Opdatering: Denne artikel blev opdateret den 11. september 2017 af Rachel Ross, Live Science Contributor.
Forestil dig, at du lægger et atom ned på en vægt. Når du gør det, flager hudceller, der er trillioner af atomer tykke, af din hånd og flagrer ned hele vejen rundt om den og begraver den i en bunke af atomare dobbeltgængere. I mellemtiden skyder fugt og atmosfæriske partikler rundt og preller af på vægten og sender dens atomfølsomme nål frem og tilbage som en vinduesvisker. Og i øvrigt, hvordan er det lykkedes dig at isolere et enkelt atom i første omgang?
Et øjebliks eftertanke viser, at man ikke kan veje et atom på en traditionel vægt.
I stedet har fysikere i over et århundrede brugt et instrument kaldet et massespektrometer. Det blev opfundet i 1912 af fysikeren J.J. Thomson og er blevet forbedret gradvist, og det fungerer på følgende måde: Først “ioniserer” fysikerne en gas af atomer ved at affyre en partikelstråle mod gassen, som enten tilføjer elektroner til atomerne i den eller slår et par af deres elektroner fra, afhængigt af hvilken type partikelstråle der anvendes. Dette giver atomerne – nu kendt som “ioner” – en negativ eller positiv elektrisk nettoladning.
Dernæst sendes ionerne gennem et rør, hvor de udsættes for elektriske og magnetiske felter. Begge disse felter udøver en kraft på ionerne, og styrken af de to kræfter er proportional med ionernes ladning (neutrale atomer mærker ikke disse kræfter). Den elektriske kraft får ionerne til at ændre hastighed, mens den magnetiske kraft bøjer deres bane.
Ionerne opsamles derefter af “Faraday-kopper” for enden af røret og genererer en strøm i de ledninger, der er fastgjort til kopperne. Ved at måle, hvor og hvornår ionstrømmen rammer Faraday-kopperne, kan fysikerne bestemme, hvor meget de må være accelereret, og i hvilken retning, som følge af de elektriske og magnetiske kræfter. Endelig dividerer fysikerne ved hjælp af Newtons anden bevægelseslov, F=ma, omformet til m=F/a, den samlede kraft, der virker på ionerne, med deres resulterende acceleration for at bestemme ionernes masse.
Elektronens masse er også blevet bestemt ved hjælp af et massespektrometer – i det tilfælde blev elektronerne blot selv sendt gennem instrumentet. Denne måling gør det muligt for fysikere at bestemme et atoms masse, når det har det korrekte antal elektroner og ikke mangel på eller overskud af dem.
Med et massespektrometer har fysikere bestemt massen af et brintatom til 1,660538921(73) × 10-27 kilogram, hvor de parentetiske cifre ikke kendes med fuldstændig sikkerhed. Det er præcist nok til de fleste formål.
Gode vibrationer
En anden måde, hvorpå man kan finde et atoms masse, er ved at måle dets vibrationsfrekvens og løse den baglæns, ifølge Jon R. Pratts artikel fra 2014 i Journal of Measurement Science.
Vibrationen af et atom kan bestemmes på nogle få måder, herunder atominterferometri, hvor atombølger splittes kohærent og senere rekombineres igen, ifølge Alex Cronin, lektor ved Institut for fysik på University of Arizona, og frekvenskamme, som bruger spektrometri til at måle vibrationer. Frekvensen kan derefter bruges sammen med Planck-konstanten til at finde atomets energi (E = hv, hvor h er Planck-konstanten og v er frekvensen). Energien kan derefter bruges sammen med Einsteins berømte ligning, E = mc2, til at løse atomets masse, når den omformuleres til m = E/c2.
En tredje måde at måle et atoms masse på er beskrevet i en artikel fra 2012 offentliggjort i Nature Nanotechnology af J. Chaste, et al. Denne metode indebærer, at man bruger kulstofnanorør ved lave temperaturer og i et vakuum og måler, hvordan vibrationsfrekvensen ændrer sig afhængigt af massen af de partikler, der er knyttet til dem. Denne skala kan måle masser ned til et yoktogram, hvilket er mindre end massen af en enkelt proton (1,67 yoktogram).
