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，往小了說就是粒子，往大了說就是天文；天文過于遙遠，但粒子就在我們身邊。 微觀粒子直到今天，到底長成什么樣，見識過它廬山真面目的吃瓜群眾都還是少數(shù)，但同學們都能對它的存在深信不疑，這還得多虧了兩個物理概念——物質(zhì)的量以及摩爾。
聽到專業(yè)物理概念就懵的同學，別慌，我來講一個故事吧。

拓展現(xiàn)代原子論的道爾頓

量子論的大佬泡利曾說過，現(xiàn)代物理學，若只用一句話概括，那一定首推“物質(zhì)是由原子構(gòu)成的”。這個觀點一點都不現(xiàn)代，最早可以追溯到古希臘時期的留基伯，他認為世界上所有物質(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)展了原子論學說，說起道爾頓，當然不是魔性洗腦神曲中的“藍臉的竇爾敦盜御馬，紅臉的關(guān)公戰(zhàn)長沙”。此竇非彼道啊，同學。道爾頓是英國的化學家、物理學家，妥妥的科學界大佬。
道爾頓首創(chuàng)把原子論和元素說結(jié)合在一起，他認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。 科學講究的是眼見為實耳聽為虛，沒證據(jù)，那就是瞎扯淡，無論是在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，他面臨兩個艱難的選擇——要么測量出原子的大小，要么測量出原子的質(zhì)量。
道爾頓無法穿越到現(xiàn)代搞來電子顯微鏡，讓大家直接觀測到原子這條路被堵死；他決定從質(zhì)量入手試試運氣，從結(jié)果看，道爾頓的運氣不差。一個人類從未踏足的世界，就此被他親手打開。

微觀領(lǐng)域中，化學家一直領(lǐng)先

物理學一直號稱自然科學領(lǐng)域中的皇冠，但是在探索微觀粒子世界的前一百年，領(lǐng)先的其實是化學。
道爾頓本人就是一個出色的化學家。他研究了氫氣和氧氣燃燒生成水這個普通的化學反應，通過定量分析，道爾頓發(fā)現(xiàn)了一個重要的規(guī)律——物質(zhì)反應的質(zhì)量是按照一定的比例來進行的。 道爾頓雖然沒有辦法單獨測量出一個原子的質(zhì)量，但是根據(jù)氫氣、氧氣燃燒生成水反應的物質(zhì)質(zhì)量比例，加上大膽猜測的反應模型，道爾頓上了第一個實錘——推斷出一個氧原子的質(zhì)量是一個氫原子質(zhì)量的8倍！
道爾頓這一通玩火操作，側(cè)面透露了一個的事實——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。這個數(shù)值，就是相對原子質(zhì)量，也就是今天我們統(tǒng)稱的原子量。 道爾頓同學乘勝追擊，他通過其他化學反應去推算其他原子的原子量，最終交出了第一份原子量表，這實在是一個了不起的成就。
但是道爾頓同學的運氣不佳，他僅僅猜對了開頭，結(jié)尾卻是一場悲劇。

貝采里烏斯的修正

道爾頓開了個好頭，把通向微觀的道路鋪設(shè)完畢，大家可以試著走走了。
但是他自己千辛萬苦的計算成果，卻是一個天大的錯誤。因為他一開始就把水的分子式猜錯了，他認為氫氧是一一對應反應的，簡單的說，水在他眼里是HO，而不是H2O！
發(fā)現(xiàn)這個錯誤的并且給予修正的人，是瑞典伯爵貝采里烏斯，現(xiàn)代化學命名體系的建立者，同樣是一個偉大的化學家。 貝采里烏斯發(fā)現(xiàn)了正確的氧和氫反應比例——16：1，也就是水是H2O。他又用了近20年時間，測量了近2千種化合反應，給出了人類歷史上第一個較為精確的相對原子質(zhì)量表。
貝采里烏斯對氧原子情有獨鐘，他規(guī)定氧原子為基準，其質(zhì)量為100，按此計算，氫原子的相對質(zhì)量被修正為6.25。其他的各個元素，也在這個基礎(chǔ)上擁有了新的原子量。貝采里烏斯的原子量表，獲得大家的認可，并且在歷史上使用了整整40年。 同學們請注意了，貝采里烏斯的體系中，氧原子的原子量是整個元素原子量的核心，好比物質(zhì)質(zhì)量中的國際千克原器，其他所有元素的原子量的精度，都必須依賴氧原子本身的精確度存在。
正如質(zhì)量和千克后來多變坎坷的命運，物質(zhì)的量和相對原子量的定義，注定也會迎來一場意想不到的風暴。

