物理科普：微觀粒子世界探索：物質(zhì)的量與摩爾
所謂前沿科技，往小了說(shuō)就是粒子，往大了說(shuō)就是天文；天文過(guò)于遙遠(yuǎn)，但粒子就在我們身邊。 微觀粒子直到今天，到底長(zhǎng)成什么樣，見(jiàn)識(shí)過(guò)它廬山真面目的吃瓜群眾都還是少數(shù)，但同學(xué)們都能對(duì)它的存在深信不疑，這還得多虧了兩個(gè)物理概念——物質(zhì)的量以及摩爾。
聽(tīng)到專(zhuān)業(yè)物理概念就懵的同學(xué)，別慌，我來(lái)講一個(gè)故事吧。

拓展現(xiàn)代原子論的道爾頓

量子論的大佬泡利曾說(shuō)過(guò)，現(xiàn)代物理學(xué)，若只用一句話(huà)概括，那一定首推“物質(zhì)是由原子構(gòu)成的”。這個(gè)觀點(diǎn)一點(diǎn)都不現(xiàn)代，最早可以追溯到古希臘時(shí)期的留基伯，他認(rèn)為世界上所有物質(zhì)都是由一種原子構(gòu)成的——這就是古典的原子論。 道爾頓繼承和發(fā)展了原子論學(xué)說(shuō)，說(shuō)起道爾頓，當(dāng)然不是魔性洗腦神曲中的“藍(lán)臉的竇爾敦盜御馬，紅臉的關(guān)公戰(zhàn)長(zhǎng)沙”。此竇非彼道啊，同學(xué)。道爾頓是英國(guó)的化學(xué)家、物理學(xué)家，妥妥的科學(xué)界大佬。
道爾頓首創(chuàng)把原子論和元素說(shuō)結(jié)合在一起，他認(rèn)為自然界中元素有很多種，自然組成物質(zhì)的原子也有很多種，這是現(xiàn)代原子論和古典原子論最大的區(qū)別。 科學(xué)講究的是眼見(jiàn)為實(shí)耳聽(tīng)為虛，沒(méi)證據(jù)，那就是瞎扯淡，無(wú)論是在2019年的今天還是道爾頓提出原子論的1803年都一樣。道爾頓決定以理服人，他面臨兩個(gè)艱難的選擇——要么測(cè)量出原子的大小，要么測(cè)量出原子的質(zhì)量。
道爾頓無(wú)法穿越到現(xiàn)代搞來(lái)電子顯微鏡，讓大家直接觀測(cè)到原子這條路被堵死；他決定從質(zhì)量入手試試運(yùn)氣，從結(jié)果看，道爾頓的運(yùn)氣不差。一個(gè)人類(lèi)從未踏足的世界，就此被他親手打開(kāi)。

微觀領(lǐng)域中，化學(xué)家一直領(lǐng)先

物理學(xué)一直號(hào)稱(chēng)自然科學(xué)領(lǐng)域中的皇冠，但是在探索微觀粒子世界的前一百年，領(lǐng)先的其實(shí)是化學(xué)。
道爾頓本人就是一個(gè)出色的化學(xué)家。他研究了氫氣和氧氣燃燒生成水這個(gè)普通的化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)定量分析，道爾頓發(fā)現(xiàn)了一個(gè)重要的規(guī)律——物質(zhì)反應(yīng)的質(zhì)量是按照一定的比例來(lái)進(jìn)行的。 道爾頓雖然沒(méi)有辦法單獨(dú)測(cè)量出一個(gè)原子的質(zhì)量，但是根據(jù)氫氣、氧氣燃燒生成水反應(yīng)的物質(zhì)質(zhì)量比例，加上大膽猜測(cè)的反應(yīng)模型，道爾頓上了第一個(gè)實(shí)錘——推斷出一個(gè)氧原子的質(zhì)量是一個(gè)氫原子質(zhì)量的8倍！
道爾頓這一通玩火操作，側(cè)面透露了一個(gè)的事實(shí)——原子的確有很多種，而且不同原子它的質(zhì)量是不同的！
道爾頓把一個(gè)氫原子的質(zhì)量定義為單位1，順理成章，氧原子就是8。這個(gè)數(shù)值，就是相對(duì)原子質(zhì)量，也就是今天我們統(tǒng)稱(chēng)的原子量。 道爾頓同學(xué)乘勝追擊，他通過(guò)其他化學(xué)反應(yīng)去推算其他原子的原子量，最終交出了第一份原子量表，這實(shí)在是一個(gè)了不起的成就。
但是道爾頓同學(xué)的運(yùn)氣不佳，他僅僅猜對(duì)了開(kāi)頭，結(jié)尾卻是一場(chǎng)悲劇。

