Päivitys: Tämän artikkelin päivitti 11. syyskuuta 2017 Rachel Ross, Live Science Contributor.
Kuvittele, että lasket atomin vaa’alle. Kun teet niin, triljoonien atomien paksuiset ihosolut irtoavat kädestäsi ja lepattavat sen ympärillä ja hautaavat sen kasaan atomien kaksoisolentoja. Samaan aikaan kosteus ja ilmakehän hiukkaset sinkoilevat vaa’an päälle ja pois ja saavat sen atomiherkän neulan heilumaan edestakaisin kuin tuulilasinpyyhkijä. Ja muuten, miten onnistuit ylipäätään eristämään yksittäisen atomin?
Hetken miettiminen osoittaa, ettei atomia voi punnita perinteisellä vaa’alla.
Sen sijaan fyysikot ovat jo yli vuosisadan ajan käyttäneet laitetta nimeltä massaspektrometri. Fyysikko J.J. Thomsonin vuonna 1912 keksimä ja vähitellen paranneltu laite toimii näin: Ensin fyysikot ”ionisoivat” atomikaasun ampumalla kaasuun hiukkassäteen, joka joko lisää elektroneja kaasussa oleviin atomeihin tai poistaa niistä muutamia elektroneja, riippuen käytetystä hiukkassäteestä. Tämä antaa atomeille – joita nyt kutsutaan ”ioneiksi” – negatiivisen tai positiivisen sähkövarauksen.
Seuraavaksi ionit lähetetään putken läpi, jossa niihin kohdistetaan sähkö- ja magneettikenttiä. Molemmat kentät kohdistavat ioneihin voiman, ja näiden kahden voiman voimat ovat verrannollisia ionien varauksiin (neutraalit atomit eivät tunne voimia). Sähköinen voima saa ionit muuttamaan nopeuttaan, kun taas magneettinen voima taivuttaa niiden kulkureittiä.
Ionit kerätään sitten putken päässä oleviin ”Faradayn kuppeihin”, jotka synnyttävät virran kuppeihin kiinnitettyihin johtoihin. Mittaamalla, missä ja milloin ionivirta osuu Faradayn kuppeihin, fyysikot voivat määrittää, kuinka paljon ja mihin suuntaan ionien on täytynyt kiihtyä sähköisten ja magneettisten voimien seurauksena. Lopuksi fyysikot jakavat ioneihin vaikuttavan kokonaisvoiman niiden kiihtyvyydellä ja määrittävät ionien massan Newtonin toisen liikelain F=ma avulla, joka on muunnettu muotoon m=F/a.
Elektronin massa on määritetty myös massaspektrometrin avulla – tällöin elektronit lähetettiin yksinkertaisesti itse laitteen läpi. Tämän mittauksen avulla fyysikot voivat määrittää atomin massan silloin, kun sillä on oikea määrä elektroneja, eikä niiden puutetta tai ylitarjontaa.
Massaspektrometrin avulla fyysikot ovat määrittäneet vetyatomin massaksi 1,660538921(73) × 10-27 kilogrammaa, jossa suluissa olevia numeroita ei tiedetä täydellä varmuudella. Se on riittävän tarkka useimpiin tarkoituksiin.
Hyvät värähtelyt
Toinen tapa, jolla atomin massa saadaan selville, on Jon R. Prattin vuonna 2014 Journal of Measurement Science -lehdessä julkaistun artikkelin mukaan mitata atomin värähtelytaajuus ja ratkaista se taaksepäin.
Atomin värähtely voidaan määrittää muutamalla tavalla, kuten atomi-interferometrialla, jossa atomien aallot hajotetaan koherentisti ja yhdistetään myöhemmin uudelleen, Arizonan yliopiston fysiikan laitoksen apulaisprofessori Alex Croninin mukaan, sekä taajuuskammoilla, joissa värähtelyjen mittaamiseen käytetään spektrometriaa. Taajuutta voidaan sitten käyttää Planckin vakion kanssa atomin energian määrittämiseksi (E = hv, jossa h on Planckin vakio ja v on taajuus). Energiaa voidaan sitten käyttää Einsteinin kuuluisan yhtälön E = mc2 kanssa atomin massan ratkaisemiseksi, kun se järjestetään uudelleen muotoon m = E/c2.
Kolmas tapa mitata atomin massaa on kuvattu vuonna 2012 Nature Nanotechnology -lehdessä julkaistussa artikkelissa, jonka ovat kirjoittaneet J. Chaste ym. Tässä menetelmässä käytetään hiilinanoputkia matalissa lämpötiloissa ja tyhjiössä ja mitataan, miten värähtelytaajuus muuttuu niihin kiinnitettyjen hiukkasten massasta riippuen. Tällä asteikolla voidaan mitata massoja jopa yhteen yoctogrammaan asti, mikä on vähemmän kuin yhden protonin massa (1,67 yoctogrammaa).
