【元素家族——連載70】同位素的發現史

戰國時期，公孫龍提出一個重要的命題：「一尺之棰，日取其半，萬世不竭。」說明我們中國古人已經在思考物質基本組成的問題。在公孫龍之前200年，古希臘的德謨克利特已經提出了原子的說法：宇宙是由虛空和原子組成的，原子是不可再分的物質微粒。

【古希臘全才：德謨克利特，通曉哲學的每一個分支，而且還是個出色的音樂家、畫家、雕塑家和詩人。傳說柏拉圖曾經想把他的書全燒掉，因為他的存在讓柏拉圖無書可寫了。】

到了近代，隨著戴維、拉瓦錫、貝采里烏斯師徒們發現了一個又一個元素，人們才開始意識到這些元素可能是物質最基本的組成，這種最基本的組成可能不止一種，而是很多種。在這種背景下，19世紀初道爾頓提出了現代化學的原子論：每一種化學元素都是由一種不可分的微粒組成，這種不可分的微粒就是原子，每一種原子都有其特別的原子質量：原子量。

道爾頓的這個學說雖說有抄襲德謨克利特之嫌，但是在當時，原子論對整個化學界來說簡直是掃清了迷霧，讓大家對整個世界的看法更加清晰了。它揭示出，一切化學變化的實質都是原子的運動，化學家們的研究對象就是這些原子的運動和結合方式，化學真正從「科學哲學」中獨立出來，成為一門學科。說句玩笑話：化學家們在科學界終於有正式的「編製」了。

【又一個現代化學之父：道爾頓，晚年成為學霸，但是不妨礙他在歷史上留下英名。】

有了原子論的指引，化學家們立刻想到，原子量作為每種元素的特徵，一定值得重點研究。有人提出猜想，可以假定最輕的氫原子量為1，那麼其他更重的元素都是氫原子量的整數倍。比如氧是16，氮是14，這都很符合這個猜想。但是貝采里烏斯立刻指出：氯的原子量是35.5，這怎麼解釋呢？所以對於原子量的研究陷入了僵局。

到了20世紀初，英國的湯姆遜發現了電子，說明原子不是物質最簡單的結構，竟然還可以再分。這讓科學家們想到去探尋原子內部更深的秘密，這不是本文討論的內容了。

【這位湯姆遜不是開爾文勛爵，一般稱為J.J.湯姆遜，1906年諾貝爾物理學獎的獲得者。】

19世紀初，英國化學家索迪整理了一些放射性衰變的數據，發現在82號元素鉛到92號元素鈾之間，竟然存在40種不同原子量的原子核，這明顯和元素周期表的預測是相違背的。他試圖用化學的方法將這些不同原子量的「元素」分離，結果都失敗了。1910年，他宣布，幾種「元素」是不可能分離開的。1913年，他提出假設，可能會有好幾種原子在元素周期表上佔據同一個格子，雖是離經叛道，但已經有「同位素」的雛形了。

【英國化學家索迪，是第一個提出同位素概念的人】

理論上提出同位素概念還只是開始，科學必須要用實驗來驗證。話說J.J.湯姆遜除了發現電子的貢獻以外，還發明了質譜儀，有一次他讓氖原子核通過質譜儀，結果屏幕上卻出現了兩條軌跡。在科學史上，做實驗的時候碰到不符合自己想法的現象發生就等於撞大運了，因為這往往意味著要有新的發現誕生了，大家可以想想之前的拉姆塞發現氦的時候，面對那根黃線的情景。湯姆遜仔細檢查了他的設備，也將他的氖氣反覆提純，可是屏幕上還始終是那兩條軌跡。最終，他只能得出結論：還有一種原子量更重的氖。

【湯姆遜的實驗圖，氖的軌跡分成兩道，一明一暗。】

英國人阿斯頓改進了湯姆遜的質譜儀，解析度更高，他證明了氖有兩種同位素，氖20和氖22。在自然界里，氖20更多，佔90%左右，氖22較少，所以表觀上，氖的原子量是20.2。氯的原子量也被搞清楚了，原來自然界里氯最多的同位素是氯35和氯37，氯35更多，大約佔75%，氯37較少，所以氯的原子量就是35.5。

根據這些事實，他提出了著名的整數法則：所有元素的每一種同位素的原子量都是氫元素原子量的整數倍。他因此獲得了1922年諾貝爾化學獎。

【1922年諾貝爾化學獎獲得者阿斯頓。】

1932年，查德威克發現了中子，原子內部的秘密終於被解開了。原子由原子核與核外電子組成，電子帶負電，質量很輕，它的運動與宏觀物體運動不同，沒有確定的方向和軌跡，只能用電子云描述它在原子核外空間某處出現機會（幾率）的大小，電子云佔據了原子核外的廣大空間。原子核由質子和中子組成，質子帶正電，中子不帶電，這哥倆相對於電子來說很重，質子是電子質量的1836倍，中子是電子的1839倍。所以，如果把原子比作體育場，原子核只有一個足球那麼大，但是這個「足球」卻集中了原子幾乎所有的質量。

【1935年諾貝爾物理學獎獲得者：查德威克。同位素的發現史就是用諾貝爾獎堆出來的。】

現在我們明白了，同位素就是一種元素存在著質子數相同而中子數不同的幾種原子。由於質子數相同，所以它們的核電荷和核外電子數都相同（質子數=核電荷數=核外電子數），並具有相同電子層結構。因此，同位素的化學性質是相同的，但由於它們的中子數不同，這就造成了各原子質量會有所不同，涉及原子核的某些核物理性質（如放射性等），也有所不同。

【原子內部的大致情況，質子和中子都由夸克組成，科學家現在還無法將質子中子拆開得到單獨的夸克，這叫做「夸克禁閉」。所以原子核內部一定不是如同圖示的情況，究竟是什麼情況，只有期待人類的認知更進一步或者更先進的技術手段了。】

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