貝采里烏斯的修正

道爾頓開(kāi)了個(gè)好頭，把通向微觀的道路鋪設(shè)完畢，大家可以試著走走了。
但是他自己千辛萬(wàn)苦的計(jì)算成果，卻是一個(gè)天大的錯(cuò)誤。因?yàn)樗婚_(kāi)始就把水的分子式猜錯(cuò)了，他認(rèn)為氫氧是一一對(duì)應(yīng)反應(yīng)的，簡(jiǎn)單的說(shuō)，水在他眼里是HO，而不是H2O！
發(fā)現(xiàn)這個(gè)錯(cuò)誤的并且給予修正的人，是瑞典伯爵貝采里烏斯，現(xiàn)代化學(xué)命名體系的建立者，同樣是一個(gè)偉大的化學(xué)家。 貝采里烏斯發(fā)現(xiàn)了正確的氧和氫反應(yīng)比例——16：1，也就是水是H2O。他又用了近20年時(shí)間，測(cè)量了近2千種化合反應(yīng)，給出了人類(lèi)歷史上第一個(gè)較為精確的相對(duì)原子質(zhì)量表。
貝采里烏斯對(duì)氧原子情有獨(dú)鐘，他規(guī)定氧原子為基準(zhǔn)，其質(zhì)量為100，按此計(jì)算，氫原子的相對(duì)質(zhì)量被修正為6.25。其他的各個(gè)元素，也在這個(gè)基礎(chǔ)上擁有了新的原子量。貝采里烏斯的原子量表，獲得大家的認(rèn)可，并且在歷史上使用了整整40年。 同學(xué)們請(qǐng)注意了，貝采里烏斯的體系中，氧原子的原子量是整個(gè)元素原子量的核心，好比物質(zhì)質(zhì)量中的國(guó)際千克原器，其他所有元素的原子量的精度，都必須依賴(lài)氧原子本身的精確度存在。
正如質(zhì)量和千克后來(lái)多變坎坷的命運(yùn)，物質(zhì)的量和相對(duì)原子量的定義，注定也會(huì)迎來(lái)一場(chǎng)意想不到的風(fēng)暴。

