摘要: 历史上,许多科学概念或科学术语的产生都有它的原因,当然也都有其历史局限性。
就拿“原子量”和“分子量”这两个术语来说。在19世纪初Dalton和Avogadro提出原子—分子学说的那个年代,已经有了“原子量”和“分子量”两个术语。在那个年代,所谓物体的“重量”还是一个模棱两可的概念,许多人把“重量”作为“质量”的同义词;在那个年代,人们根本不知道有同位素那样的东西存在。Dalton在提出原子论的时候,强调了“同一种元素的原子有相同的重量(weight),不同元素的原子有不同的重量(weight)”,于是“atomic weight”这一术语应运而生,其含义就是“原子的重量”,中译名为“原子量”。中文没有把“atomic weight”直译为“原子的重量”,而是把它翻译成“原子量”。现在看来,这个译名的好处在于它既包含了英文“atomic weight”的本来含义,又可以避开后来产生的“质量”和“重量”之争。
“atomic weight(原子量)”这一术语有其重要的历史意义。Dalton在运用“atomic weight”这一术语的同时,就按他自己的独特思维方式,获得了十一种元素的原子量,这是化学史上一个相当了不起的事件。正是由于Dalton把握了“原子量”这一重要的原子性质,才使原子论由古代的猜想变成科学。
原子很小,不能称量。Dalton以及他同时代的化学家都是通过考察各种元素在化合物中的定量关系去推测它们的原子量的相对大小的。首先,化学家们在考察这种定量关系时用得最广泛的仪器是分析天平,而分析天平是用来测量物体质量的仪器,所以分析天平可能告诉我们的定量关系一定是各种元素在化合物中的质量关系;其次,在考察各种元素在化合物中的质量关系时,化学家们所了解的只能是各种元素在化合物中的质量比,而由这种比例关系所获得的只能是各种元素的原子的相对质量。由此看来,Dalton和化学家们虽然用了“atomic weight”这样一个术语,但是他们在实验中获得的实际上都是各种原子的相对质量。Dalton原子量就是相对于氢的原子量为1的各种元素的相对原子质量。在确定原子的相对质量时,关键是要选一个合适的“参照系”(相对质量标准)。在历史上,不同的化学家曾经采用过不同的相对质量“参照系”,如瑞典的Berzelius曾经用过氧的原子量为100作“参照系”;而后来的Berzelius以及比利时的Stas都是用氧的原子量为16作“参照系”。但是不管相对质量的“参照系”怎么变,化学家们所获得的“atomic weight(原子量)”,都是原子的相对质量,即现在人们所说的“相对原子质量”。化学家们之所以这样做,说穿了是一种没有办法的“办法”。正如恩格斯所说:在化学上,我们也不知道各个元素的绝对原子量。但是因为我们能知道它们的相互的比例,所以我们可以相对地知道它们的原子量。化学一旦能够以相当的尺度,即以实际重量来绝对地表现原子量,它也就不会想到再用迂回的途径,用氢原子来表现各种元素的原子量了。这也就是化学界总是把“相对原子质量”称为“原子量”的历史原因。
历史地看,“molecular weight(分子量)”这个概念的产生以及“分子量”和“相对分子质量”的关系,大体也是如此。
在我们今天讨论“原子量”,“相对原子质量”;“分子量”,“相对分子质量”等概念的时候,千万不能忘记这段历史。
20世纪初,同位素的发现以及对原子内部结构的深入了解,确实是大大地改变了人们对化学元素和原子的认识,许多概念也发生了深刻的变化。首先是出现了“核素”这样一个新概念,而“元素”则成了一些核电荷相等的核素的“混合物”。当物理学家们在用质谱技术测量各种核素的原子质量时,就按他们的习惯采用了“atomic mass”这样一个在物理学上显得严密的术语。于是就形成了“atomic weight”和“atomic mass”两个平行的术语。在我看来,这两个术语在本质上说的是同一回事。但是,具体应用起来,差异又产生了。