Update: Ten artykuł został zaktualizowany 11 września 2017 przez Rachel Ross, Live Science Contributor.
Wyobraź sobie, że stawiasz atom na wadze. Gdy to robisz, komórki skóry, które mają grubość bilionów atomów, łuszczą się z twojej ręki i trzepoczą wokół niej, grzebiąc ją w stosie atomowych doppelgangerów. W międzyczasie wilgoć i cząsteczki atmosferyczne wystrzeliwują dookoła, odbijając się od wagi i wysyłając jej wrażliwą na atomy igłę w przód i w tył, jak wycieraczka przedniej szyby. A tak przy okazji, jak udało ci się wyizolować pojedynczy atom?
Chwila zastanowienia pokazuje, że nie można zważyć atomu na tradycyjnej wadze.
W zamian fizycy od ponad wieku używają instrumentu zwanego spektrometrem mas. Wynaleziony w 1912 roku przez fizyka J.J. Thomsona i stopniowo udoskonalany, działa on w następujący sposób: Najpierw fizycy „jonizują” gaz z atomami, wystrzeliwując w niego wiązkę cząstek, która albo dodaje elektrony do znajdujących się w nim atomów, albo odrzuca kilka ich elektronów, w zależności od rodzaju użytej wiązki cząstek. To daje atomom – znanym teraz jako „jony” – ujemny lub dodatni ładunek elektryczny netto.
Następnie, jony są przesyłane przez rurkę, w której są poddawane działaniu pola elektrycznego i magnetycznego. Oba te pola wywierają siłę na jony, a siły tych dwóch sił są proporcjonalne do ładunku jonów (neutralne atomy nie odczuwają tych sił). Siła elektryczna powoduje, że jony zmieniają prędkość, podczas gdy siła magnetyczna zakrzywia ich drogę.
Jony są następnie zbierane przez „kubki Faradaya” na końcu rury, generując prąd w przewodach przymocowanych do kubków. Mierząc, gdzie i kiedy strumień jonów uderza w kubki Faradaya, fizycy mogą określić, jak bardzo musiały one przyspieszyć i w jakim kierunku, w wyniku działania sił elektrycznych i magnetycznych. Wreszcie, za pomocą drugiego prawa ruchu Newtona, F=ma, przekształconego w m=F/a, fizycy dzielą całkowitą siłę działającą na jony przez ich przyspieszenie, aby wyznaczyć masę jonów.
Masa elektronu została również wyznaczona za pomocą spektrometru masowego – w tym przypadku elektrony zostały po prostu same przepuszczone przez przyrząd. Taki pomiar pozwala fizykom określić masę atomu, gdy ma on właściwą liczbę elektronów, a nie ich niedobór lub nadmiar.
Przy użyciu spektrometru masowego fizycy określili masę atomu wodoru na 1,660538921(73) × 10-27 kilograma, gdzie cyfry nawiasowe nie są znane z całkowitą pewnością. Jest to wystarczająco dokładne dla większości celów.
Dobre wibracje
Innym sposobem, w jaki można znaleźć masę atomu, jest pomiar częstotliwości jego wibracji i rozwiązanie wstecz, zgodnie z artykułem Jona R. Pratta z 2014 r. w Journal of Measurement Science.
Wibracja atomu może być określona na kilka sposobów, w tym interferometria atomowa, w której fale atomowe są spójnie rozdzielane, a później ponownie łączone, według Alexa Cronina, profesora nadzwyczajnego w dziale fizyki na Uniwersytecie w Arizonie; i grzebienie częstotliwości, które wykorzystują spektrometrię do pomiaru wibracji. Częstotliwość może być następnie użyta wraz ze stałą Plancka, aby znaleźć energię atomu (E = hv, gdzie h jest stałą Plancka, a v jest częstotliwością). Energia może być następnie użyta ze słynnym równaniem Einsteina, E = mc2, aby rozwiązać kwestię masy atomu, gdy zostanie ono przekształcone na m = E/c2.
Trzeci sposób pomiaru masy atomu opisany jest w artykule z 2012 roku opublikowanym w Nature Nanotechnology przez J. Chaste, et al. Metoda ta polega na użyciu nanorurek węglowych w niskich temperaturach i w próżni oraz pomiarze jak zmienia się częstotliwość drgań w zależności od masy cząsteczek do nich przymocowanych. Skala ta może mierzyć masy do jednego joktogramu, czyli mniej niż masa pojedynczego protonu (1,67 joktogramu).
