Frissítve: Ezt a cikket 2017. szeptember 11-én frissítette Rachel Ross, a Live Science munkatársa.
Képzeljük el, hogy egy atomot leteszünk egy mérlegre. Miközben ezt teszed, atomok trillióinak vastagságú bőrsejtek pattannak le a kezedről, és lobognak le körülötte, eltemetve azt az atomi hasonmások halmába. Eközben a nedvesség és a légköri részecskék körbelövik a mérleget, fel-le pattognak rajta, és az atomérzékeny tűt ide-oda csapkodják, mint egy ablaktörlőt. És egyébként hogyan sikerült egyáltalán elkülöníteni egyetlen atomot?
Egy pillanatnyi gondolkodás után kiderül, hogy hagyományos mérlegen nem lehet atomot mérni.
Ehelyett a fizikusok több mint egy évszázada egy tömegspektrométer nevű műszert használnak. Az 1912-ben J. J. Thomson fizikus által feltalált és fokozatosan továbbfejlesztett eszköz így működik: Először a fizikusok “ionizálnak” egy atomokból álló gázt úgy, hogy egy részecskesugarat lőnek a gázra, amely a használt részecskesugár típusától függően vagy elektronokat ad hozzá az atomokhoz, vagy kiüt néhányat az elektronjaik közül. Ezáltal az atomok – amelyeket most “ionoknak” nevezünk – nettó negatív vagy pozitív elektromos töltést kapnak.
Ezután az ionokat egy csövön keresztül küldik, amelyben elektromos és mágneses mezőnek vannak kitéve. Mindkét mező erőt gyakorol az ionokra, és a két erő erősség arányos az ionok töltésével (a semleges atomok nem érzik az erőket). Az elektromos erő hatására az ionok sebességet változtatnak, míg a mágneses erő meggörbíti az útjukat.
Az ionokat ezután a cső végén lévő “Faraday-csészék” összegyűjtik, és áramot generálnak a csészékhez csatlakozó vezetékekben. Azzal, hogy a fizikusok megmérik, hogy az ionáramok hol és mikor érik el a Faraday-csészéket, meg tudják határozni, hogy az elektromos és mágneses erők hatására mennyire és milyen irányba gyorsulhattak fel. Végül Newton második mozgástörvénye, az F=ma, átrendezve m=F/a, segítségével a fizikusok az ionokra ható teljes erőt elosztják az ionok eredő gyorsulásával, hogy meghatározzák az ionok tömegét.
Az elektron tömegét is meghatározták már tömegspektrométerrel – ebben az esetben az elektronokat egyszerűen maguk küldték át a műszeren. Ez a mérés lehetővé teszi a fizikusok számára, hogy meghatározzák egy atom tömegét, ha az atomnak megfelelő számú elektronja van, nem pedig elektronhiány vagy elektronfelesleg.
A tömegspektrométer segítségével a fizikusok egy hidrogénatom tömegét 1,660538921(73) × 10-27 kilogrammban határozták meg, ahol a zárójeles számjegyek nem ismertek teljes bizonyossággal. Ez a legtöbb célra elég pontos.
Jó rezgések
Egy másik módja annak, hogy egy atom tömegét megtaláljuk, a rezgési frekvenciájának mérése és visszafelé történő megoldása, Jon R. Pratt 2014-es cikke szerint a Journal of Measurement Science című folyóiratban.
Az atom rezgését többféleképpen is meg lehet határozni, többek között az atominterferometriával, amelyben az atomhullámokat koherens módon szétválasztják, majd később újra egyesítik, Alex Cronin, az Arizonai Egyetem fizika tanszékének docense szerint; valamint a frekvenciafésűkkel, amelyek spektrometriát használnak a rezgések mérésére. A frekvencia ezután a Planck-állandóval együtt felhasználható az atom energiájának meghatározásához (E = hv, ahol h a Planck-állandó, v pedig a frekvencia). Az energia azután Einstein híres egyenletével, az E = mc2-vel együtt felhasználható az atom tömegének meghatározására, ha átrendezzük m = E/c2-re.
Az atom tömegének mérésének egy harmadik módját J. Chaste és társai a Nature Nanotechnology című folyóiratban 2012-ben megjelent cikkében írják le. Ebben a módszerben szén nanocsöveket használnak alacsony hőmérsékleten és vákuumban, és azt mérik, hogyan változik a rezgési frekvencia a hozzájuk csatolt részecskék tömegétől függően. Ez a skála egy yoctogramm tömegig képes mérni, ami kisebb, mint egyetlen proton tömege (1,67 yoctogramm).