因为质谱仪能准确测量两种原子的质量比,物理学家在用质谱技术测量各种核素的原子质量时,还是像化学家们那样采用相对于某个“参照系”的相对值来描述原子的质量。具体操作时,他们选择了氧的同位素、质量数为16的核素16O的相对原子质量为16作“参照系”,并把16O原子质量的1/16定为原子质量单位(atomic mass unit,符号为:amu)。按这个办法可以方便地获得各种核素的“相对原子质量”。有了某元素的各同位素的“相对原子质量”,便可以按各同位素的原子分数(或相对丰度)计算该“元素”的“平均相对原子质量”。纯粹是为了表达的简洁,他们就按化学传统把这个“平均相对原子质量”简称为元素的“atomic weight”。但是坚持传统的化学家走的还是老路,他们在用化学方法测定元素的“相对原子质量”时,仿佛同位素根本就没有发现过,依然选择天然存在的氧(包含16O、17O和18O三种同位素)的相对原子质量为16作“参照系”。用化学方法测定的元素的“相对原子质量”当然还是叫元素的“atomic weight”。由于“参照系”不同,对于同一种元素,物理学家所获得的“atomic weight”和化学家所获得的“atomic weight”就不可能一致。于是同时存在了两张“原子量表”,一张是元素的“物理原子量表”,另一张是元素的“化学原子量表”。这种人为造成的不一致给化学工作者带来了许多麻烦。
为了结束这种混乱局面,到1956年就有人提议把两种“atomic weight”统一起来。统一总是好事。要统一,首先得统一确定相对原子质量的“参照系”。在这一点上,物理学家的办法无疑比化学家的办法强得多,因为化学家所选择的那个“天然存在的元素”的“原子”客观上是不存在的,天然存在的只有一种元素的各个同位素的原子。但是为了得到双方的同意,人们就建议改用碳的同位素、质量数为12的12C的相对原子质量为12作为统一的“参照系”。这个提议先后在1960和1961年被国际纯粹和应用物理联合会以及国际纯粹和应用化学联合会所采纳。从此,人们就把12C原子质量的1/12定为“原子质量单位”,符号为u。在用这样一种相对质量标准来处理原子和分子的质量问题时,出现了定名上的一些分歧。
在处理对某些科学概念的意见分歧时,我认为应当从实际出发,采取求同存异的办法,取得较为统一的认识。各执己见,只会造成一片混乱,这样的历史教训已经不少了。
对于用汉语的人们来说,“原子量”和“分子量”是物理学和化学的两个非常基本的科学概念,也是两个最基本的“量”。因为作为“量”,做实际工作的人天天要用,搞“量和单位”标准化的同人,更希望对它们有个统一的说法。
我们就先从“量”的角度来看问题。在原国家技术监督局参照ISO国际标准制订的《量和单位》的国家标准中,分别采用了“相对原子质量”和“相对分子质量”这样两个术语,以求得和国际标准的统一。这样做我认为是必要的。其好处还在于“相对原子质量”这个术语把核素的“相对原子质量”和“天然”元素的“平均相对原子质量”两个“量”也统一了起来。因为“相对原子质量”的定义为:
元素的平均原子质量与核素12C原子质量的1/12之比
Ar(X)=ma(X)/{ma(12C)/12}=12ma(X)/ma(12C)=12r(X)
其中用了元素的平均原子质量这样一个术语,这意味着:对于天然元素,必须用它们的平均原子质量;而对于只含一种核素的天然元素或核素,所谓平均原子质量也就十分自然地就是它们的原子质量了。还有从采用的符号来看,定义所说的平均原子质量或原子质量都应当是以克为单位的原子质量的绝对值。用两个绝对原子质量之比来定义,就更突出了术语“相对原子质量”中“相对”二字的意义。
