Aggiornamento: Questo articolo è stato aggiornato l’11 settembre 2017 da Rachel Ross, Live Science Contributor.
Immagina di appoggiare un atomo su una bilancia. Mentre lo fai, le cellule della pelle che sono trilioni di atomi di spessore si sfaldano dalla tua mano e svolazzano giù tutto intorno ad essa, seppellendola in un mucchio di doppelganger atomici. Nel frattempo, l’umidità e le particelle atmosferiche sparano in giro, rimbalzando su e giù per la bilancia e mandando il suo ago sensibile agli atomi a frustare avanti e indietro come un tergicristallo. E a proposito, come hai fatto a isolare un singolo atomo in primo luogo?
Un momento di riflessione mostra che non è possibile pesare un atomo su una bilancia tradizionale.
Invece, i fisici per oltre un secolo hanno usato uno strumento chiamato spettrometro di massa. Inventato nel 1912 dal fisico J.J. Thomson e migliorato progressivamente, funziona così: In primo luogo, i fisici “ionizzano” un gas di atomi sparando un fascio di particelle al gas, che aggiunge elettroni agli atomi in esso contenuti o toglie alcuni dei loro elettroni, a seconda del tipo di fascio di particelle utilizzato. Questo dà agli atomi – ora conosciuti come “ioni” – una carica elettrica netta negativa o positiva.
In seguito, gli ioni sono inviati attraverso un tubo in cui sono sottoposti a campi elettrici e magnetici. Entrambi questi campi esercitano una forza sugli ioni, e le forze delle due forze sono proporzionali alla carica degli ioni (gli atomi neutri non sentono le forze). La forza elettrica fa cambiare velocità agli ioni, mentre la forza magnetica piega il loro percorso.
Gli ioni sono poi raccolti da “tazze di Faraday” alla fine del tubo, generando una corrente nei fili collegati alle tazze. Misurando dove e quando il flusso di ioni colpisce le coppe di Faraday, i fisici possono determinare quanto devono aver accelerato, e in quale direzione, come risultato delle forze elettriche e magnetiche. Infine, attraverso la seconda legge del moto di Newton, F=ma, riorganizzata come m=F/a, i fisici dividono la forza totale che agisce sugli ioni per la loro accelerazione risultante per determinare la massa degli ioni.
La massa dell’elettrone è stata anche determinata utilizzando uno spettrometro di massa – in quel caso, gli elettroni sono stati semplicemente inviati attraverso lo strumento stesso. Questa misura permette ai fisici di determinare la massa di un atomo quando ha il numero corretto di elettroni, piuttosto che una scarsità o un eccesso di essi.
Utilizzando uno spettrometro di massa, i fisici hanno determinato la massa di un atomo di idrogeno per essere 1,660538921(73) × 10-27 chilogrammi, dove le cifre parentetiche non sono note con completa certezza. Questo è abbastanza preciso per la maggior parte degli scopi.
Buone vibrazioni
Un altro modo in cui la massa di un atomo può essere trovata è misurando la sua frequenza di vibrazione e risolvendo al contrario, secondo l’articolo di Jon R. Pratt del 2014 nel Journal of Measurement Science.
La vibrazione di un atomo può essere determinata in alcuni modi, tra cui l’interferometria dell’atomo, in cui le onde atomiche sono coerentemente divise e successivamente ricombinate, secondo Alex Cronin, professore associato nel dipartimento di fisica dell’Università dell’Arizona; e i pettini di frequenza, che utilizzano la spettrometria per misurare le vibrazioni. La frequenza può poi essere usata con la costante di Planck per trovare l’energia dell’atomo (E = hv, dove h è la costante di Planck e v è la frequenza). L’energia può poi essere usata con la famosa equazione di Einstein, E = mc2, per risolvere la massa dell’atomo quando viene riorganizzata in m = E/c2.
Un terzo modo per misurare la massa di un atomo è descritto in un articolo del 2012 pubblicato su Nature Nanotechnology da J. Chaste, et al. Questo metodo prevede l’utilizzo di nanotubi di carbonio a basse temperature e nel vuoto e la misurazione di come la frequenza di vibrazione cambia a seconda della massa delle particelle attaccate a loro. Questa scala può misurare masse fino a uno yoctogrammo, meno della massa di un singolo protone (1,67 yoctogrammi).
