“小數(shù)據(jù)”引出的大成果（下）

陳仁政

僅多出了0.9%—索迪、湯姆森和阿斯頓與同位素

既然相對(duì)原子量是以一個(gè)碳-12原子質(zhì)量的1/12為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的，而原子量是質(zhì)子數(shù)（整數(shù)）與中子數(shù)之和，那么任何一種元素的原子量都應(yīng)該是整數(shù)，不存在因“測(cè)量誤差”引出小數(shù)的問(wèn)題。然而，氖的原子量（20.1797），以及其他全部元素的原子量都不是整數(shù)，這是怎么回事呢？

現(xiàn)在我們都知道，原子量都不是整數(shù)，是元素有同位素的緣故。那么，同位素是誰(shuí)發(fā)現(xiàn)的？怎么發(fā)現(xiàn)的？

鑒于元素的原子量都不是整數(shù)，以及一些化學(xué)家做實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)占據(jù)元素周期表中同一格的“不同元素”的化學(xué)性質(zhì)幾乎完全相似、當(dāng)時(shí)用任何方法都不能將它們分離的事實(shí)，英國(guó)化學(xué)家弗雷德里克·索迪在1910年提出了同位素假說(shuō)：具有相同質(zhì)子數(shù)的同一種元素，可以有不同的中子數(shù)，它們應(yīng)占據(jù)元素周期表中同一格，互稱(chēng)同位素。他還于1913年在致《自然》雜志的一封信中，正式提出了這一概念。

然而，雖然物理學(xué)家、化學(xué)家們不久就從不同的放射性元素（鈾和釷等）中得到了鉛（Pb）的兩種同位素Pb-206和Pb-208，但是它倆是從放射性元素中得到的，是不穩(wěn)定的。于是，獲得穩(wěn)定同位素的任務(wù)，就擺在科學(xué)家們的面前。

英國(guó)物理學(xué)家約瑟夫·約翰·湯姆森于1897年發(fā)現(xiàn)了電子。1912年，他改進(jìn)了測(cè)量電子的儀器—采取了磁力作用的原理，制成了一種磁分離器（質(zhì)譜儀的前身）。當(dāng)他和被他邀請(qǐng)到卡文迪許實(shí)驗(yàn)室工作的阿斯頓等測(cè)定氖氣時(shí)發(fā)現(xiàn)，無(wú)論怎樣提純氖，在顯示屏上得到的都是兩條拋物線(xiàn)：一條代表原子量為20的氖（Ne-20），另一條則代表原子量為22的氖（Ne-22）。這就是人類(lèi)首先發(fā)現(xiàn)的穩(wěn)定同位素Ne-20和Ne-22—兩種無(wú)放射性的同位素。而這也是沒(méi)有忽略“小數(shù)據(jù)”的成果—氖的原子量為20.1797，比Ne-20的原子量20僅多出0.1797，即大約多出0.9%。（0.1797/20≈0.9%）

這下能回答開(kāi)頭的問(wèn)題了：元素的原子量是其各種同位素的原子量的加權(quán)平均值，所以全部元素的原子量都不是整數(shù)。

同位素的發(fā)現(xiàn)，具有重大的科學(xué)意義。

第一，解開(kāi)了“原子量顛倒困惑”。1869年2月，俄國(guó)化學(xué)家門(mén)捷列夫發(fā)表了元素周期律并創(chuàng)建了元素周期表。之后40多年，雖然無(wú)數(shù)實(shí)驗(yàn)與事實(shí)都能證明其正確性，但科學(xué)家們卻一直不能解答周期表中3對(duì)元素的原子量顛倒的困惑：第18號(hào)元素氬（Ar，原子量39.9）和第19號(hào)元素鉀（K，原子量39.1）、第27號(hào)元素鈷（Co，原子量58.9）和第28號(hào)元素鎳（Ni，原子量58.7）、第52號(hào)元素碲（Te，原子量127.6）和第53號(hào)元素碘（I，原子量126.9）。同位素的發(fā)現(xiàn)，能圓滿(mǎn)地解答這個(gè)困惑。

第二，揭示了元素周期律的本質(zhì)：元素的主要特性是由原子序數(shù)（即核電荷數(shù)），而不是由原子量決定。這是英國(guó)物理學(xué)家、化學(xué)家莫斯萊在1914年用實(shí)驗(yàn)證明的。揭示這一本質(zhì)，顯然要依靠同位素的發(fā)現(xiàn)。揭示了這一本質(zhì)，不但不會(huì)削弱略有瑕疵的元素周期律的光輝，而且以更深入、更高級(jí)的表達(dá)，讓元素周期律的光輝更加璀璨奪目—在科技并不發(fā)達(dá)的19世紀(jì)中葉，門(mén)捷列夫就能從令人眼花繚亂的物質(zhì)、五花八門(mén)的元素中找出它們的規(guī)律，預(yù)測(cè)其性質(zhì)，實(shí)在讓人驚嘆！

從0.83″到1.75″—小數(shù)據(jù)助力愛(ài)因斯坦預(yù)言光彎曲

0.83″或1.75″是很小的。然而，愛(ài)因斯坦卻沒(méi)有無(wú)視這兩個(gè)小數(shù)據(jù)，從而引出大成果：光線(xiàn)經(jīng)過(guò)大質(zhì)量的天體（例如太陽(yáng)）邊緣時(shí)要彎曲；大質(zhì)量的天體會(huì)像放大鏡一樣扭曲來(lái)自它身后遙遠(yuǎn)星球的光線(xiàn)，有可能形成“引力透鏡效應(yīng)”。

1911年6月，愛(ài)因斯坦在德國(guó)的《物理年鑒》上發(fā)表了《關(guān)于引力對(duì)光傳播的影響》。在該論文中，他根據(jù)等效原理預(yù)言，光線(xiàn)經(jīng)過(guò)太陽(yáng)邊緣要偏轉(zhuǎn)0.83″。4年后的1915年，他又在《普魯士學(xué)院會(huì)議報(bào)告》上發(fā)表了另一篇有關(guān)廣義相對(duì)論的論文，用完整的廣義相對(duì)論修正為1.75″。

接下來(lái)的故事科學(xué)界所共知。1919年，英國(guó)派出了兩個(gè)遠(yuǎn)征隊(duì)，去觀(guān)測(cè)當(dāng)年5月29日發(fā)生的日全食。一隊(duì)由英國(guó)皇家學(xué)會(huì)派出，英國(guó)天文學(xué)家愛(ài)丁頓率領(lǐng)，到西非幾內(nèi)亞灣普林西比島觀(guān)測(cè)。另一隊(duì)由英國(guó)天文學(xué)會(huì)派出，克魯梅林帶隊(duì)，到巴西索布臘爾鎮(zhèn)觀(guān)測(cè)。兩隊(duì)各自的觀(guān)測(cè)結(jié)果，在同年11月6日同時(shí)公布：光線(xiàn)經(jīng)過(guò)位于金牛座的太陽(yáng)附近時(shí)，偏轉(zhuǎn)角分別為1.61″±0.30″和1.98″±0.12″—與愛(ài)因斯坦的預(yù)言非常接近，這一驗(yàn)證在全世界引起極大的轟動(dòng)。

還有更精密的驗(yàn)證。1922年9月21日，美國(guó)利克天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)威廉·華萊士·坎貝爾和美國(guó)天文學(xué)家羅伯特·朱利葉斯·特魯普勒，通過(guò)對(duì)當(dāng)天日全食的觀(guān)測(cè)，得到的偏轉(zhuǎn)角為1.72″—更接近1.75″。