但是采用这个定义有一个基本前提,那就是必须把12C的相对原子质量规定为12u。否则“12C原子质量的1/12”这句话中的1/12就失去了依据。而“12C原子质量的1/12”通常又被化学家们称为“原子质量单位”:1u≈1.66053886×10-27kg。这里又涉及一个“相对原子质量”该不该有单位的问题。从SI单位来看,似乎相对原子质量不该有单位,或者说这是一个无量纲量或量纲一的量。但是化学家们深知,“化学元素”或核素的“相对原子质量”跟“参照系”的选择密切有关。“参照系”一变,“相对原子质量”的数值马上就要跟着改变。科学还在发展,谁都无法保证“12C的相对原子质量等于12”这个约定会“万岁”。因此有人建议给我们当前在用的“相对原子质量”以一个非SI单位是有道理的,以表明现在人们所用的“相对原子质量”仅适用于12C标度。而把“相对原子质量”这个“量”定义为元素的平均原子质量与核素12C原子质量的1/12之比,对于历史和未来都没有普遍意义。
其次,从“量”的角度来看,ISO国际标准不采用“atomic weight”和“molecular weight”那样的术语,完全是有道理的。因为已经明确规定“重量(weight)”和“质量(mass)”是两个性质完全不同的物理量。在外国人看来,在讨论原子的质量问题时,“atomic weight”这个概念不确切,把它作为一个“量”的名称不妥当,有用词不当的嫌疑。他们不愿意采用就不采用罢。当然,由于历史上用过“atomic weight”这样的概念,争议肯定是会有的。
从科学概念的角度看,“原子量”、“相对原子质量”;“分子量”、“相对分子质量”都不是新东西。我不主张对起过历史作用的科学概念,轻易地采取“废除”或“打倒”的办法。许多历史上形成的概念当然会有其历史局限性,但是科学概念的内涵不可能是僵死的、一成不变的,随着认识的发展,其内涵会充实、提高,有时也可能作某些修正。
国外不主张取消“atomic weight”这个概念的人,肯定有他们的理由。我就可以举出几条来。首先,weight这个词有许多意思,为什么非得把它理解为“重量”呢?其次,就算把它看成是19世纪化学家用来描述“原子质量”而创造的一个专门名词罢!它也还是很有用处的。历史地看,“atomic weight”这一术语毕竟长期地表达过元素的相对原子质量(当然不是指相对于12C的相对原子质量)。就是在今天,在描述元素的相对原子质量时,也还用得着它。我前面讲过,天然存在的原子全都是各种核素的原子,根本就没有什么“元素”的“原子”,也就谈不上元素的相对原子质量。但是在发现了核电荷相同而质量数不同的各种同位素后,为了保留“元素”这个重要而十分有用的概念,人们对它的原子质量问题也作了特殊的处理,即将各同位素的相对原子质量按它们的相对丰度来平均。可是实际上是找不出一个数值与平均相对原子质量相当的原子来的。仔细想来,将“相对原子质量”这个术语用于元素同样是很荒唐的。好在前人已经为我们创造了“atomic weight”这样一个术语。今天就让我们继续运用这个术语来表达“元素”的“平均相对原子质量”罢。这样做,一方面文字简洁,另一方面用一个含义不明、模棱两可的“术语”来表达一件不那么实在的事情,这不也很好吗!
从科学概念的角度看,我十分欣赏中文中“原子量”这个术语。只要不是硬把它和“atomic weight”绑在一起,中文的“原子量”概念可以不含重量的意思,因为在字面上它并没有和重量直接挂钩。但是把“原子量”理解为原子的质量,它可以泛指原子的相对质量和绝对质量。考虑到不论用化学方法或质谱技术所得到过的都是原子的相对质量。可以通过定义把“原子量”定为“原子的相对质量”或“相对原子质量”。不过这里讲的“相对原子质量”应该有广泛的意义,它不应当局限于“元素的平均原子质量与核素12C原子质量的1/12之比”,而应当普遍地适用于H标度、O标度、16O标度、12C标度以及以后可能会出现的新标度。当然在不同的历史时期,“相对原子质量”可以有不同的具体内涵。譬如说,在当前采用12C标度的情况下,“相对原子质量”应当是指“元素的平均原子质量与核素12C原子质量的1/12之比”。这样就把科学概念和具体的“量”联系起来了。
ISO可以取消“atomic weight”这个术语,但是在科学发展的历史上,“原子量”这个科学概念是永远不可能被取消的。
上面只是一些个人看法,可能不正确。请指正。