因為阿伏伽德羅常數的本質就是一個人為規定的數,它自然也應該直接定義成一個數,而不是和測量值掛鉤的量。而且按照阿伏伽德羅常數的原理,它其實可以是任何一個數,我們今天之所以把它的數值當成6.02*10^23,只是因為阿伏伽德羅常數最初的數值是和公制中的“克”繫結的,如果使用英制質量“磅”,阿伏伽德羅“常數”就會變成2.73*10^26。按最初的設計,阿伏伽德羅常數本應是個無量綱數,但它的數值卻會受所選單位的影響,所以它顯然不是像精細結構常數那樣真正的無量綱自然常數。這也是後來國際單位制把“mol”設為基本單位,把“阿伏伽德羅常數”改為“阿伏伽德羅常量”,並規定其帶單位“/mol”的主要原因。
而且和光速對應相對論、普朗克常數對應能量量子化這樣的基本自然規律不同,阿伏伽德羅常數其實並不對應哪個自然規律。真要說有對應的,那也不是它,而是元素週期表上的“相對原子質量”。最初,科學家在研究化學反應時發現了“配比定律”,比如氫氣和氧氣要完全反應,它們的質量正好滿足1:8的比例關係。科學家自然想到,我們規定某一種元素的原子質量為一個單位,再利用化學反應測定其他元素與該元素完全反應的配比,得到的不正是一套“相對原子質量”關係嗎?由於早期最容易測定元素化合反應的試劑是氧氣,人們就以氧原子為基準,制定了最早的相對原子質量表。那個時候(19世紀前期)的化學計算就和我們初中時的風格差不多——先列方程式:2H2+O2=2H2O,查原子量表,O是100(這是最早的規定),H是6.25,如果有1gH2,列方程2*6.25*2/1=2*100/x,解出x值即為所需氧氣的質量。
到了19世紀後期,有一個法國科學家讓·佩蘭提出:每次這麼列方程式算結果太繁瑣了,我們為什麼不直接把基準原子和宏觀的質量單位掛鉤呢?他的想法是:我們規定1g的氧所包含的氧原子數量是個準數,根據當時原子量表的測定,氫的相對原子質量是氧的1/16,那麼,這個準數個氧原子是1g,這個準數個氫原子就一定是1/16g,這樣就可以把原子量和宏觀物質質量完美掛鉤了。於是,讓·佩蘭把這個數稱為“阿伏伽德羅常數”,為了紀念發現阿伏伽德羅定律,奠定相對原子質量測定的科學依據的阿伏伽德羅(所以這個數並不是阿伏伽德羅本人定義的)。但是,成天說“阿伏伽德羅常數個”太拗口,讓·佩蘭最初把它叫做“克分子”,後來科學界把“molecule”一詞的前半部分抽出來,重新起了一個名字“mole”,這個詞就等於“阿伏伽德羅常數個”。
所以,阿伏伽德羅常數本身只是針對選取的某一個人為基準設立的規定,你把基準元素換成氧、氫、碳,把基準質量換成1克、1磅、1斤,得到的數值都會不一樣。甚至就連最初透過化學反應發現的配比定律,在20世紀人們發現氧元素存在同位素後也已經不夠準確。於是,後來科學界把基準換成了12C,把原子質量基準定成12C的十二分之一,這個形式的阿伏伽德羅常數已經僅僅是個規定了。說“阿伏伽德羅‘常數’是12g碳12所含原子數”,就跟說2是“1+1常數”一樣,硬要這麼說,它確實是個“constant”,但這比較像句廢話。
只是說,阿伏伽德羅常數這個數實在太大,人類現有的能力無法把它直接表示到個位數。人類實際在做的是:用一個宏觀的測量基準來儘可能準確地測量各種微觀物理量(原子、分子、電荷),再嘗試將得到的“宏觀/微觀”比例換算到用原子質量定義的阿伏伽德羅常數上。從愛因斯坦定量描述布朗運動,提供阿伏伽德羅常數的精確測量方法開始,測阿伏伽德羅常數和測原子量兩項工作其實就已經分道揚鑣了。所以即便阿伏伽德羅常數曾經是用12C定義的,但真正測量時使用的根本就不是碳,而是矽,測的也不是質量,而是體積。這一次修改使用的阿伏伽德羅常數數值,就是用X射線晶體密度法加高純度的單晶矽球得到的。
所以修改阿伏伽德羅常數定義的基本出發點就是,如果我們能在國際單位制的體系下測量出一個足夠可靠的“宏觀/微觀”量度比例值,我們就直接把它規定成一個“宏觀/微觀轉換數”,而不再依賴某個特定的物理量,比如質量。不過,週期表上的原子量,以及基本原子質量單位依然是由12C定義的,只是阿伏伽德羅常數不僅能表示原子,還應該能用在電、熱、光等一切領域,表示宏觀與微觀的換算。理論上,這個“宏觀/微觀轉換數”可以是任何數,但我們要保證我們使用的數不會改變人們過去科學研究的結果,所以我們不能隨便定一個數,而是得基於過去的條件,並且基於嚴格定義的質量單位“千克”的體系,給出一個把對現有的科學資料影響最小的建議值。
參考閱讀:
「億」是如何從「十萬」變成「萬萬」的?