阿斯頓質(zhì)譜儀帶來(lái)的烏云

隨著化學(xué)的發(fā)展，涉及到的計(jì)算日益增多，1860年左右，科學(xué)家決定放棄貝采里烏斯的原子量表，無(wú)他，計(jì)算太過(guò)麻煩。
化學(xué)大佬斯塔斯提議，重新將氧原子相對(duì)質(zhì)量改回16，這樣氫就近似于1，相對(duì)計(jì)算能夠極大的簡(jiǎn)便，沒(méi)人喜歡繁瑣，大家很快接受了新的體系，開(kāi)始愉快的玩耍。但真正的對(duì)原子量造成沖擊的發(fā)明，馬上就要到來(lái)。
引發(fā)科學(xué)界振蕩的發(fā)明是——英國(guó)物理學(xué)家阿斯頓獲得1922年諾貝爾獎(jiǎng)的——質(zhì)譜儀。
質(zhì)譜儀是一個(gè)好工具，它可以使帶電粒子在電磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)，按物質(zhì)原子、分子或分子碎片的質(zhì)量差異進(jìn)行分離和檢測(cè)物質(zhì)組成。 簡(jiǎn)單的說(shuō)，雖然還是看不清粒子長(zhǎng)啥樣，但它可以幫助科學(xué)家檢測(cè)不同的粒子。
阿斯頓收獲了諾貝爾獎(jiǎng)，其他的科學(xué)家們卻頭大了。因?yàn)殡S之而來(lái)的，大家發(fā)現(xiàn)了同位素。自然界中穩(wěn)定的氧同位素中，氧-16的豐度是99.757%，氧-17和氧-18大約在0.238%左右。
同位素占比雖不高，但情況相當(dāng)復(fù)雜，氧原子同位素穩(wěn)定存在的就有仨，帶放射性的更達(dá)到14種之多。簡(jiǎn)單的說(shuō)，好比用作鎖定質(zhì)量的國(guó)際千克原器，一下子進(jìn)行了分裂，化身成17個(gè)，每個(gè)質(zhì)量都不一樣！這簡(jiǎn)直就是一場(chǎng)災(zāi)難啊。
維系整個(gè)原子相對(duì)質(zhì)量準(zhǔn)確度的基石不再穩(wěn)固，其余的原子量精度如何保證？
物理學(xué)家和化學(xué)家都很頭疼。

擺平物理學(xué)家與化學(xué)家的馬陶赫

質(zhì)譜儀面世，同位素出場(chǎng)，物理學(xué)家和化學(xué)家友誼的小船說(shuō)翻就翻了，長(zhǎng)達(dá)二十年的原子量定義之爭(zhēng)開(kāi)始了。
物理學(xué)家認(rèn)為應(yīng)該以氧-16為基準(zhǔn)，其他元素則按照豐度取加權(quán)平均數(shù)即可?；瘜W(xué)家認(rèn)為應(yīng)該直接取氧元素按照豐度取加權(quán)平均后的相對(duì)質(zhì)量數(shù)為氧原子的相對(duì)質(zhì)量，然后在按此分別計(jì)算其他元素的原子量。簡(jiǎn)單的說(shuō)，科學(xué)界出現(xiàn)了兩個(gè)原子量，分別是：物理原子量=1.000275化學(xué)原子量。誰(shuí)都不服誰(shuí)，這對(duì)科學(xué)界是一個(gè)災(zāi)難。
馬陶赫以一人之力，解決了這個(gè)問(wèn)題。 馬陶赫解決的方法相當(dāng)?shù)挠兄腔?，他提出用?2原子的1/12取代氧原子，作為原子量的基本單位。
這一招絕了！碳12絕對(duì)是一個(gè)理想的存在。
首先碳12無(wú)論自身性質(zhì)還是豐度，都很穩(wěn)定。簡(jiǎn)直就是為物理學(xué)家量身定做的材料。
同時(shí)，以碳12為基準(zhǔn)的原子量計(jì)算，氧元素的原子量最接近于之前的數(shù)值，另外其他元素的原子量，都特別接近于整數(shù)，簡(jiǎn)單的說(shuō)，化學(xué)家也無(wú)可無(wú)縫連接。
皆大歡喜，1960年，馬陶赫的方案獲得國(guó)際認(rèn)可，并且一直沿用至今。
今天我們對(duì)原子量基準(zhǔn)的定義——靜止未鍵結(jié)且處于基態(tài)的碳12原子質(zhì)量的1/12為1個(gè)相對(duì)原子量單位。單位稱(chēng)作1U或者1Da（道爾頓）。 這個(gè)定義的邏輯依然延續(xù)了馬陶赫的方法，只是比馬陶赫時(shí)代更加精確，本質(zhì)上并沒(méi)有變化。啥也不說(shuō)了，再次感謝馬陶赫吧。

