變動中的原子量
"化學元素週期表標定的原子量,並非一成不變,國際化學組織公佈了最新的同位素週期表,給每一個元素的原子量全新的定義。"
撰文/沈川洲、陳心維
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自然界中,除了只擁有一種穩定同位素的元素外;對於具有兩種以上穩定同位素的元素而言,在不同地點,例如大氣、海洋、地殼或太空等,同位素比例都不太一樣。也就是說,絕大部份元素的原子量是會變化的,不是恆久固定的值。
2011年為國際化學年,最有意義的重大事件,是在發現同位素一世紀後的2011年7月,由國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)出版的《國際化學》期刊中,正式發表了新版的同位素週期表,這個計畫名為「建構教育界使用的同位素週期表」(Development of an Isotopic Periodic Table for the Educational Community),自2007年開始執行,將週期表大幅改版,在每個元素格中,增列圓餅圖以表示同位素組成,並將10種元素的原子量變化範圍,正式明列出來,例如氫的原子量範圍為1.00784到1.00811。而為了方便使用,也有科學家在論文中列出了這些元素新的原子量平均值。
然而目前首次提出的同位素週期表,並不是最終版本,因為IUPAC將持續執行這個計畫,未來幾年將持續更新同位素週期表。
百年前的大驚奇:發現同位素
到了1896年,貝克(Henri Becquerel)在磷光實驗中,偶然發現鈾元素會自發性的釋出放射線,震驚了當時的科學界,激發許多頂尖的物理及化學家,前仆後繼投入有關放射性元素的研究狂潮中。
數年之後,索帝、拉塞福及其他的科學家,才了解到釷元素變成為鐳元素的現象,為放射性元素的自發衰變過程,是不可能精煉成金子的,釷元素再經過一系列的衰變後,終將轉變為穩定的鉛元素。
索帝又歷經了10年的研究發現,有些具有不同放射性特徵以及質量的物質,無法利用化學方法把它們分離開來,也就是這些物質具有相同的化學特性。1910年他發表論文,推測這些長久困惑他的物質,是具有不同型態的同一種元素,佔據著週期表上同樣的位置!1913年,索帝以希臘文涵義「位於同樣位置」的同位素(isotope)一詞來表示這些物質,從此又開啟了人類對同位素一世紀來的研究。
在索帝提出同位素概念之後五年,鄧普斯特(Arthur Dempster)設計了第一台具有電磁鐵的熱游離質譜儀。他以高溫將中性原子離子化,這些離子在真空中受到電位差加速而做直線運動,當飛行過電磁場時,各種帶電的同位素離子因質量不同,造成旋轉半徑不同而被分離。鄧普斯特利用簡單的電磁學原理,便準確分析元素的同位素比例,直接證實了索帝「元素具有同位素」的假說。隨後幾十年間,週期表上元素同位素的組成陸續被準確測量。今天,以現代的多頻熱游離質譜儀以及感應耦合電漿質譜儀,來測量同位素比例,精準度可以達到百萬分之五至十。
同位素的誕生:不是孿生兄弟的兄弟
在歷經數十億年星際空間和太陽系形成的混合作用後,各元素的同位素,逐漸以均勻比例分佈於太陽系中,所以太陽系的成員,雖然形成於不同的區域,但各種元素的同位素比例,理論上應該是相同的。近年來藉由分析太陽系隕石標本,也證實了各個元素的同位素比例,在不同來源的標本中基本上是一致的,這個結果證明了太陽系同位素比例均一性的理論。
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