Il test è stato fatto con un nanotubo di carbonio da 150 nanometri sospeso su una trincea. Il nanotubo è stato pizzicato come una corda di chitarra, e questo ha prodotto una frequenza di vibrazione naturale che è stata poi confrontata con i modelli di vibrazione quando il nanotubo è entrato in contatto con altre particelle. La quantità di massa che si trova sul nanotubo cambia la frequenza prodotta.
La vecchia massa
E prima dell’avvento degli spettrometri di massa, quando i chimici non sapevano nemmeno cosa fosse un atomo? Allora, misuravano principalmente i pesi degli atomi che componevano i vari elementi in termini di massa relativa, piuttosto che la loro massa effettiva. Nel 1811, lo scienziato italiano Amedeo Avogadro si rese conto che il volume di un gas (a una data pressione e temperatura) è proporzionale al numero di atomi o molecole che lo compongono, indipendentemente da quale gas fosse. Questo fatto utile permise ai chimici di confrontare i pesi relativi di volumi uguali di gas diversi per determinare le masse relative degli atomi che li compongono.
Misurarono i pesi atomici in termini di unità di massa atomica (amu), dove 1 amu era uguale a un dodicesimo della massa di un atomo di carbonio-12. Quando nella seconda metà del XIX secolo, i chimici usarono altri mezzi per approssimare il numero di atomi in un dato volume di gas – quella famosa costante nota come numero di Avogadro – iniziarono a produrre stime approssimative della massa di un singolo atomo pesando il volume dell’intero gas e dividendo per il numero.
La differenza tra peso atomico, massa e numero
Molte persone usano i termini peso e massa in modo intercambiabile, e anche la maggior parte delle bilance offre opzioni in unità come libbre e chilogrammi. E mentre la massa e il peso sono correlati, non sono la stessa cosa. Quando si parla di atomi, molte persone usano il peso atomico e la massa atomica in modo intercambiabile, anche se non sono proprio la stessa cosa.
La massa atomica è definita come il numero di protoni e neutroni in un atomo, dove ogni protone e neutrone ha una massa di circa 1 amu (1,0073 e 1,0087, rispettivamente). Gli elettroni all’interno di un atomo sono così minuscoli rispetto ai protoni e ai neutroni che la loro massa è trascurabile. L’atomo di carbonio-12, che è usato ancora oggi come standard, contiene sei protoni e sei neutroni per una massa atomica di dodici amu. Diversi isotopi dello stesso elemento (stesso elemento con diverse quantità di neutroni) non hanno la stessa massa atomica. Il carbonio-13 ha una massa atomica di 13 amu.
Il peso atomico, a differenza del peso di un oggetto, non ha niente a che fare con la forza di gravità. È un valore senza unità che è un rapporto tra le masse atomiche degli isotopi naturali di un elemento rispetto a quella di un dodicesimo della massa del carbonio-12. Per elementi come il berillio o il fluoro che hanno un solo isotopo presente in natura, la massa atomica è uguale al peso atomico.
Il carbonio ha due isotopi naturali – carbonio-12 e carbonio-13. Le masse atomiche di ciascuno sono 12,0000 e 13,0034, rispettivamente, e conoscendo le loro abbondanze in natura (98,89 e 1,110 per cento, rispettivamente), il peso atomico del carbonio è calcolato per essere circa 12,01. Il peso atomico è molto simile alla massa del carbonio-12 a causa del fatto che la maggior parte del carbonio in natura è costituita dall’isotopo carbonio-12.
Il peso atomico di qualsiasi atomo può essere trovato moltiplicando l’abbondanza di un isotopo di un elemento per la massa atomica dell’elemento e poi sommando i risultati. Questa equazione può essere usata con elementi con due o più isotopi:
- Carbonio-12: 0,9889 x 12,0000 = 11,8668
- Carbonio-13: 0,0111 x 13,0034 = 0,1443
- 11.8668 + 0,1443 = 12,0111 = peso atomico del carbonio
E c’è ancora un terzo valore che viene usato quando si parla di misure relative agli atomi: il numero atomico. Il numero atomico è definito dal numero di protoni in un elemento. Un elemento è definito dal numero di protoni che il nucleo contiene e non ha niente a che vedere con quanti isotopi ha l’elemento. Il carbonio ha sempre un numero atomico di 6 e l’uranio ha sempre un numero atomico di 92.
Informazioni aggiuntive di Rachel Ross, Live Science Contributor.