俗话说:“细节决定成败。”在科学史上,许多重大的科学发现都是由于“小数据”而引发的。仅多出了0.9%——索迪、汤姆森和阿斯顿与同位素。既然相对原子量是以一个碳-12原子质量的1/12为标准计算的,而原子量是质子数(整数)与中子数之和,那么任何一种元素的原子量都应该是整数,不存在因“测量误差”引出小数的问题。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数,这是怎么回事呢?
现在我们都知道,原子量都不是整数,是元素有同位素的缘故。那么,同位素是谁发现的?怎么发现的?
鉴于元素的原子量都不是整数,以及一些化学家做实验时发现占据元素周期表中同一格的“不同元素”的化学性质几乎完全相似、当时用任何方法都不能将它们分离的事实,英国化学家弗雷德里克·索迪在1910年提出了同位素假说:具有相同质子数的同一种元素,可以有不同的中子数,它们应占据元素周期表中同一格,互称同位素。他还于1913年在致《自然》杂志的一封信中,正式提出了这一概念。
然而,虽然物理学家、化学家们不久就从不同的放射性元素(铀和钍等)中得到了铅(Pb)的两种同位素Pb-206和Pb-208,但是它俩是从放射性元素中得到的,是不稳定的。于是,获得稳定同位素的任务,就摆在科学家们的面前。英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆森于1897年发现了电子。1912年,他改进了测量电子的仪器——采取了磁力作用的原理,制成了一种磁分离器(质谱仪的前身)。
当他和被他邀请到卡文迪许实验室工作的阿斯顿等测定氖气时发现,无论怎样提纯氖,在显示屏上得到的都是两条抛物线:一条代表原子量为20的氖(Ne-20),另一条则代表原子量为22的氖(Ne-22)。这就是人类首先发现的稳定同位素Ne-20和Ne-22——两种无放射性的同位素。而这也是没有忽略“小数据”的成果——氖的原子量为20.1797,比Ne-20的原子量20仅多出0.1797,即大约多出0.9%。
(0.1797/20≈0.9%)
这下能回答开头的问题了:元素的原子量是其各种同位素的原子量的加权平均值,所以全部元素的原子量都不是整数。同位素的发现,具有重大的科学意义。第一,解开了“原子量颠倒困惑”。1869年2月,俄国化学家门捷列夫发表了元素周期律并创建了元素周期表。
之后40多年,虽然无数实验与事实都能证明其正确性,但科学家们却一直不能解答周期表中3对元素的原子量颠倒的困惑:第18号元素氩(Ar,原子量39.9)和第19号元素钾(K,原子量39.1)、第27号元素钴(Co,原子量58.9)和第28号元素镍(Ni,原子量58.7)、第52号元素碲(Te,原子量127.6)和第53号元素碘(I,原子量126.9)。同位素的发现,能圆满地解答这个困惑。
第二,揭示了元素周期律的本质:元素的主要特性是由原子序数(即核电荷数),而不是由原子量决定。这是英国物理学家、化学家莫斯莱在1914年用实验证明的。揭示这一本质,显然要依靠同位素的发现。
揭示了这一本质,不但不会削弱略有瑕疵的元素周期律的光辉,而且以更深入、更高级的表达,让元素周期律的光辉更加璀璨夺目——在科技并不发达的19世纪中叶,门捷列夫就能从令人眼花缭乱的物质、五花八门的元素中找出它们的规律,预测其性质,实在让人惊叹!1923年,后来成为中国物理学界泰斗的严济慈自费赴法留学,1924年5月,正式进入巴黎大学理学院学习。严济慈的老师,是享誉法国的著名物理学家莫里斯·法布里教授。
法布里对当时仅有22岁的严济慈非常器重,就给了他“反(逆)压电效应”的研究课题。因为法布里不但看到了石英片的应用前景不可限量,而且深信严济慈能有所作为。要有所作为并非易事,因为测量石英片压电效应系数要达到10-8~10-6米的精度,所以没人敢去尝尝这只“螃蟹”。
在法布里的指导和居里夫人的帮助下,严济慈经过一年半的努力,克服了重重困难,终于用单色光测到了石英片通电后在0.1微米数量级上下的细微变化。他超出老师要求标准的博士论文《石英在电场下的形变和光学特性变化的实验研究》,由法布里在自己首次出席的院士例会上宣读后,引起了法国科学界的轰动。
严济慈初露锋芒,源于那大约0.1微米数量级的“小数据”。