元素周期表更复杂了，如何理解不断扩大的元素世界？

　　我们常常在化学课本的附录中看到元素周期表，不久之后，这个令人熟悉的表格可能会大变样。

　　原子体重不好算

　　翻开元素周期表，一个个代表不同元素的方格至少有两种不同的底色，不同底色代表它们来自不同性质的元素大家庭;在元素格子中，元素符号旁边都有一上一下两个数字，上面的那个数叫“原子序数”，表示该元素原子的质子数，下面的数字是“原子量”，体现着原子的相对质量;很快，这些我们曾经熟悉的表格特点会发生不小的变化，因为我们对元素的原子量的了解比以往更深刻了。

　　原子量是原子的相对质量，原子的质量很小，比如一个氢原子的实际质量只有1.674×10^-27千克，如果用实际质量来衡量原子，周期表中的数字不仅会变得特别复杂，现实意义也不大，所以化学学科的权威机构“国际理论和应用化学组织”(IUPAC)规定，以一个碳-12原子的质量的1/12(约1.66×10^-27千克)作为一个单位，每种元素的原子量以这个单位的倍数表示。这样一来，氢原子的原子量就约为这个单位的1倍，所以它的原子量就是1;同理，碳原子的原子量就为12，氧原子的原子量就为16。

　　不过，你应该很快就会发现，除了少数元素的原子量是整数外，其他元素的原子量都是小数，比如氢元素的原子量是1.00794，氧元素的原子量是15.99938，这又是为什么?原来，许多元素家族中并不只有一种原子，氢元素家族中有3种原子，氕、氘、氚，它们互称为同位素。氢同位素的质子数都是1，但中子数各不相同，氕、氘、氚的中子数依次为0、1、2，原子的质量主要由质子质量和中子质量组成，因此氕、氘、氚的原子量分别为1、2、3。

　　为了统一氢元素家族的原子量，IUPAC又规定，元素的原子量用家族中所有同位素的平均质量来表示，其计算方法为元素原子量乘元素的数量(这个数量被称为“丰度”，指各种元素原子在自然界中的含量)。在自然界中，氕原子丰度为99.98%，氘原子丰度为0.016%，氚原子丰度为0.004%，代入它们各自的原子量，最终算出来氢元素的原子量就是1.00794。

　　用这种方法算出来的原子量使用了很多年，直到近年来，科学家又发现了一个新问题：在不同的环境中，元素家族的不同成员的丰度是不同的，那么，同一个原子量怎么能适用所有的环境呢?

　　原子量有大作用

　　这个新问题是什么意思呢?科学家在热带海洋中取样，测得海水中氢元素家族的各个原子的丰度，用这些氢原子的丰度算出了一个原子量，可是在其他地方，这些氢元素的丰度却发生了变化。比如说，地球上的水蒸气从赤道向两极运动，那些含有更多的氘和氚的水蒸气会稍重一些，更早地落到大海里，因此热带海洋中的氘和氚会比极地海洋的要多一些，这样一来，热带海洋的氢元素原子量就会比极地海洋的稍大。又比如，科学家发现，针钠钙石(一种硅酸盐矿物)中所含的氢元素比海水中的氢原子量小0.00006，而合成试剂中的氢元素最大可能比海水中的氢原子量大0.00012。总而言之，不同环境下，元素的原子量是不同的。

　　你也许要提出异议，这点微小的差异会造成什么了不起的影响吗?这也值得大惊小怪?别说，原子量的微小差异影响可不小，因为它在许多领域都有着大用途。

　　如上所述，来自不同环境的元素具有不同的原子量，因此通过测量其原子量，我们能知道这些元素的来源，从而了解其背后隐藏的秘密。氦有两种同位素——氦-4和氦-3，氦-4是由铀和钍等元素的放射性衰变产生的，在地球上丰度大，与之相比，氦-3极为罕见。氦-3是在宇宙温度高、密度大到足以引发核聚变时形成的，因此，我们今天看到的任何氦-3年龄都非常古老，它的年龄甚至可能比地球还大。

　　通过研究氦-3的来源，我们能知道地球形成的时间和速度。地幔和地核的氦-3丰度不同，因此这两处的氦的原子量是不同的，氦-3越多，原子量越小。如果地核中的氦原子量更小，意味着这里有大量的氦-3，这代表地球一定是在我们的太阳系中仍然有丰富的星云时形成的，而不是经过更长的时间，星云稀薄的时候才诞生。因为如果地球诞生在丰富的太阳星云中，其大气层就会吸引一层厚厚的氢和氦。在这种环境下，少量的氦-3会溶解在大气层下翻腾的岩浆海洋中并向下移动到地核中，直到今天被我们发现。反之，如果地幔的氦-3更多，则表示地球要比原先推测的年轻得多。

　　除此之外，原子量还能在生活中的许多地方帮助我们。碳同位素丰度的精确测量可用于确定蜂蜜和香草等食物的纯度和来源，作为辨别食物真假的标准之一;氮、氯和其他元素的同位素测量有助于追踪溪流和地下水中的污染物;在运动会中，科学家可以通过碳同位素来识别运动员是否服用兴奋剂，因为药用睾丸酮是从植物中提取出来的，它含有的碳同位素比例和人体分泌的睾丸酮不同，由此可以知道其是运动员自身分泌的还是额外摄入的。

　　从常数变身范围

　　既然原子量有这么多用途，不同的原子量代表着不同的意义，如果使用了错误的原子量就可能得出错误的结论，那么我们怎么还能使用一个固定的原子量呢?为了解决这个问题，IUPAC又想出了一个新方法：将原子量从常数转变成范围区间。

　　这个方法具体来说是这样的：在地球上发现的含氢的物质中，氢原子最小的相对质量是1.00784，最大的相对质量是1.00811，因此，氢的原子量就从原本的1.00794变为[1.00784;1.00811];除了氢之外，硼、锂、碳、氮、氧、硅、硫、氯、铊等元素也获得了新的原子量，而氦、镍、铜、锌、硒、锶、氩和铅正在“接受调查”，看原子量是否有必要进行相应更新。

　　为了对应原子量的这一变化，表格底色也发生了改变，现在元素们拥有了更多种底色：像氢这样原子量为一个确定的范围区间的元素，使用粉色底色;有一些元素有多种同位素，但是它们的原子量变化范围可能很小，不必要使用范围区间，也可能变化范围太多太大，科学家还没能完全测定其原子量，先暂时用一个常数表示，使用黄色底色;还有些元素，比如说氟、铝、钠、金等元素没有同位素，它们的原子量是固定的常数，使用蓝色底色;放射性元素因为随时都在衰变，它们没有“准确”的原子量，使用白色底色。这样，我们在使用元素原子量的时候就可以通过颜色来进行初步判断了。

　　不过，这个方法也可能带来新的疑惑，对于那些有多个原子量的元素，什么时候使用哪个原子量呢?简单粗暴的处理是，在进行粗略计算时，我们可以使用原本的常数原子量;如果需要更高的准确度，则应该根据环境选择特定的原子量，例如，海水中硼元素的原子量为10.818，陆地上含硼矿石中硼的原子量为10.811。

　　在科学史上，类似元素周期表大变身这样的事情还很多，虽然看起来这些变动给我们造成的麻烦比带来的益处大得多，但纵观历史，正是这些点滴改变推动着科学巨轮的前进。