A vizsgálat egy 150 nanométeres szén nanocsővel történt, amelyet egy árok fölé függesztettek. A nanocsövet megpengették, mint egy gitárhúrt, és ez egy természetes rezgési frekvenciát eredményezett, amelyet aztán összehasonlítottak a rezgésmintákkal, amikor a nanocső más részecskékkel érintkezett. A nanocsövön lévő tömeg mennyisége megváltoztatja a keletkező frekvenciát.
Ye olde mass
Mi volt a tömegspektrométerek előtti időkben, amikor a vegyészek még homályosan tudták, hogy mi is az atom? Akkor elsősorban a különböző elemeket alkotó atomok tömegét mérték, nem pedig a tényleges tömegüket, hanem a relatív tömegüket. 1811-ben Amedeo Avogadro olasz tudós felismerte, hogy egy gáz térfogata (adott nyomáson és hőmérsékleten) arányos az azt alkotó atomok vagy molekulák számával, függetlenül attól, hogy milyen gázról van szó. Ez a hasznos tény lehetővé tette a kémikusok számára, hogy összehasonlítsák különböző gázok azonos térfogatának relatív tömegét, hogy meghatározzák az őket alkotó atomok relatív tömegét.
Az atomtömegeket atomi tömegegységekben (amu) mérték, ahol 1 amu a szén-12 atom tömegének egy tizenketted részével volt egyenlő. Amikor a 19. század második felében a kémikusok más eszközökkel közelítették meg az atomok számát egy adott gázmennyiségben – az Avogadro-szám néven ismert híres állandót -, elkezdtek durva becsléseket készíteni az egyes atomok tömegére úgy, hogy megmérték az egész gáz térfogatát, és elosztották a számmal.
Az atomtömeg, a tömeg és a szám közötti különbség
Sok ember felváltva használja a tömeg és a tömeg kifejezéseket, és még a legtöbb mérleg is olyan mértékegységekben kínál lehetőségeket, mint a font és a kilogramm. És bár a tömeg és a tömeg összefügg, nem ugyanaz a dolog. Amikor atomokról beszélünk, sokan felváltva használják az atomsúlyt és az atomtömeget, pedig ezek sem teljesen ugyanazok.
Az atomtömeget az atomban lévő protonok és neutronok számaként határozzák meg, ahol minden proton és neutron tömege körülbelül 1 amu (1,0073, illetve 1,0087). Az atomban lévő elektronok a protonokhoz és neutronokhoz képest olyan parányiak, hogy tömegük elhanyagolható. A szén-12 atom, amelyet ma is szabványként használnak, hat protont és hat neutront tartalmaz, ami tizenkét amu atomtömeget jelent. Ugyanazon elem különböző izotópjai (ugyanaz az elem különböző mennyiségű neutronnal) nem rendelkeznek azonos atomtömeggel. A szén-13 atomtömege 13 amu.
Az atomtömegnek, ellentétben egy tárgy súlyával, semmi köze a gravitáció vonzásához. Ez egy egység nélküli érték, amely egy elem természetesen előforduló izotópjai atomtömegének aránya a szén-12 tömegének tizenketted részéhez képest. Az olyan elemek esetében, mint a berillium vagy a fluor, amelyeknek csak egy természetesen előforduló izotópja van, az atomtömeg megegyezik az atomtömeggel.
A szénnek két természetesen előforduló izotópja van – a szén-12 és a szén-13. Mindkettőnek az atomtömege 12,0000, illetve 13,0034, és ismerve a természetben való előfordulási gyakoriságukat (98,89, illetve 1,110 százalék), a szén atomtömege a számítások szerint körülbelül 12,01 lehet. Az atomsúly nagyon hasonló a szén-12 tömegéhez, mivel a természetben a szén nagy része a szén-12 izotópból áll.
A bármely atom atomsúlyát meg lehet találni úgy, hogy az elem valamely izotópjának gyakoriságát megszorozzuk az elem atomsúlyával, majd az eredményeket összeadjuk. Ezt az egyenletet két vagy több izotóppal rendelkező elemeknél lehet használni:
- Szén-12: 0,9889 x 12,0000 = 11,8668
- Szén-13: 0,0111 x 13,0034 = 0,1443
- 11.8668 + 0,1443 = 12,0111 = a szén atomtömege
És van még egy harmadik érték, amit az atomokkal kapcsolatos mérések tárgyalásakor használunk: az atomszám. Az atomszámot az elemben lévő protonok száma határozza meg. Egy elemet az atommagban lévő protonok száma határoz meg, és semmi köze ahhoz, hogy az elemnek hány izotópja van. A szén atomszáma mindig 6, az uráné pedig mindig 92.
Kiegészítő tudósítás: Rachel Ross, Live Science Contributor.