通过前几集的介绍，我们已经理解，碳元素的化学性质来源于它外层电子的分布。现在，让我们深入碳原子的核心，探究碳原子核如何赋予碳特性，以及我们如何利用这些特性。

【碳原子的示意图，仅仅是为了示意。实际上，原子核远比这要小。电子围绕原子核运行的方式与80年代的科学原子模型截然不同，没有固定的轨迹，而是以电子云的形式分布。】

碳具有三种稳定的同位素：碳12、碳13和碳14。碳12是由三个氦原子在恒星内部聚合而成，也是自然界中存在最多的，因此，当提到碳的原子量时，我们通常认为它是12。

然而，当我们查阅元素周期表上碳的原子量时，会发现上面清楚地写着“12.011”。实际上，这个数字是碳元素各种同位素的平均原子量。

历史上，科学家们也曾为这个问题而烦恼。最初，他们假定氢原子是单位1，但问题是，氢元素也有几种同位素。不信你可以看看现在的元素周期表上，氢的原子量是不是1.0079？【元素周期表上每个元素的原子量都是带小数的，现在你明白为什么了吧？】

有人可能会说，这还不简单，就用氢1原子的原子量作为基本单位不就行了吗？其实没那么简单。我们知道，原子是由原子核和核外电子组成的。原子核里有质子和中子，通过胶子结合在一起。电子的质量只是质子质量的1/1836，可以忽略不计，但质子质量和中子质量也有很小的区别，一个是电子的1836倍，一个是1839倍。如果氢1原子核的质量是1，那氘原子核的质量就要比2略大一点点了。所以，严格来说，高级元素（比如碳、氧甚至金）的原子质量并不是氢1原子的整数倍。

【质子（Proton）和中子（Neutron）是一对双胞胎，质量却有些微小的差别。】

还有一个问题，氘原子核是由一个质子和一个中子组成的，那么当然氘原子核的质量应该等于1个质子+1个中子的质量，然而事实并非如此，氘原子核比后者要轻千分之一左右。这是怎么回事？难道质量守恒定律在原子核内失效了？【氢弹的核反应，反应前的氘核（Deuterium）和氚核（Tritium）质量加起来大于反应后的氦核（Helium）和中子的质量，这中间的差值就是核反应带给我们的巨大能量。】

其实很简单，爱因斯坦的著名方程告诉我们：E=mc2，质量就是能量，能量就是质量。这千分之一的质量就是在质子和中子结合的时候释放出来的核能。这种质量的差别被称为“质量亏损”，并不是质量真的少了，而是质量转化成能量，或者说质量以能量的方式表现出来。爱因斯坦的相对论超越了能量守恒定律，E=mc2体现了在更高层次上的质能守恒定律。

那为什么在日常的化学反应中，我们没有发现过这种质量亏损呢？原来，化学能相对于核能实在是微不足道。一个碳原子和四个氢原子化合成甲烷，其中的质量亏损只有0.000031%，实在是很难察觉。或者更直观的例子，大家可以想想一枚普通的炸弹跟原子弹相比。因此，为什么在之前的文章里，我提到研究氢能源的价值远远小于低温核聚变，从化学能到核能，这是人类对能量利用层级的区别。

【一枚氢弹爆炸的能量相当于几百万吨的TNT当量，】

1959年，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）提出以碳的同位素碳12作为相对原子质量的标准，（即以碳12质量的1/12作为标准），并得到国际纯粹与应用物理联合会（IUPAP）的同意。于1961年8月正式决定采用碳的同位素碳12作为相对原子质量的新标准，同年发布了新的国际原子量表。

之所以选择碳12，是基于很多考虑的。最直接的原因就是之前我们几集里讨论的：碳元素是有机物的骨架，各种各样的高分子是最主要的研究对象。一个有机物分子中，可能会有几十、几百甚至几千个碳原子，如果先把碳原子确定，就会方便很多。

【C12的质子数、中子数、电子数都是6，用一句网络语言，C12就是666！】

另外，碳元素在自然界分布广泛，丰度也很稳定，其他同位素C13和C14的丰度都太低，干扰较小。

更重要的原因是碳原子核的原子量比较容易测定。原子量是通过质谱仪来测定的，碳和氢的化合物比较容易被加热到离子状态，因此容易用质谱仪测量出碳原子核精确的质量。

总之，碳12就这样很光荣地成为了原子量标准的角色，一直到现在。

【学过高中物理的人都能明白质谱仪的原理，经电场加速的带电粒子在磁场中的偏转半径可以告诉我们粒子的荷质比，然后推导出粒子的质量。】