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如何正确使用原（分）子量与相对原（分）子质量

发布时间：2009/6/15 阅读次数：1953 字体大小: 【小】【中】【大】

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如何正确使用原（分）子量与相对原（分）子质量

沈志超等

长期以来，科技文稿中有关“原子量”和“分子量”的量和单位的使用一直较为混乱。在量的名称和符号方面，有“原子量”、“原子重量”、“原子质量”、“相对原子质量”；“分子量”、“分子重量”、“分子质量”、“相对分子质量”；“AW”、“A”、“Ar”；“MW”、“M”、“Mr”等多种不同的表示方式。在单位的名称和符号方面，也有“道尔顿”、“原子重量单位”、“原子质量单位”；“Dalton”、“D”、“kD”、“amu”、“awu”、“u”等多种不同的表示方式。国家标准GB310031021993《量和单位》(以下简称国标)指出：“本标准中的相对原子质量Ar和相对分子质量Mr，以前分别称为原子量和分子量”。国标的规定为我们正确使用“原子量”和“分子量”的名称和符号指明了明确而具体的方法。本文结合工作实际及当前学术上的一些争议，谈谈自己粗浅的认识。

　　1.如何认识道尔顿和原子质量单位

　　在计量史上，“道尔顿”与“原子质量单位”的产生和演变发展经历了约2个世纪的历程。很早以来，科学家们一直在研究选择某一种原子的质量作为度量其他各种原子质量的基准单位。直到1803年，英国化学家 J.Dalton建议将最轻的元素氢的原子质量定为基准单位“1”，其他各种原子质量都以该原子质量与它的比值来表示，此建议得到科学界的认同后即成为历史上的“氢单位”。但氢元素不够活泼，一些难以与氢发生化学反应的元素的原子质量难以准确测定。至1860年，化学家 JS.Stas提议以化学性质较活泼的氧元素原子质量的1/16作为基准单位，此即历史上的“氧单位”，后正式确定氧单位的名称为“道尔顿”，符号为“Dalton”或“D”。但当时在英国，氧单位又被称为“原子重量单位”，符号为“awu”。因此，1 Dalton = 1 awu = m (O)≈1.660 1×10－27 kg。

　　1929年发现了氧元素有16O、17O、18O等3种核素。物理学家 FW.Aston建议将16O原子质量的1/16作为其他元素原子质量的比较基准，此基准单位随后为物理学界所接受并长久沿用，这就是“物理学的原子质量单位”。在英国该单位又被称为“原子质量单位”，符号为“amu”。故 1 amu =　 m(16O) ≈ 1.659 6×10－27 kg。但化学界仍坚持使用原有的氧单位，即道尔顿，于是道尔顿就成了“化学的原子质量单位”。从此，科技界出现了“化学的原子质量单位”和“物理学的原子质量单位”两种基准标度并用的局面。由于前者以16O、17O、18O等3种核素的混合物为基础，后者以16O为基础，因此两者间出现了量值差异，需由转换因子1.000 275换算才能取得一致。显然，两种基准标度并存有碍于科学的正常发展。直至1961年，经国际理论与应用物理学会和国际理论与应用化学会的反复商讨，一致决定选择核素12C原子质量的1/12作为统一基准单位，废弃原有的“化学的”和“物理的”原子质量单位。至此，科学界便出现了“统一的原子质量单位”(unified atomic mass unit)，此即为现在使用的“原子质量单位”，它被列为SI并用单位，也是我国的法定计量单位。国标将原子质量单位定义为“一个处于基态的12C中性原子的静质量的1/12”，符号为“u”，1 u = (1660 540 2±0.000 001 0)×10－27 kg(注：±号后为该值的标准的确定值)。随着“统一的”“原子质量单位”(u)的确立和使用，过去长期使用的各种基准单位及其名称、符号，如“氢单位”、“氧单位”、“道尔顿”、“化学的原子质量单位”、“物理的原子质量单位”、“原子重量单位”、“Dalton”、“D”、“awu”、“amu”等即相应作废，均应停止使用。 u与 Dalton的换算关系为 1 Dalton≈0.999 734 u， 1 u ≈ 1.000 266 Dalton。

　　2.如何识别原子量、原子质量和相对原子质量

　　在明确了原子质量单位的确切含意后，我们便可以讨论如何对各种原子的质量进行度量和描述了。但对核素的原子质量和元素的原子质量的量名称的描述是不同的，前者使用“原子质量”，后者使用“相对原子质量”。

