Aktualizace: Tento článek byl aktualizován 11. září 2017 Rachel Rossovou, spolupracovnicí Live Science.
Představte si, že položíte atom na váhu. Přitom se vám z ruky odlupují kožní buňky o tloušťce bilionů atomů, které se snášejí všude kolem a pohřbívají ji v hromadě atomových dvojníků. Mezitím se vlhkost a atmosférické částice odrážejí od váhy a posílají její atomově citlivou ručičku, která šlehá sem a tam jako stěrač předního skla. A mimochodem, jak se vám vůbec podařilo izolovat jediný atom?
Chvilka zamyšlení ukáže, že atom nelze zvážit na klasické váze.
Na místo toho fyzikové už více než sto let používají přístroj zvaný hmotnostní spektrometr. Vynalezl jej v roce 1912 fyzik J. J. Thomson a postupně jej zdokonaloval: Fyzikové nejprve „ionizují“ plyn složený z atomů tím, že na něj vystřelí svazek částic, který podle typu použitého svazku částic buď přidá k atomům v plynu elektrony, nebo jim několik elektronů odebere. Tím atomy – nyní známé jako „ionty“ – získají čistý záporný nebo kladný elektrický náboj.
Poté jsou ionty poslány přes trubici, ve které jsou vystaveny elektrickému a magnetickému poli. Obě tato pole působí na ionty silou, přičemž síla obou sil je úměrná náboji iontů (neutrální atomy tyto síly nepociťují). Elektrická síla způsobuje změnu rychlosti iontů, zatímco magnetická síla ohýbá jejich dráhu.
Ionty se pak shromažďují ve „Faradayových pohárech“ na konci trubice a vytvářejí proud v drátech připojených k pohárům. Měřením toho, kde a kdy proud iontů narazí na Faradayovy misky, mohou fyzikové určit, o kolik se musely v důsledku působení elektrických a magnetických sil urychlit a jakým směrem. Nakonec pomocí druhého Newtonova pohybového zákona F=ma, přeuspořádaného jako m=F/a, fyzikové vydělí celkovou sílu působící na ionty jejich výsledným zrychlením a určí hmotnost iontů.
Hmotnost elektronu byla také určena pomocí hmotnostního spektrometru – v tomto případě byly elektrony jednoduše poslány přes samotný přístroj. Toto měření umožňuje fyzikům určit hmotnost atomu, pokud má správný počet elektronů, nikoliv jejich nedostatek nebo přebytek.
Pomocí hmotnostního spektrometru určili fyzikové hmotnost atomu vodíku na 1,660538921(73) × 10-27 kilogramů, přičemž číslice v závorce nejsou známy s úplnou jistotou. To je pro většinu účelů dostatečně přesné.
Dobré vibrace
Dalším způsobem, jak lze zjistit hmotnost atomu, je měření frekvence jeho vibrací a zpětné řešení, jak uvádí Jon R. Pratt v článku z roku 2014 v časopise Journal of Measurement Science.
Vibrace atomu lze podle Alexe Cronina, docenta na katedře fyziky Arizonské univerzity, určit několika způsoby, včetně atomové interferometrie, při níž se atomové vlny koherentně rozdělí a později opět spojí, a frekvenčních hřebenů, které k měření vibrací využívají spektrometrii. Frekvenci pak lze spolu s Planckovou konstantou použít k určení energie atomu (E = hv, kde h je Planckova konstanta a v je frekvence). Energii pak lze použít se slavnou Einsteinovou rovnicí E = mc2 k řešení hmotnosti atomu, když ji přeformulujeme na m = E/c2.
Třetí způsob měření hmotnosti atomu je popsán v článku J. Chasteho a kol. publikovaném v časopise Nature Nanotechnology v roce 2012. Tato metoda spočívá v použití uhlíkových nanotrubiček při nízkých teplotách a ve vakuu a v měření, jak se mění frekvence vibrací v závislosti na hmotnosti částic k nim připojených. Touto stupnicí lze měřit hmotnosti až do jednoho joktogramu, což je méně než hmotnost jednoho protonu (1,67 joktogramu).
Test probíhal se 150nanometrovou uhlíkovou nanotrubičkou zavěšenou nad příkopem. Na nanotrubičku se drnkalo jako na kytarovou strunu, čímž vznikla vlastní frekvence vibrací, která byla následně porovnána se vzorci vibrací, když se nanotrubička dostala do kontaktu s jinými částicemi. Množství hmoty, které je na nanotrubičce, mění frekvenci, která vzniká.
