作者：宋寧世

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來源：知乎

在舊定義中，摩爾被定義為“0.012 千克碳12所包含的基本單元的物質(zhì)的量”，而在新定義中，它被這樣修改：“1 摩爾包含6.02214076 × 10^23 個基本單元，這一常數(shù)被稱為阿伏伽德羅常數(shù)，單位為mol^-1”?；谶@一新定義，阿伏伽德羅常數(shù)的不確定度被消除了。新定義將于2019年5月20日正式生效。

新的千克由普朗克常數(shù)h=6.62607015×10?34 (J·s)來定義。那么12g碳12原子的物質(zhì)的量還是1mol嗎？

因為阿伏伽德羅常數(shù)的本質(zhì)就是一個人為規(guī)定的數(shù)，它自然也應(yīng)該直接定義成一個數(shù)，而不是和測量值掛鉤的量。而且按照阿伏伽德羅常數(shù)的原理，它其實可以是任何一個數(shù)，我們今天之所以把它的數(shù)值當成6.02*10^23，只是因為阿伏伽德羅常數(shù)最初的數(shù)值是和公制中的“克”綁定的，如果使用英制質(zhì)量“磅”，阿伏伽德羅“常數(shù)”就會變成2.73*10^26。按最初的設(shè)計，阿伏伽德羅常數(shù)本應(yīng)是個無量綱數(shù)，但它的數(shù)值卻會受所選單位的影響，所以它顯然不是像精細結(jié)構(gòu)常數(shù)那樣真正的無量綱自然常數(shù)。這也是后來國際單位制把“mol”設(shè)為基本單位，把“阿伏伽德羅常數(shù)”改為“阿伏伽德羅常量”，并規(guī)定其帶單位“/mol”的主要原因。而且和光速對應(yīng)相對論、普朗克常數(shù)對應(yīng)能量量子化這樣的基本自然規(guī)律不同，阿伏伽德羅常數(shù)其實并不對應(yīng)哪個自然規(guī)律。真要說有對應(yīng)的，那也不是它，而是元素周期表上的“相對原子質(zhì)量”。最初，科學(xué)家在研究化學(xué)反應(yīng)時發(fā)現(xiàn)了“配比定律”，比如氫氣和氧氣要完全反應(yīng)，它們的質(zhì)量正好滿足1:8的比例關(guān)系?？茖W(xué)家自然想到，我們規(guī)定某一種元素的原子質(zhì)量為一個單位，再利用化學(xué)反應(yīng)測定其他元素與該元素完全反應(yīng)的配比，得到的不正是一套“相對原子質(zhì)量”關(guān)系嗎？由于早期最容易測定元素化合反應(yīng)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(zhì)量表。那個時候（19世紀前期）的化學(xué)計算就和我們初中時的風(fēng)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(guī)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(zhì)量。到了19世紀后期，有一個法國科學(xué)家讓·佩蘭提出：每次這么列方程式算結(jié)果太繁瑣了，我們?yōu)槭裁床恢苯影鸦鶞试雍秃暧^的質(zhì)量單位掛鉤呢？他的想法是：我們規(guī)定1g的氧所包含的氧原子數(shù)量是個準數(shù)，根據(jù)當時原子量表的測定，氫的相對原子質(zhì)量是氧的1/16，那么，這個準數(shù)個氧原子是1g，這個準數(shù)個氫原子就一定是1/16g，這樣就可以把原子量和宏觀物質(zhì)質(zhì)量完美掛鉤了。于是，讓·佩蘭把這個數(shù)稱為“阿伏伽德羅常數(shù)”，為了紀念發(fā)現(xiàn)阿伏伽德羅定律，奠定相對原子質(zhì)量測定的科學(xué)依據(jù)的阿伏伽德羅（所以這個數(shù)并不是阿伏伽德羅本人定義的）。但是，成天說“阿伏伽德羅常數(shù)個”太拗口，讓·佩蘭最初把它叫做“克分子”，后來科學(xué)界把“molecule”一詞的前半部分抽出來，重新起了一個名字“mole”，這個詞就等于“阿伏伽德羅常數(shù)個”。所以，阿伏伽德羅常數(shù)本身只是針對選取的某一個人為基準設(shè)立的規(guī)定，你把基準元素換成氧、氫、碳，把基準質(zhì)量換成1克、1磅、1斤，得到的數(shù)值都會不一樣。甚至就連最初通過化學(xué)反應(yīng)發(fā)現(xiàn)的配比定律，在20世紀人們發(fā)現(xiàn)氧元素存在同位素后也已經(jīng)不夠準確。于是，后來科學(xué)界把基準換成了12C，把原子質(zhì)量基準定成12C的十二分之一，這個形式的阿伏伽德羅常數(shù)已經(jīng)僅僅是個規(guī)定了。說“阿伏伽德羅‘常數(shù)’是12g碳12所含原子數(shù)”，就跟說2是“1+1常數(shù)”一樣，硬要這么說，它確實是個“constant”，但這比較像句廢話。只是說，阿伏伽德羅常數(shù)這個數(shù)實在太大，人類現(xiàn)有的能力無法把它直接表示到個位數(shù)。人類實際在做的是：用一個宏觀的測量基準來盡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(zhì)量定義的阿伏伽德羅常數(shù)上。從愛因斯坦定量描述布朗運動，提供阿伏伽德羅常數(shù)的精確測量方法開始，測阿伏伽德羅常數(shù)和測原子量兩項工作其實就已經(jīng)分道揚鑣了。所以即便阿伏伽德羅常數(shù)曾經(jīng)是用12C定義的，但真正測量時使用的根本就不是碳，而是硅，測的也不是質(zhì)量，而是體積。這一次修改使用的阿伏伽德羅常數(shù)數(shù)值，就是用X射線晶體密度法加高純度的單晶硅球得到的。所以修改阿伏伽德羅常數(shù)定義的基本出發(fā)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(guī)定成一個“宏觀/微觀轉(zhuǎn)換數(shù)”，而不再依賴某個特定的物理量，比如質(zhì)量。不過，周期表上的原子量，以及基本原子質(zhì)量單位依然是由12C定義的，只是阿伏伽德羅常數(shù)不僅能表示原子，還應(yīng)該能用在電、熱、光等一切領(lǐng)域，表示宏觀與微觀的換算。理論上，這個“宏觀/微觀轉(zhuǎn)換數(shù)”可以是任何數(shù)，但我們要保證我們使用的數(shù)不會改變?nèi)藗冞^去科學(xué)研究的結(jié)果，所以我們不能隨便定一個數(shù)，而是得基于過去的條件，并且基于嚴格定義的質(zhì)量單位“千克”的體系，給出一個把對現(xiàn)有的科學(xué)數(shù)據(jù)影響最小的建議值。參考閱讀：