后来又找到了铀234，它的同位素丰度为～0.0054％。

    随着现代科学技术的不断发展，质谱仪早巳成为研究原子核特性的一种特别重要的精密仪器。它不仅能精确地测定原子的原子量，甚至还可以测定原子核的质量亏损。例如，对汞同位素质谱分析的结果可得六种质量数不同的同位素。