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相对原子质量是个相对值，并不是某个原子的真实质量，这是我们都知道的。 但是相对原子质量有什么意义？这个数值是怎么测量出来的？这是这篇文章要说明的。

世界上第一个开始测量相对原子质量的人是英国科学家约翰·道尔顿（John Dalton），也是他在 1808 年公开发表了关于原子学说的论文（其实早在 1803 年， 原子论基本观点已经形成）。而原子学说的提出揭开了相对原子质量测定的序幕。

什么是原子学说？

原子学说的提出无疑是一个伟大创举，其意义可以借用物理学家理查德·费 曼（Richard Phillips Feynman,1965 年诺贝尔物理学奖获得者）的话来说：“假如由于某种大灾难，所有科学知识都丢失了，只有一句话传给下一代，那么怎样才能用最少的词汇来表达最多的信息呢？我相信这句话是原子的假说：所有的物体都是用原子构成的——这些原子是一些小小的粒子，它们一直不停地运 动着，当彼此略微离开时相互吸引，但彼此过于挤紧时又互相排斥，只要稍微想一下，你就会发现这一句话包含了大量的有关世界的信息。”

约翰·道尔顿原子学说的要点： 

1.所有物质都不能无限分割，都要达到一个最后的极限。这个极限的微粒， 依照自古以来的说法，就叫做原子（atom）。

2.原子的种类很多。各元素都有各自特有的原子。同一元素的的原子，性质完全相同，质量相等。不同元素的原子，性质不同，特别是质量不同。

3.化合物是由组成元素的原子聚集而成的“复杂原子”。在构成一种化合物时， 其成分元素原子数目保持一定，而且保持着最简单的整数。

其中第二条同种原子质量相等，不同原子质量不同。这一点对整个原子学说极为重要，为原子学说能够在实验上得到验证找到了突破口。实际上道尔顿之前， 早有哲学家（德谟克利特，公元前 460~公元前 361）就提出了原子的概念，但并没有实验数据的支持。

道尔顿是如何从实验上验证原子学说的？

对于这个问题，做一个简单的说明： 当时已知碳与氧的化合物有两种，分别是氧化碳（即 CO）与碳酸气（CO₂），

当时原子学说没有成立，也就没有化学式，也不知道其具体组成。道尔顿发现，这两种化合物，当碳的质量相同时，含有氧的质量总是保持着简单的 1:2 的关系。 实际的分析结果是：

 碳的质量转化为 1 时，两种物质中氧的比例：

可以看出氧的重量比为：1.333:2.666=1:2 这个比例总是恒定的，其他化合物也都存在这种情况：当两种元素化合时，若存在多种化合物，这多种化合物之间以其中一种元素的质量为 1，另一种元素的质量比一定是一个简单的整数比。

这个结论能说明什么？ 假设原子学说是正确的，所有物质都是由微小的不可分粒子组成。那么 1 个碳粒子与氧粒子化合时，参与化合的氧粒子只可能是 1 个、2 个、3 个等情况， 不可能出现 0.5 个、1.5 个或其他非整数情况。同种原子质量相等，那么参与化合的氧的质量只可能是 1 个氧原子质量的整数倍，而不可能出现 0.5 倍、1.5 倍 或其他非整数情况。这很好地解释了实验结论：碳元素质量相等，与其化合的氧 的质量比只出现简单整数比。

当然还有其他必要实验才能完整而严密地证实原子论的科学性，但是不可否 认上述实验及推导是关键一步。

由此，原子质量成为一个极为重要的课题，对原子质量的测量势不可挡。

在只有光学显微镜的年代，原子质量是怎么测量的？

现在我们知道，一个原子的直径在 10^-10m 数量级，质量在 10^-27kg 数量级， 以当时的技术手段，要达到这样的测量精度简直是天方夜谭。但道尔顿采取了一 个非常巧妙的方法，虽然不能得到具体的原子质量，但也可以获得一些可靠信息。 

当时化学家们已经熟悉某些气体的性质，其中氢气是所掌握的物质中密度最小的物质，那么很可能氢原子质量也是最小的。

所以道尔顿决定把氢原子作为标准，可以得到各种原子与氢原子的质量比值， 这个比值虽然不是原子的真实质量但在实际应用中是一个极为重要的数据，这就 是现在相对原子质量的前身。具体的测量方法以一个例子来说明：