連接宏觀與微觀的橋梁

道爾頓提出的相對(duì)原子質(zhì)量，宏觀和微觀之間，架起了一座橋梁。
根據(jù)定義，以碳12原子的1/12為單位1，我們只要測(cè)量出，1g碳12中包含了多少個(gè)碳12原子，順利成章，其他元素的原子個(gè)數(shù)，就呼之欲出了。
我們?cè)龠M(jìn)一步假設(shè)1g碳12包含m個(gè)碳原子，一個(gè)碳12原子的真實(shí)質(zhì)量應(yīng)該就是1/m，單位是g。按照相對(duì)原子質(zhì)量的定義，我們規(guī)定了碳12原子的1/12為1u，也就是1u等于1/m再除以12。
簡(jiǎn)單的說(shuō)，我們只要明確12g碳12所包含的原子個(gè)數(shù)，把這個(gè)數(shù)設(shè)為m，那按照定義1u就等于1/m了。這個(gè)m，就是大名鼎鼎的阿伏伽德羅常數(shù)，記為NA。 阿伏伽德羅常數(shù)就表示12g碳原子所包含的原子個(gè)數(shù)，我們只要知道了阿伏伽德羅常數(shù)是多少，我就能夠知道1個(gè)碳12原子的真實(shí)質(zhì)量了。知道碳12原子的真實(shí)質(zhì)量之后，那么根據(jù)相對(duì)原子質(zhì)量表，所有原子的真實(shí)質(zhì)量就唾手可得了，而“阿伏伽德羅常數(shù)個(gè)”就此成為物質(zhì)的量的單位。
有了道爾頓的原子量鋪路，結(jié)合阿伏伽德羅常數(shù)的數(shù)值，我們可以確信，宏觀和微觀的次元壁就此被打破。

姍姍來(lái)遲的基本單位——摩爾

原理和模型都沒(méi)問(wèn)題，科學(xué)家們開(kāi)心的玩耍了一段時(shí)間后，又開(kāi)始搖頭了，因?yàn)槊看斡?jì)算，的單位，用“阿伏伽德羅常數(shù)個(gè)”表示，過(guò)于抽象繁瑣，明顯不如其他的單位簡(jiǎn)潔，例如一“把”、一“堆”之類(lèi)，朗朗上口簡(jiǎn)單易記。
物理大佬讓佩蘭表示，不如叫“克分子”、“克原子”吧，于是大家愉快的接收了。
但很快，又有反對(duì)意見(jiàn)誕生，這次是化學(xué)界大佬奧斯特瓦爾德，他創(chuàng)建了一個(gè)詞，取分子molecule這個(gè)詞的前三位mol，用1mol來(lái)取代“1克分子”，當(dāng)然后來(lái)也不再區(qū)分原子和分子，都演變成了mole，這個(gè)詞就是我們今天的國(guó)際7個(gè)基本單位之一“摩爾”！ 2018年11月16日，國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過(guò)決議，1摩爾將定義為“精確包含6.02214076×1023個(gè)原子或分子等基本單元的系統(tǒng)的物質(zhì)的量”。與此同時(shí)修改了阿伏伽德羅常數(shù)為6.02214076×1023。

結(jié)語(yǔ)

1971年，物質(zhì)的量被加入國(guó)際單位制基本物理量當(dāng)中，同時(shí)摩爾也成為了物質(zhì)的量的基本單位。
科學(xué)家還進(jìn)一步規(guī)定，物質(zhì)的量，可以用來(lái)度量所有的粒子，包含分子、原子、電子等等。 阿伏伽德羅常數(shù)不僅能表示原子，還應(yīng)用在電、熱、光等一切領(lǐng)域，表示宏觀與微觀的換算。
前人的智慧結(jié)合現(xiàn)代顯微鏡技術(shù)的進(jìn)步，特別是電子顯微鏡的發(fā)明，人類(lèi)終于可以進(jìn)入到曾經(jīng)夢(mèng)想而不可得的微觀世界。
努力吧，少年，科學(xué)之路永無(wú)止境。