　　国标中，[核素 X的]原子质量 (mass of atom of a nuclide X)或核素质量(nuclidic mass)的定义为“中性原子处于基态的静止质量”。该定义严格限定了核素 X在3个条件下的原子质量：(1)该原子为中性，主要强调没有因电子得失而引起的质量增损；(2)强调原子内部能量处于最低状态，因而为基态；(3)原子没有额外动能，因为原子如具有额外内能和动能，等于增大了它的质量。由此可知，“核素X的原子质量”实际为某核素的原子的“绝对质量”，其量符号为 ma， m(X)， m(Z,A)；其SI单位为千克(kg)和上面已讨论过的SI并用单位“原子质量单位”，符号为“u”，而不是“Dalton”，“D”或“kD”等。

　　然而,大多数元素由两种或两种以上核素组成，自然态的元素则是其几种核素的混合物。因此，元素的原子质量必然是根据该元素所含各种核素的丰度和各核素的原子质量计算得到。但随着元素样品来源及其天然存在条件的不同，元素所含各核素的丰度随之波动。因此，元素的“原子质量”只能以一个统计的平均值来表示。为与核素的“原子质量”有所区别，描述元素的“原子质量”时引进了“相对原子质量”(relative atomic mass)这一名称。国标将“相对原子质量”定义为“元素的平均原子质量与核素12C原子质量的1/12之比”，该量是量纲为“一”的量，量符号为Ar，其相应的SI单位是“1”，而不是“u”，也不是“u”产生后即已被废弃的“Dalton”，“D”或“kD”。

　　试比较一下[核素X的]原子质量(或核素质量)和相对原子质量的定义，不难发现两者存在有五个区别：(1)定义的主体不一样，前者的主体是“核素”(a nuclide X)的原子，后者是“元素”(element)的原子；(2)定义的内涵不一样，前者是单个核素原子在3个限定条件下的“绝对”原子质量，后者是某元素中几种核素原子统计的平均质量与核素 12 C原子质量的1/12(实际即是u)的比值；(3)定义的数学表达形式不一样，前者是直接计量值，后者是两个量值相比的比值；(4)两者的数值不一样；(5)两者使用的单位不一样，前者使用“u”，后者使用“1”。

　　由以上分析可知，[核素X的]原子质量(或核素质量)是绝对意义上的质量概念，它用于度量和描述某种“核素”的原子质量，因而它仅使用于原子核物理等特殊专业领域中原子、中子、质子等各种粒子结构和功能的研究中。而对于自然科学的多数其他学科和专业来说，大量接触和使用的只是“元素”的相对原子质量。因而，我们过去一直使用着的“原子量”就是目前国标中规定的元素的“相对原子质量”。国标明确指出的“相对原子质量以前称为原子量”，也就是这个意思。

　　过去长期使用的“原子量”，虽然简短方便，但有欠准确和科学。“原子量”一词英文为“atomic weight”，原意是“原子重量”。由于ISO国际标准和国标都已将“重量”(weight)规定为力的性质的量，因此“原子量”一词没有准确表达出质量(mass)的概念，而且又没有相对的含意。所以，再用“原子量”来描述和表达元素的相对原子质量显然是不合适的，我们应停止使用这个名词，代之使用国标规定的“相对原子质量”。

　　3.如何区分分子量、分子质量和相对分子质量

　　与原子的质量计量一样，分子的质量计量也先后存在3个量名称：相对分子质量、分子质量和分子量。众所周知，分子的质量为组成分子的各原子的质量之和。在日常专业工作中，不论是单质还是化合物，它们的分子质量都是根据各元素原子的个数和各元素的“相对原子质量”(由元素周期表上查到)计算得到。既然元素的相对原子质量是一个单位为“1”的相对质量，那么由此计算得到的分子质量必然也是一个单位为“1”的相对质量。对于某些结构复杂的生物大分子，往往都是通过电泳、离心或色谱分析等方法测得其近似分子质量，因而更是一个相对概念的量值。所以，我们过去长期习惯使用着的“分子量”实际上都是相对的分子质量。因此，国标指出“以前称为分子量”的即是“相对分子质量”(relative molecular mass)，并将后者定义为“物质的分子或特定单元的平均质量与核素12C原子质量的1/12之比”。相对分子质量是两个质量之比，也在计算表达形式上进一步明确了“相对”的含义。对于定义中的“特定单元”，主要是指空气等组成成分基本不变的特殊混合物，它们的相对质量可根据其组成成分(N2，O2，CO2，Ar等)的相对分子质量和其在空气中的体积分数计算其平均质量，然后与 12C原子质量的1/12相比即可获得。相对分子质量的量符号为Mr，单位为“1”。