氢气与氯气可以发生化合反应生成氯化氢气体，这个反应中，可以发现消耗的氯气的质量总是是氢气质量的 35.5 倍，所以氯原子相对于氢原子的质量也是35.5 倍。

氯气 + 氢气 = 氯化氢 

质量：   142g      4g         144g 

比值：   35.5  ： 1    ：  36.5

其他原子也可通过类似的化合反应，把氢的质量设为 1，求出另一种原子的 相对值。 但这个计算方法也有一定的缺陷：

1.生成的化合物原子个数比为 1:1 时，结果才准确；

2.并不是所有元素都与氢元素发生化合反应；

3.以氢原子作为标准计算的各原子的相对质量整数值较少。

相对原子质量标准的改进

对于第 1 点做个说明，氧气与氢气化合为例： 

氧气 + 氢气            =    水

质量：  32g          4g              36g

比值：   8    ：  1        ：   9

氧气与氢气化合，氧气的质量总是氢气的质量的 8 倍（由于技术原因，道尔 顿的实验数据是 7 倍），氧原子的相对质量因而是 8，但是我们知道准确的值应该是 16，这是因为水分子是由 1 个氧原子与 2 个氢原子构成的，所以得到的比值应该乘以 2 才是准确的值。 这一缺陷最根本的原因在于把所有物质都看作由原子直接构成的，而没有意识到分子的存在，这一点在之后分子学说的提出才得以彻底解决。

对于第 2 点，解决办法是换一个标准，用氧原子代替氢原子，这个标准由化 学家永斯·雅各布·贝采里乌斯提出，让·塞尔维·斯塔斯改进。理由是氧气的性质比较活泼，能够与大量的物质化合，且氧气当时已经成为了化学界研究的中心， 对于氧气的认识已经比较成熟。 

但值得注意的是，氧原子作为标准并不是把氧原子的质量设为 1 而是以 1/16  氧原子的质量设为 1，这个值与氢原子的质量不同但又相差不大，因此以氧原子为标准测出来的相对原子质量与以氢原子为标准时测出的值不会有太大的偏差。 对于第 3 点，以氢原子为标准计算出的一些原子的相对原子质量有小数点，在计算中十分不便。这个问题在利用氧原子作为标准之后也得到了解决。这一点 可以从现在已经掌握的知识得到解释（注意当时是做不到的）：现在已知原子是由质子与中子以及核外电子构成，而质量集中在质子与中子 上，地球上大多数的氧原子含有 8 个质子与 8 个中子，所以以氧原子为标准时，

单位 1（1/16 O 的质量）的含义即为 1 个质子与 1 个中子的平均值。16对于大多数的轻原子（当时发现的原子种类少，且质量轻的原子占多数），质子与中子的个数大致相等，所以它们的质量总是 1/16  O 的质量的整数倍。而如果以氢原子的质量为标准，因为地球上大多数氢原子含有 1 个质子，0 个中子， 单位 1 则相当于是 1 个质子的质量，那些既含有质子又含有中子的原子与氢原 子的比值必然会有小数点产生。

化学家们看准了氧原子，但是这并没有结束，135 年后（1826-1961 年）被碳 原子所取代。

C 代替 O，这中间发生了什么？

接下来的一百多年，对原子结构的认识逐渐加深，电子、原子核相继发现。

1912 年，物理学家发现了一个现象：同一种原子可能含有不同数量的中子！氧原子有的有 8 个中子，有的有 9 个，有的又有 10 个。这意味着作为标准的氧原 子的质量并不统一！作为标准，质量不能统一又如何能够衡量其它原子质量呢？ 但是后来发现 O-16（含 8 个质子，8 个中子）相对于其它氧原子占了绝对多 数，约为氧原子总数的 99.76%，且含量比较稳定，所以在当时对数据要求并不高的化学研究中，把氧原子当作质量一致的原子，影响并不大。 但是物理学家在发现这一点之后就不再认同化学家那一套，于是重新确立了标准：设 O-16（含 8 个质子，8 个中子）的质量为 16.0000。而化学家则认为化学研究是以宏观物质为研究对象，无论是用 O 还是 O-16 作为标准结果都一样， 因此物理界与化学界各用一套标准。事实上这对科学的发展并不是一件有益的 事。