2018 年的國際計量大會為什麼要修改 摩爾、千克、安培、開爾文等國際單位制的單位?
因為阿伏伽德羅常數的本質就是一個人為規定的數,它自然也應該直接定義成一個數,而不是和測量值掛鉤的量。而且按照阿伏伽德羅常數的原理,它其實可以是任何一個數,我們今天之所以把它的數值當成6.02*10^23,只是因為阿伏伽德羅常數最初的數值是和公制中的“克”繫結的,如果使用英制質量“磅”,阿伏伽德羅“常數”就會變成2.73*10^26。按最初的設計,阿伏伽德羅常數本應是個無量綱數,但它的數值卻會受所選單位的影響,所以它顯然不是像精細結構常數那樣真正的無量綱自然常數。這也是後來國際單位制把“mol”設為基本單位,把“阿伏伽德羅常數”改為“阿伏伽德羅常量”,並規定其帶單位“/mol”的主要原因。
而且和光速對應相對論、普朗克常數對應能量量子化這樣的基本自然規律不同,阿伏伽德羅常數其實並不對應哪個自然規律。真要說有對應的,那也不是它,而是元素週期表上的“相對原子質量”。最初,科學家在研究化學反應時發現了“配比定律”,比如氫氣和氧氣要完全反應,它們的質量正好滿足1:8的比例關係。科學家自然想到,我們規定某一種元素的原子質量為一個單位,再利用化學反應測定其他元素與該元素完全反應的配比,得到的不正是一套“相對原子質量”關係嗎?由於早期最容易測定元素化合反應的試劑是氧氣,人們就以氧原子為基準,制定了最早的相對原子質量表。那個時候(19世紀前期)的化學計算就和我們初中時的風格差不多——先列方程式:2H2+O2=2H2O,查原子量表,O是100(這是最早的規定),H是6.25,如果有1gH2,列方程2*6.25*2/1=2*100/x,解出x值即為所需氧氣的質量。
到了19世紀後期,有一個法國科學家讓·佩蘭提出:每次這麼列方程式算結果太繁瑣了,我們為什麼不直接把基準原子和宏觀的質量單位掛鉤呢?他的想法是:我們規定1g的氧所包含的氧原子數量是個準數,根據當時原子量表的測定,氫的相對原子質量是氧的1/16,那麼,這個準數個氧原子是1g,這個準數個氫原子就一定是1/16g,這樣就可以把原子量和宏觀物質質量完美掛鉤了。於是,讓·佩蘭把這個數稱為“阿伏伽德羅常數”,為了紀念發現阿伏伽德羅定律,奠定相對原子質量測定的科學依據的阿伏伽德羅(所以這個數並不是阿伏伽德羅本人定義的)。但是,成天說“阿伏伽德羅常數個”太拗口,讓·佩蘭最初把它叫做“克分子”,後來科學界把“molecule”一詞的前半部分抽出來,重新起了一個名字“mole”,這個詞就等於“阿伏伽德羅常數個”。
所以,阿伏伽德羅常數本身只是針對選取的某一個人為基準設立的規定,你把基準元素換成氧、氫、碳,把基準質量換成1克、1磅、1斤,得到的數值都會不一樣。甚至就連最初透過化學反應發現的配比定律,在20世紀人們發現氧元素存在同位素後也已經不夠準確。於是,後來科學界把基準換成了12C,把原子質量基準定成12C的十二分之一,這個形式的阿伏伽德羅常數已經僅僅是個規定了。說“阿伏伽德羅‘常數’是12g碳12所含原子數”,就跟說2是“1+1常數”一樣,硬要這麼說,它確實是個“constant”,但這比較像句廢話。
只是說,阿伏伽德羅常數這個數實在太大,人類現有的能力無法把它直接表示到個位數。人類實際在做的是:用一個宏觀的測量基準來儘可能準確地測量各種微觀物理量(原子、分子、電荷),再嘗試將得到的“宏觀/微觀”比例換算到用原子質量定義的阿伏伽德羅常數上。從愛因斯坦定量描述布朗運動,提供阿伏伽德羅常數的精確測量方法開始,測阿伏伽德羅常數和測原子量兩項工作其實就已經分道揚鑣了。所以即便阿伏伽德羅常數曾經是用12C定義的,但真正測量時使用的根本就不是碳,而是矽,測的也不是質量,而是體積。這一次修改使用的阿伏伽德羅常數數值,就是用X射線晶體密度法加高純度的單晶矽球得到的。
所以修改阿伏伽德羅常數定義的基本出發點就是,如果我們能在國際單位制的體系下測量出一個足夠可靠的“宏觀/微觀”量度比例值,我們就直接把它規定成一個“宏觀/微觀轉換數”,而不再依賴某個特定的物理量,比如質量。不過,週期表上的原子量,以及基本原子質量單位依然是由12C定義的,只是阿伏伽德羅常數不僅能表示原子,還應該能用在電、熱、光等一切領域,表示宏觀與微觀的換算。理論上,這個“宏觀/微觀轉換數”可以是任何數,但我們要保證我們使用的數不會改變人們過去科學研究的結果,所以我們不能隨便定一個數,而是得基於過去的條件,並且基於嚴格定義的質量單位“千克”的體系,給出一個把對現有的科學資料影響最小的建議值。
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