原子量是指某种原子的质量与固定的原子量基准的比值,又称相对原子量。原子那么小,它的重量是如何测量得到的呢?对化学发展有什么重要意义呢?19世纪初,英国科学家道尔顿提出了原子论,但并未立即得到化学家们的普遍承认,当原子量能够被较准确地测定,物质变化得以定量描述时,化学才真正成为一门近代科学。19世纪70年代,俄国科学家门捷列夫也正是在掌握了各种元素较准确的原子量后,将元素按其原子量大小的顺序排列进行比较研究,才发现了周期律,并据此预见性地构筑了整个化学科学的框架。可见在化学发展的历史进程中,原子量的测定具有十分重要的地位。
原子量测量方法经历了三个主要发展阶段:19世纪初期至20世纪中期的化学测量法阶段;20世纪40年代至60年代的相对质谱测量法阶段;20世纪60年代至今的绝对质谱测量法阶段。最早道尔顿曾用氢作为原子量基准,19世纪中期开始用氧-16作为基准,并一直沿用了一个世纪。1961年,国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)确定采用碳-12作为原子量的新基准。原子量测量体现了全球科学家不断探索真理的执着追求精神,融汇了基础理论、测量方法和精密制造等重大科学发现和创新。利用高精密质谱仪测量同位素组成及核质量获得元素原子量是当前国际公认的最准确的测量方法。我国国家计量院自20世纪80年代起开展了元素原子量的测量研究,先后建立了锑、锌、硒、镱等11种元素原子量的绝对质谱测量方法,测量的同位素丰度及原子量准确度高,不确定度小,同位素丰度值均被IUPAC评为最佳测量,其中10种元素的原子量被采纳为国际新标准值。尤其是新近研究建立的钼同位素组成全校正质谱新方法,引领了国际同位素及原子量高精准测量技术的发展。
据统计,近十年原子量修改涉及了30多种元素,充分体现了当前国际研究关注度。近年来,由于同位素测量技术已能观测到自然界部分元素同位素丰度的细微差异,对原子量是“自然常数”的传统概念打了个问号。自2010年起IUPAC已将碳、氧等12种元素原子量标准值采用给出原子量值范围的新表达方式,不再使用平均原子量及不其确定度,故而在部分学科的尖端研究中需要对样品的原子量进行实测。例如,在摩尔国际单位制重新定义中采用了“硅球法”,就需要对超高浓缩硅-28的原子量进行精准测量,测量不确定度要求小于5x10-9。
原子量新的表达方式引领了同位素高精准测量方法学的发展,平均原子量值呈现出逐渐被样品的准确原子量值取代的发展趋势,这种变化将导致同位素精准测量理论和技术成为新的研究热点。