陳仁政

僅多出了0.9%—索迪、湯姆森和阿斯頓與同位素

既然相對原子量是以一個碳-12原子質量的1/12為標準計算的，而原子量是質子數(shù)（整數(shù)）與中子數(shù)之和，那么任何一種元素的原子量都應該是整數(shù)，不存在因“測量誤差”引出小數(shù)的問題。然而，氖的原子量（20.1797），以及其他全部元素的原子量都不是整數(shù)，這是怎么回事呢？

現(xiàn)在我們都知道，原子量都不是整數(shù)，是元素有同位素的緣故。那么，同位素是誰發(fā)現(xiàn)的？怎么發(fā)現(xiàn)的？

鑒于元素的原子量都不是整數(shù)，以及一些化學家做實驗時發(fā)現(xiàn)占據元素周期表中同一格的“不同元素”的化學性質幾乎完全相似、當時用任何方法都不能將它們分離的事實，英國化學家弗雷德里克·索迪在1910年提出了同位素假說：具有相同質子數(shù)的同一種元素，可以有不同的中子數(shù)，它們應占據元素周期表中同一格，互稱同位素。他還于1913年在致《自然》雜志的一封信中，正式提出了這一概念。

然而，雖然物理學家、化學家們不久就從不同的放射性元素（鈾和釷等）中得到了鉛（Pb）的兩種同位素Pb-206和Pb-208，但是它倆是從放射性元素中得到的，是不穩(wěn)定的。于是，獲得穩(wěn)定同位素的任務，就擺在科學家們的面前。

英國物理學家約瑟夫·約翰·湯姆森于1897年發(fā)現(xiàn)了電子。1912年，他改進了測量電子的儀器—采取了磁力作用的原理，制成了一種磁分離器（質譜儀的前身）。當他和被他邀請到卡文迪許實驗室工作的阿斯頓等測定氖氣時發(fā)現(xiàn)，無論怎樣提純氖，在顯示屏上得到的都是兩條拋物線：一條代表原子量為20的氖（Ne-20），另一條則代表原子量為22的氖（Ne-22）。這就是人類首先發(fā)現(xiàn)的穩(wěn)定同位素Ne-20和Ne-22—兩種無放射性的同位素。而這也是沒有忽略“小數(shù)據”的成果—氖的原子量為20.1797，比Ne-20的原子量20僅多出0.1797，即大約多出0.9%。（0.1797/20≈0.9%）

這下能回答開頭的問題了：元素的原子量是其各種同位素的原子量的加權平均值，所以全部元素的原子量都不是整數(shù)。

同位素的發(fā)現(xiàn)，具有重大的科學意義。

第一，解開了“原子量顛倒困惑”。1869年2月，俄國化學家門捷列夫發(fā)表了元素周期律并創(chuàng)建了元素周期表。之后40多年，雖然無數(shù)實驗與事實都能證明其正確性，但科學家們卻一直不能解答周期表中3對元素的原子量顛倒的困惑：第18號元素氬（Ar，原子量39.9）和第19號元素鉀（K，原子量39.1）、第27號元素鈷（Co，原子量58.9）和第28號元素鎳（Ni，原子量58.7）、第52號元素碲（Te，原子量127.6）和第53號元素碘（I，原子量126.9）。同位素的發(fā)現(xiàn)，能圓滿地解答這個困惑。

第二，揭示了元素周期律的本質：元素的主要特性是由原子序數(shù)（即核電荷數(shù)），而不是由原子量決定。這是英國物理學家、化學家莫斯萊在1914年用實驗證明的。揭示這一本質，顯然要依靠同位素的發(fā)現(xiàn)。揭示了這一本質，不但不會削弱略有瑕疵的元素周期律的光輝，而且以更深入、更高級的表達，讓元素周期律的光輝更加璀璨奪目—在科技并不發(fā)達的19世紀中葉，門捷列夫就能從令人眼花繚亂的物質、五花八門的元素中找出它們的規(guī)律，預測其性質，實在讓人驚嘆！

從0.83″到1.75″—小數(shù)據助力愛因斯坦預言光彎曲

0.83″或1.75″是很小的。然而，愛因斯坦卻沒有無視這兩個小數(shù)據，從而引出大成果：光線經過大質量的天體（例如太陽）邊緣時要彎曲；大質量的天體會像放大鏡一樣扭曲來自它身后遙遠星球的光線，有可能形成“引力透鏡效應”。

1911年6月，愛因斯坦在德國的《物理年鑒》上發(fā)表了《關于引力對光傳播的影響》。在該論文中，他根據等效原理預言，光線經過太陽邊緣要偏轉0.83″。4年后的1915年，他又在《普魯士學院會議報告》上發(fā)表了另一篇有關廣義相對論的論文，用完整的廣義相對論修正為1.75″。

接下來的故事科學界所共知。1919年，英國派出了兩個遠征隊，去觀測當年5月29日發(fā)生的日全食。一隊由英國皇家學會派出，英國天文學家愛丁頓率領，到西非幾內亞灣普林西比島觀測。另一隊由英國天文學會派出，克魯梅林帶隊，到巴西索布臘爾鎮(zhèn)觀測。兩隊各自的觀測結果，在同年11月6日同時公布：光線經過位于金牛座的太陽附近時，偏轉角分別為1.61″±0.30″和1.98″±0.12″—與愛因斯坦的預言非常接近，這一驗證在全世界引起極大的轟動。

還有更精密的驗證。1922年9月21日，美國利克天文臺臺長威廉·華萊士·坎貝爾和美國天文學家羅伯特·朱利葉斯·特魯普勒，通過對當天日全食的觀測，得到的偏轉角為1.72″—更接近1.75″。