Ye olde mass
Co před dobou hmotnostních spektrometrů, kdy chemici neměli jasno v tom, co je to vůbec atom? Tehdy měřili především hmotnosti atomů, z nichž se skládaly různé prvky, a to spíše z hlediska jejich relativních hmotností než jejich skutečných hmotností. V roce 1811 si italský vědec Amedeo Avogadro uvědomil, že objem plynu (při daném tlaku a teplotě) je úměrný počtu atomů nebo molekul, které ho tvoří, bez ohledu na to, o jaký plyn se jedná. Tato užitečná skutečnost umožnila chemikům porovnávat relativní hmotnosti stejných objemů různých plynů a určit tak relativní hmotnosti atomů, které je tvoří.
Měřili atomové hmotnosti v jednotkách atomové hmotnosti (amu), kde 1 amu se rovnala jedné dvanáctině hmotnosti atomu uhlíku-12. Když v druhé polovině 19. století chemici použili jiné prostředky k přibližnému určení počtu atomů v daném objemu plynu – onu slavnou konstantu známou jako Avogadrovo číslo – začali vytvářet hrubé odhady hmotnosti jednoho atomu tak, že zvážili objem celého plynu a vydělili jej tímto číslem.
Rozdíl mezi atomovou hmotností, hmotností a počtem
Mnoho lidí používá pojmy hmotnost a hmotnost zaměnitelně, a dokonce i většina vah nabízí možnosti v jednotkách jako libry a kilogramy. A přestože hmotnost a váha spolu souvisejí, nejedná se o totéž. Když se mluví o atomech, mnoho lidí používá atomovou hmotnost a atomovou hmotnost zaměnitelně, i když to také není úplně totéž.
Atomová hmotnost je definována jako počet protonů a neutronů v atomu, přičemž každý proton a neutron má hmotnost přibližně 1 amu (1,0073 a 1,0087). Elektrony v atomu jsou ve srovnání s protony a neutrony tak nepatrné, že jejich hmotnost je zanedbatelná. Atom uhlíku-12, který se dodnes používá jako standard, obsahuje šest protonů a šest neutronů a jeho atomová hmotnost je dvanáct amu. Různé izotopy téhož prvku (stejný prvek s různým množstvím neutronů) nemají stejnou atomovou hmotnost. Uhlík-13 má atomovou hmotnost 13 amu.
Atomová hmotnost nemá na rozdíl od hmotnosti předmětu nic společného s gravitační silou. Je to hodnota bez jednotek, která je poměrem atomových hmotností přirozeně se vyskytujících izotopů prvku ve srovnání s hmotností jedné dvanáctiny hmotnosti uhlíku-12. U prvků, jako je beryllium nebo fluor, které mají pouze jeden přirozeně se vyskytující izotop, je atomová hmotnost rovna atomové hmotnosti.
Uhlík má dva přirozeně se vyskytující izotopy – uhlík-12 a uhlík-13. V případě uhlíku se jedná o dva izotopy. Atomové hmotnosti každého z nich jsou 12,0000 a 13,0034 a při znalosti jejich zastoupení v přírodě (98,89, resp. 1,110 procenta) je atomová hmotnost uhlíku vypočtena na přibližně 12,01. Atomová hmotnost je velmi podobná hmotnosti uhlíku-12 vzhledem k tomu, že většina uhlíku v přírodě je tvořena izotopem uhlíku-12.
Atomovou hmotnost libovolného atomu lze zjistit vynásobením četnosti izotopu prvku atomovou hmotností prvku a následným sečtením výsledků. Tuto rovnici lze použít pro prvky se dvěma nebo více izotopy:
- Uhlík-12: 0,9889 x 12,0000 = 11,8668
- Uhlík-13: 0,0111 x 13,0034 = 0,1443
- 11.8668 + 0,1443 = 12,0111 = atomová hmotnost uhlíku
A existuje ještě třetí hodnota, která se používá při diskusích o měřeních týkajících se atomů: atomové číslo. Atomové číslo je definováno počtem protonů v prvku. Prvek je definován počtem protonů, které obsahuje jádro, a nemá nic společného s tím, kolik má prvek izotopů. Uhlík má vždy atomové číslo 6 a uran má vždy atomové číslo 92.
Dodatečné zpravodajství Rachel Ross, přispěvatelka časopisu Live Science.