　　对于过去长期使用的“分子量”，其英文为molecular weight，确切原意为“分子重量”。它既不是质量概念，又没有相对的含意，因而也是一个不够准确和不够科学的量名称。根据国标规定，“分子量”应停止使用，凡过去使用“分子量”的场合都应换以使用“相对分子质量”。另外，过去一直以“Dalton”、“D”和“kD”作为分子量的单位，后来也曾有人提出以“u”作为分子量的单位，这些都是不恰当的用法。相对分子质量的单位只能是“1”，而不是“Dalton”，“D”，“kD”或“u”。

　　至于分子质量，国标中仅给出了一个量符号m，其单位为“kg”和“u”。从理论上说，分子质量应是一个与“原子质量”对应的绝对意义的质量。但在现实中，这样的“分子质量”几乎是不可能得到的，而且在实际工作中也不可能接触和使用它。因此，我们可以不必花费精力去研究它。

　　4.如何执行国标有关规定

　　如何执行国标有关原(分)子量和相对原(分)子质量的有关规定呢?我们还是从国标中寻找答案。国标GB3102·81993的引言中明确指出：“本标准中的相对原子质量Ar和相对分子质量Mr，以前分别称为原子量和分子量。在使用中应有计划地逐步采用本标准的名称。”这段文字明确而具体地回答了这个问题。该答案可理解为三层意思：(1)以前使用的原子量和分子量都应改称(而且只宜改称)为相对原子质量Ar和相对分子质量Mr；(2)由于标准的唯一性，明确地排除了原子量和分子量可改称为原子质量和分子质量的可能性；(3)执行步骤上分两步，对新出版的科技书刊、教材及其他文稿应认真执行国标规定；对于过去的出版物，由于全面修订还需要一段时间，则可有计划地通过修订再版逐步过渡执行上述规定。

　　目前，对于此标准规定的执行争议较多，归纳起来，主要有两点异议：(1)过去几十年都一直习惯使用原(分)子量，现在改为相对原(分)子质量，由3个字变为6个字，既麻烦又不方便，太不习惯了；(2)国外目前仍有不少书刊，甚至包括某些知名刊物仍在使用分子量和原子量，而且其单位仍用“D”，“kD”等，我们不是要与国际接轨吗?接轨就应与这些书刊保持一致。

　　究竟如何看待这些异议?笔者认为首先应突出科学性。量和单位是随科学技术的发展而不断发展、完善的。目前的国际标准和国家标准反映了当代科技发展的最高水平和最新成果，相对原(分)子质量的确立经历了近200年的不断研究、不断修正的演变过程，我们应接受目前这一最新研究成果。对过去那些不能完全正确表达科学本质和内涵的量与单位的名称符号应果断地废除，不能以习惯方便为理由留恋陈旧的、不确切的名称和符号。其次，对强制性国家标准，我们应深入领会理解和认真执行。从国际上说，国际标准ISO318：1992也早就明确规定了采用相对原(分)子质量，对此，我们应深信不疑。虽然国际上某些学术组织内部对此仍有争议，但我们考虑问题应以ISO和我国国标为准绳。再次，我们应看到世界上其他国家执行ISO也有个过程，国际上某些刊物也存在着执行ISO不力和较迟缓的现象。为此，世界各国政府都在努力贯彻ISO和SI，美国政府早在1991年就已发出通知，要求全国科学技术领域按ISO国际标准规定使用相对原子质量和相对分子质量。我们不能因国际上存在的某些不平衡现象影响我们对国标的贯彻执行。最后，我们应看到国际标准和国家标准正逐步得到全面贯彻的现实。在美国，像麻省理工学院和印第安纳大学等著名高校的教材都已完全采用了相对原(分)子质量。在我国，最近几年出版的元素周期表上的原子量都已改成了相对原子质量。一些工具书，如英汉科学技术词典、英汉汉英化学化工词汇、新世纪汉英科技大词典等也都已将“相对原子质量(relative atomic mass)”和“相对分子质量(relative molecular mass)”列为正式词条。国内近年新出版的高校教材大多数也都已采用了相对原子质量和相对分子质量这两个名称。这一可喜局面说明国标的规定已深为科技界和教育界理解，并逐步得到全面的贯彻，尤其在一些权威工具书和教材中的执行，更为我们起到了示范和指导作用。

　　总之，我们应认真贯彻执行国标规定，将科技文稿中长期习惯使用的“原子量”和“分子量”分别改为“相对原子质量”和“相对分子质量”，它们都是量纲为“一”的量，单位都是“1”，而不是“Dalton”、“D”、“kD”或“u”。

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