直到 1959 年,德国物理学家马陶赫（Josef Mattauch）在物理界正式提出以C-12(质子数为 6，中子数为 6)为标准，相对原子质量设为 12.0000。得到物理学 界认可后马陶赫又向化学界提出同样的标准。最终在 1961 年得到化学界正式认 可，两套标准从而合并。 能够得到两大科学界的认同，必定是有原因的：

1、技术上容易实现测量。当时测量相对原子质量已普遍采用新方法：质谱仪法。而 C-12 作为标准有利于使用该方法测量相对原子质量（限于篇幅不再具 体分析）。

2、自然界中的 C-12 的含量很稳定，并且量大，这一点有利于减小误差。

3、在物理界得到认可，用 O-16 与用 C-12 为标准都是具体到中子数，是严谨的。

4、化学家愿意接受，这与氧为标准得到的相对原子质量几乎一致，且更精 确，对化学发展是有利的。

1961 年至今相对原子质量的测量标准没有再改变，但是原子绝对质量的测量已经发展起来。

原子的绝对质量是怎么测量的？

原子质量的测量方法很多（包括质谱仪法、核衰变法、彭宁离子阱等等）， 这里介绍其中一类方法：通过测量原子（分子）的数目来推算。

如果能够知道 1kg 金属铁中铁原子的数目 n，用 1kg 除以 n 就可以得到一个 铁原子的质量。然后根据相对原子质量（铁的相对原子质量为 56）可以推算出 其他种类原子的绝对质量（如氢原子的相对原子质量为 1，则氢原子的绝对质量为铁原子绝对质量的1/56 

这类方法的关键在于如何计算原子（或分子）的数目。由于所能称量的物质属于宏观范围，看似小质量的物质含有的微粒数是非常庞大的。如我们现在知 道 1kg 金属铁含有的铁原子个数约为 1.08×10²² 个，一个个数的话，假设一 天 能数 1 亿个（实际是不可能的），需要 10 万亿天（约 270 亿年）。

虽然一个个数是不可能了，但是科学家们还是想出了非常多的巧妙方法，其 中一种很经典的方法就是“油膜法”。

首先称得一滴油的重量 m，测量其体积为 V，然后把这滴油滴在水面上，水 与油是不相溶的，油会在水面铺开，且形成单层油分子膜，油膜的厚度即为一个 油分子的直径（把油分子看作一个球体），测出油膜的面积 S，用体积 V 除以 S 即得到厚度（分子直径）d。 

分子直径 d 知道了，分子的体积可用球体体积公式求得：

  V= 4 /3π( d/2)³ ，

再用油滴的体积 V 除以油分子体积 V 分子即可得到分子的数目 n，最后用之前称出来的有滴质量 m 除以 n，就可以得到每个油滴分子的质量了。 

油膜法其实误差还是挺大的，现在最精确的方法为“x 射线晶体密度法（XRCD）”。

总之原子（分子）的个数是能够测量出来的。

一个常数的提出

为了让微观的微粒数目与宏观的物质质量之间建立一个联系，1909 年，法 国物理化学家吉·佩兰（Jean Perrin）提出，当某物质的质量数值上等于其相 对原子（分子）质量，且单位为克时，该物质所含的粒子数为一个常数。

如 2 克 H₂（相对分子质量为 2）的分子数目与 18 克水（相对分子质量为 18） 的分子数目以及 32 克O₂(相对分子质量为 32)的分子数目都是相等的。

这个数值后来用“x 射线晶体密度法（XRCD）”得到了一个已经非常精确的 值：6.02214082（11）×10²³（2015 年更新值），但是科学家们希望在 2018 年 对这个数据进行再一次的更新。

有了这个数值，任一质量的物质，都可以通过计算得出其分子（原子）数目， 而不需要一次次通过“x 射线晶体密度法（XRCD）”测量了。如 100 克水（相对分子质量为 18）中分子的数目为( 100g /18 )×6.02214082( 11）×10²³ 。

为了纪念一个伟大的科学家阿莫迪欧·阿伏伽德罗（Amedeo Avogadro，分子学 说的提出者），这个常数值被吉·佩兰命名为阿伏伽德罗常数。并在 1961 年重 新定义为：12gC-12 中含有的碳原子数（与相对原子质量使用的标准相统一）。