Kokeessa käytettiin 150 nanometrin hiilinanoputkea, joka oli ripustettu kaivannon päälle. Nanoputkea nyplättiin kitarajousen tavoin, ja tämä tuotti luonnollisen värähtelytaajuuden, jota sitten verrattiin värähtelykuvioihin, kun nanoputki joutui kosketuksiin muiden hiukkasten kanssa. Nanoputkessa olevan massan määrä muuttaa tuotettua taajuutta.
Ye olde mass
Mikä oli ennen massaspektrometrien aikaa, jolloin kemistit olivat epäselviä siitä, mikä atomi edes on? Silloin he mittasivat ensisijaisesti eri alkuaineet muodostavien atomien painoja niiden suhteellisina massoina, ei niinkään niiden todellisina massoina. Vuonna 1811 italialainen tiedemies Amedeo Avogadro tajusi, että kaasun tilavuus (tietyssä paineessa ja lämpötilassa) on verrannollinen sen muodostavien atomien tai molekyylien määrään riippumatta siitä, mistä kaasusta oli kyse. Tämän hyödyllisen tosiasian ansiosta kemistit pystyivät vertailemaan eri kaasujen yhtä suurten tilavuuksien suhteellisia painoja määrittääkseen niiden muodostavien atomien suhteelliset massat.
He mittasivat atomipainot atomimassayksikköinä (amu), joissa 1 amu vastasi yhtä kahdestoistaosaa hiili-12-atomin massasta. Kun 1800-luvun jälkipuoliskolla kemistit käyttivät muita keinoja lähestyä tietyn kaasutilavuuden sisältämien atomien lukumäärää – tuota kuuluisaa vakiota, joka tunnetaan nimellä Avogadron luku – he alkoivat tuottaa karkean arvion yksittäisen atomin massasta punnitsemalla koko kaasun tilavuuden ja jakamalla lukumäärällä.
Atomipainon, -massan ja -luvun ero
Monet ihmiset käyttävät termejä painoa ja massaa keskenään vaihtelevasti, ja useimmat vaa’atkin tarjoavat vaihtoehdot yksiköissä, kuten paunoissa ja kilogrammoissa. Ja vaikka massa ja paino liittyvät toisiinsa, ne eivät ole sama asia. Kun puhutaan atomeista, monet ihmiset käyttävät atomipainoa ja atomimassaa vaihdellen, vaikka nekään eivät ole aivan sama asia.
Atomimassa määritellään atomissa olevien protonien ja neutronien lukumääränä, jolloin kunkin protonin ja neutronin massa on noin 1 amu (1,0073 ja 1,0087). Atomissa olevat elektronit ovat niin pieniä verrattuna protoneihin ja neutroneihin, että niiden massa on häviävän pieni. Hiili-12-atomi, jota käytetään nykyäänkin standardina, sisältää kuusi protonia ja kuusi neutronia, ja sen atomimassa on 12 amu. Saman alkuaineen eri isotoopeilla (sama alkuaine, jossa on eri määrä neutroneita) ei ole samaa atomimassaa. Hiili-13:n atomimassa on 13 amu.
Atomipainolla, toisin kuin esineen painolla, ei ole mitään tekemistä painovoiman kanssa. Se on yksikötön arvo, joka on alkuaineen luonnossa esiintyvien isotooppien atomimassojen suhde kahdestoistaosan hiilidioksidin 12 massaan verrattuna. Berylliumin tai fluorin kaltaisilla alkuaineilla, joilla on vain yksi luonnossa esiintyvä isotooppi, atomimassa on yhtä suuri kuin atomipaino.
Hiilellä on kaksi luonnossa esiintyvää isotooppia – hiili-12 ja hiili-13. Molempien atomimassat ovat 12,0000 ja 13,0034, ja kun tiedetään niiden esiintyvyys luonnossa (98,89 ja 1,110 prosenttia), hiilen atomipainoksi lasketaan noin 12,01. Atomipaino on hyvin samankaltainen kuin hiili-12:n massa, koska suurin osa luonnossa olevasta hiilestä koostuu hiili-12-isotoopista.
Minkä tahansa atomin atomipaino saadaan kertomalla alkuaineen isotoopin runsaus alkuaineen atomimassalla ja laskemalla tulokset yhteen. Tätä yhtälöä voidaan käyttää alkuaineille, joilla on kaksi tai useampia isotooppeja:
- Hiili-12: 0,9889 x 12,0000 = 11,8668
- Hiili-13: 0,0111 x 13,0034 = 0,1443
- 11.8668 + 0.1443 = 12.0111 = hiilen atomipaino
Ja on vielä kolmas arvo, jota käytetään, kun puhutaan atomeihin liittyvistä mittauksista: atomiluku. Atomiluku määritellään alkuaineen sisältämien protonien lukumäärän perusteella. Alkuaine määritellään ytimen sisältämien protonien lukumäärän perusteella, eikä sillä ole mitään tekemistä sen kanssa, kuinka monta isotooppia alkuaineella on. Hiilen järjestysluku on aina 6 ja uraanin järjestysluku on aina 92.
Lisätoimittaja Rachel Ross, Live Science Contributor.