Testen foregik med et 150 nanometer kulstofnanorør ophængt over en grøft. Nanorøret blev plukket som en guitarstreng, og dette gav en naturlig vibrationsfrekvens, som derefter blev sammenlignet med vibrationsmønstrene, når nanorøret kom i kontakt med andre partikler. Den mængde masse, der er på nanorøret, vil ændre den frekvens, der produceres.
Ye olde mass
Hvad med før massespektrometrenes tid, hvor kemikere var usikre på, hvad et atom overhovedet var? Dengang målte de primært vægten af de atomer, som de forskellige grundstoffer bestod af, ud fra deres relative masse, snarere end ud fra deres faktiske masse. I 1811 indså den italienske videnskabsmand Amedeo Avogadro, at volumenet af en gas (ved et givet tryk og en given temperatur) er proportionalt med antallet af atomer eller molekyler, som den består af, uanset hvilken gas det var. Denne nyttige kendsgerning gjorde det muligt for kemikere at sammenligne de relative vægte af lige store mængder af forskellige gasser for at bestemme de relative masser af de atomer, de består af.
De målte atomvægtene i form af atomare masseenheder (amu), hvor 1 amu var lig med en tolvtedel af massen af et kulstof-12-atom. Da kemikere i anden halvdel af det 19. århundrede brugte andre midler til at tilnærme sig antallet af atomer i et givet gasvolumen – den berømte konstant, der er kendt som Avogadros tal – begyndte de at lave grove skøn over massen af et enkelt atom ved at veje volumenet af hele gassen og dividere med tallet.
Forskellen mellem atomvægt, masse og antal
Mange mennesker bruger udtrykkene vægt og masse i flæng, og selv de fleste vægte tilbyder muligheder i enheder som pund og kilogram. Og selv om masse og vægt er relateret, er de ikke det samme. Når man taler om atomer, bruger mange mennesker atomvægt og atommasse i flæng, selv om de heller ikke er helt det samme.
Atommasse er defineret som antallet af protoner og neutroner i et atom, hvor hver proton og neutron har en masse på ca. 1 amu (henholdsvis 1,0073 og 1,0087). Elektronerne i et atom er så ubetydelige i forhold til protoner og neutroner, at deres masse er ubetydelig. Kulstof-12-atomet, som stadig bruges som standard i dag, indeholder seks protoner og seks neutroner, hvilket giver en atommasse på 12 amu. Forskellige isotoper af det samme grundstof (samme grundstof med forskellige mængder neutroner) har ikke den samme atommasse. Kulstof-13 har en atommasse på 13 amu.
Atomvægt har i modsætning til vægten af et objekt intet at gøre med tyngdekraftens tiltrækningskraft. Det er en enhedsløs værdi, der er et forhold mellem atommasserne af naturligt forekommende isotoper af et grundstof sammenlignet med atomvægten af en tolvtedel af massen af kulstof-12. For grundstoffer som beryllium eller fluor, der kun har én naturligt forekommende isotop, er den atomare masse lig med atomvægten.
Kulstof har to naturligt forekommende isotoper – kulstof-12 og kulstof-13. Atomvægten for hver af dem er henholdsvis 12,0000 og 13,0034, og da man kender deres hyppighed i naturen (henholdsvis 98,89 og 1,110 procent), beregnes atomvægten af kulstof til at være ca. 12,01. Atomvægten svarer meget til massen af kulstof-12 på grund af, at størstedelen af kulstof i naturen består af kulstof-12-isotopen.
Atomvægten af et atom kan findes ved at gange hyppigheden af en isotop af et grundstof med grundstoffets atommasse og derefter lægge resultaterne sammen. Denne ligning kan bruges med grundstoffer med to eller flere isotoper:
- Kulstof-12: 0,9889 x 12,0000 = 11,8668
- Kulstof-13: 0,0111 x 13,0034 = 0,1443
- 11.8668 + 0,1443 = 12,0111 = atomvægt af kulstof
Og der er stadig en tredje værdi, som bruges, når man diskuterer målinger i forbindelse med atomer: atomnummer. Atomnummeret er defineret ved antallet af protoner i et grundstof. Et grundstof er defineret ved det antal protoner, som kernen indeholder, og det har ikke noget at gøre med, hvor mange isotoper grundstoffet har. Kulstof har altid et atomnummer på 6, og uran har altid et atomnummer på 92.
Tilbagevendende reportage af Rachel Ross, Live Science Contributor.