阿斯頓質(zhì)譜儀帶來的烏云

隨著化學的發(fā)展，涉及到的計算日益增多，1860年左右，科學家決定放棄貝采里烏斯的原子量表，無他，計算太過麻煩。
化學大佬斯塔斯提議，重新將氧原子相對質(zhì)量改回16，這樣氫就近似于1，相對計算能夠極大的簡便，沒人喜歡繁瑣，大家很快接受了新的體系，開始愉快的玩耍。但真正的對原子量造成沖擊的發(fā)明，馬上就要到來。
引發(fā)科學界振蕩的發(fā)明是——英國物理學家阿斯頓獲得1922年諾貝爾獎的——質(zhì)譜儀。
質(zhì)譜儀是一個好工具，它可以使帶電粒子在電磁場中偏轉(zhuǎn)，按物質(zhì)原子、分子或分子碎片的質(zhì)量差異進行分離和檢測物質(zhì)組成。 簡單的說，雖然還是看不清粒子長啥樣，但它可以幫助科學家檢測不同的粒子。
阿斯頓收獲了諾貝爾獎，其他的科學家們卻頭大了。因為隨之而來的，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，但情況相當復雜，氧原子同位素穩(wěn)定存在的就有仨，帶放射性的更達到14種之多。簡單的說，好比用作鎖定質(zhì)量的國際千克原器，一下子進行了分裂，化身成17個，每個質(zhì)量都不一樣！這簡直就是一場災難啊。
維系整個原子相對質(zhì)量準確度的基石不再穩(wěn)固，其余的原子量精度如何保證？
物理學家和化學家都很頭疼。

擺平物理學家與化學家的馬陶赫

質(zhì)譜儀面世，同位素出場，物理學家和化學家友誼的小船說翻就翻了，長達二十年的原子量定義之爭開始了。
物理學家認為應該以氧-16為基準，其他元素則按照豐度取加權(quán)平均數(shù)即可?；瘜W家認為應該直接取氧元素按照豐度取加權(quán)平均后的相對質(zhì)量數(shù)為氧原子的相對質(zhì)量，然后在按此分別計算其他元素的原子量。簡單的說，科學界出現(xiàn)了兩個原子量，分別是：物理原子量=1.000275化學原子量。誰都不服誰，這對科學界是一個災難。
馬陶赫以一人之力，解決了這個問題。 馬陶赫解決的方法相當?shù)挠兄腔郏岢鲇锰?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絕對是一個理想的存在。
首先碳12無論自身性質(zhì)還是豐度，都很穩(wěn)定。簡直就是為物理學家量身定做的材料。
同時，以碳12為基準的原子量計算，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)，簡單的說，化學家也無可無縫連接。
皆大歡喜，1960年，馬陶赫的方案獲得國際認可，并且一直沿用至今。
今天我們對原子量基準的定義——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個相對原子量單位。單位稱作1U或者1Da（道爾頓）。 這個定義的邏輯依然延續(xù)了馬陶赫的方法，只是比馬陶赫時代更加精確，本質(zhì)上并沒有變化。啥也不說了，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，我們只要測量出，1g碳12中包含了多少個碳12原子，順利成章，其他元素的原子個數(shù)，就呼之欲出了。
我們再進一步假設(shè)1g碳12包含m個碳原子，一個碳12原子的真實質(zhì)量應該就是1/m，單位是g。按照相對原子質(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。
簡單的說，我們只要明確12g碳12所包含的原子個數(shù)，把這個數(shù)設(shè)為m，那按照定義1u就等于1/m了。這個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個碳12原子的真實質(zhì)量了。知道碳12原子的真實質(zhì)量之后，那么根據(jù)相對原子質(zhì)量表，所有原子的真實質(zhì)量就唾手可得了，而“阿伏伽德羅常數(shù)個”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。

姍姍來遲的基本單位——摩爾

原理和模型都沒問題，科學家們開心的玩耍了一段時間后，又開始搖頭了，因為每次計算，的單位，用“阿伏伽德羅常數(shù)個”表示，過于抽象繁瑣，明顯不如其他的單位簡潔，例如一“把”、一“堆”之類，朗朗上口簡單易記。
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，又有反對意見誕生，這次是化學界大佬奧斯特瓦爾德，他創(chuàng)建了一個詞，取分子molecule這個詞的前三位mol，用1mol來取代“1克分子”，當然后來也不再區(qū)分原子和分子，都演變成了mole，這個詞就是我們今天的國際7個基本單位之一“摩爾”！ 2018年11月16日，國際計量大會通過決議，1摩爾將定義為“精確包含6.02214076×1023個原子或分子等基本單元的系統(tǒng)的物質(zhì)的量”。與此同時修改了阿伏伽德羅常數(shù)為6.02214076×1023。

結(jié)語

1971年，物質(zhì)的量被加入國際單位制基本物理量當中，同時摩爾也成為了物質(zhì)的量的基本單位。
科學家還進一步規(guī)定，物質(zhì)的量，可以用來度量所有的粒子，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)的進步，特別是電子顯微鏡的發(fā)明，人類終于可以進入到曾經(jīng)夢想而不可得的微觀世界。
努力吧，少年，科學之路永無止境。