更新：この記事は2017年9月11日にLive Science ContributorのRachel Ross氏によって更新されました。
原子を秤の上にポンと置くことを想像してください。 そうすると、何兆個もの原子の厚さを持つ皮膚細胞が手から剥がれ落ち、その周囲にはらはらと落ちて、原子のドッペルゲンガーの山に埋もれてしまいます。 一方、水分や大気中の粒子は秤の上で跳ね返り、原子を感知する針はワイパーのように往復しています。
少し考えてみると、従来のはかりでは原子の重さを量ることはできないことがわかります。
その代わりに、1世紀以上にわたって物理学者は質量分析計と呼ばれる装置を使用してきました。 1912年に物理学者J.J.トムソンによって発明され、徐々に改良されてきたこの装置は、次のような仕組みになっています。 まず、物理学者は粒子ビームをガスに向けて発射し、原子のガスを「イオン化」する。粒子ビームは、その種類によって、ガス中の原子に電子を付加したり、原子の電子をいくつか打ち落としたりする。
次に、イオンは電場と磁場にさらされる管の中に送られる。 この2つの力の強さはイオンの電荷に比例する（中性原子は力を感じない）。 電場はイオンの速度を変え、磁場はイオンの軌道を曲げる。
その後、イオンは管の端にある「ファラデーカップ」に集められ、カップに取り付けられたワイヤーに電流が発生する。 イオンの流れがいつどこでファラデー・カップにぶつかったかを測定することで、物理学者は、電気力と磁気力の結果として、イオンがどの方向にどれだけ加速されたかを判断することができるのである。 最後に、ニュートンの運動の第二法則 F=ma を m=F/a として並べ替えることにより、物理学者は、イオンに作用する全力をその結果生じた加速度で割って、イオンの質量を決定するのです。
質量分析計を使用して、物理学者は水素原子の質量を 1.660538921(73) × 10-27 kilograms と決定しました（カッコ内の数字は完全に確実なものではありません）。 114>
Good vibrations
原子の質量が求められるもう一つの方法は、Jon R. PrattのJournal of Measurement Scienceでの2014年の論文によると、その振動数を測定して逆算して解くことである。
原子の振動は、アリゾナ大学物理学部のアレックス・クローニン准教授によると、原子波をコヒーレントに分割して後で再結合する原子干渉法、およびスペクトロメトリーを使用して振動を測定する周波数コムなど、いくつかの方法で決定することができるそうです。 この周波数とプランク定数から原子のエネルギーを求めることができる（E = hv、hはプランク定数、vは周波数）。 このエネルギーをアインシュタインの有名な方程式、E = mc2を使って、m = E/c2 に直すと、原子の質量が求まるのです。
原子の質量を測定する第三の方法は、J. ChasteらによってNature Nanotechnologyに2012年に発表された論文で述べられている。この方法は、低温・真空中でカーボンナノチューブを使い、それに付着した粒子の質量によって振動数がどう変化するかを測定するものである。 このスケールでは、陽子1個の質量（1.67ヨクトグラム）よりも小さい1ヨクトグラムまでの質量が測定できる。
テストは、150ナノメートルのカーボンナノチューブを溝の上に吊るして行われた。 ナノチューブをギターの弦のように弾いて固有振動数を出し、ナノチューブが他の粒子と接触したときの振動パターンと比較しました。 ナノチューブの質量によって、発生する周波数が変わります。
Ye olde mass
化学者が原子とは何かについて曖昧だった、質量分析計の時代以前はどうだったでしょうか？ 当時は、元素を構成する原子の重さを、実際の質量ではなく、相対質量で測定することが主流でした。 1811年、イタリアの科学者アメデオ・アヴォガドロは、ある気体（圧力と温度が一定）の体積は、それがどの気体であっても、それを構成する原子や分子の数に比例することに気がついた。 この有用な事実により、化学者は異なる気体の等しい体積の相対的な重さを比較し、それらを構成する原子の相対的な質量を決定することができた
彼らは原子量を原子質量単位（amu）で測定し、1 amuは炭素12原子の質量の1/12に等しかった。 19 世紀後半、化学者たちが、与えられた気体の体積に含まれる原子の数、つまりアボガドロ数として知られる有名な定数を推定するために別の手段を用いたとき、気体全体の体積を量り、その数で割って、単一の原子の質量の概算値を出すようになったのです」
原子量、質量、数の違い
多くの人は重さと質量という言葉を同じように使っていて、ほとんどの体重計でもポンドとキログラムなどの単位を選択できる。 また、質量と重さは関係がありますが、同じものではありません。 原子について議論するとき、多くの人は原子量と原子質量を同じように使いますが、どちらもまったく同じものではありません。
原子質量は原子中の陽子と中性子の数として定義され、それぞれの陽子と中性子の質量は約 1 amu（それぞれ 1.0073 と 1.0087 ）です。 原子の中にある電子は、陽子や中性子に比べて非常に小さいので、その質量は無視できるほど小さい。 現在も標準的に使われている炭素12原子は、陽子6個、中性子6個を含み、原子質量は12amuである。 同じ元素の異なる同位体（同じ元素で中性子の量が異なる）は、同じ原子量にはならない。 炭素13の原子質量は13amuである。
原子質量は、物体の重さとは異なり、重力の引力とは関係がない。 原子量とは、ある元素の自然界に存在する同位体の原子量を、炭素12の12分の1の原子量と比較した、単位のない値である。 ベリリウムやフッ素のように天然に存在する同位体が1つしかない元素の場合、原子質量は原子量と等しくなる。
炭素には、炭素12と炭素13という2つの自然発生同位体がある。 それぞれの原子質量は12.0000と13.0034で、自然界での存在量（それぞれ98.89%と1.110%）を知ると、炭素の原子量は約12.01と算出されます。 自然界の炭素の大部分は炭素12の同位体でできているため、この原子量は炭素12の質量と非常によく似ています。
任意の原子の原子量は、元素の同位体の存在量にその元素の原子量を掛け、その結果を足すことによって求めることができます。 この式は同位体が2つ以上ある元素に使えます。
- 炭素12: 0.9889 x 12.0000 = 11.8668
- 炭素13: 0.0111 x 13.0034 = 0.1443
- 11.同位体が2つ以上ある元素に使用されます。8668 + 0.1443 = 12.0111 = 炭素の原子量
そして、原子に関する計測を論じるときに使われる第三の値として、原子番号がまだあります。 原子番号は、元素に含まれる陽子の数で定義されます。 元素は原子核が含む陽子の数で定義され、その元素がいくつの同位体を持つかには関係ありません。 炭素の原子番号は常に6であり、ウランの原子番号は常に92です。