Test przeprowadzono na 150-nanometrowej nanorurce węglowej zawieszonej nad rowem. Nanorurka była szarpana jak struna gitarowa, a to wytwarzało częstotliwość drgań własnych, które następnie porównywano z wzorcami drgań, gdy nanorurka stykała się z innymi cząsteczkami. Ilość masy, która jest na nanorurce zmieni częstotliwość, która jest produkowana.
Ye olde masa
Co z przed dni spektrometrów masowych, kiedy chemicy byli niewyraźne o co atom nawet był? Wtedy przede wszystkim mierzyli masę atomów, które składały się na różne pierwiastki, pod względem ich mas względnych, a nie rzeczywistych. W 1811 r. włoski naukowiec Amedeo Avogadro zdał sobie sprawę, że objętość gazu (przy danym ciśnieniu i temperaturze) jest proporcjonalna do liczby atomów lub cząsteczek wchodzących w jego skład, niezależnie od tego, jaki to był gaz. Ten użyteczny fakt pozwolił chemikom porównywać względne masy równych objętości różnych gazów w celu określenia względnych mas atomów wchodzących w ich skład.
Mierzyli oni masy atomowe w jednostkach masy atomowej (amu), gdzie 1 amu był równy jednej dwunastej masy atomu węgla-12. Kiedy w drugiej połowie XIX wieku chemicy użyli innych środków do przybliżonego określenia liczby atomów w danej objętości gazu – tej słynnej stałej znanej jako liczba Avogadro – zaczęli produkować przybliżone szacunki masy pojedynczego atomu poprzez ważenie objętości całego gazu i dzielenie przez tę liczbę.
Różnica między masą atomową, masą i liczbą
Wiele osób używa terminów waga i masa zamiennie, a nawet większość wag oferuje opcje w jednostkach takich jak funty i kilogramy. I chociaż masa i ciężar są powiązane, nie są tym samym. Podczas dyskusji o atomach, wiele osób używa zamiennie masy atomowej i masy atomowej, mimo że nie są one całkiem tym samym.
Masa atomowa jest zdefiniowana jako liczba protonów i neutronów w atomie, gdzie każdy proton i neutron ma masę około 1 amu (odpowiednio 1.0073 i 1.0087). Elektrony w atomie są tak małe w porównaniu z protonami i neutronami, że ich masa jest pomijalna. Atom węgla-12, który do dziś jest używany jako wzorzec, zawiera sześć protonów i sześć neutronów, a jego masa atomowa wynosi dwanaście amu. Różne izotopy tego samego pierwiastka (ten sam pierwiastek z różną ilością neutronów) nie mają tej samej masy atomowej. Węgiel-13 ma masę atomową 13 amu.
Masa atomowa, w przeciwieństwie do ciężaru obiektu, nie ma nic wspólnego z siłą przyciągania grawitacyjnego. Jest to wartość bez jednostki, która jest stosunkiem mas atomowych naturalnie występujących izotopów pierwiastka w porównaniu z masą jednej dwunastej masy węgla-12. Dla pierwiastków takich jak beryl lub fluor, które mają tylko jeden naturalnie występujący izotop, masa atomowa jest równa masie atomowej.
Węgiel ma dwa naturalnie występujące izotopy – węgiel-12 i węgiel-13. Masy atomowe każdego z nich to odpowiednio 12,0000 i 13,0034, a znając ich obfitość w przyrodzie (odpowiednio 98,89 i 1,110 procent), masę atomową węgla oblicza się na około 12,01. Masa atomowa jest bardzo podobna do masy węgla-12 ze względu na większość węgla w przyrodzie jest wykonana z izotopu węgla-12.
Waga atomowa każdego atomu może być znaleziona przez pomnożenie obfitości izotopu pierwiastka przez masę atomową pierwiastka, a następnie dodanie wyników razem. Równanie to może być stosowane do pierwiastków z dwoma lub więcej izotopami:
- Węgiel-12: 0,9889 x 12,0000 = 11,8668
- Węgiel-13: 0,0111 x 13,0034 = 0,1443
- 11.8668 + 0.1443 = 12.0111 = masa atomowa węgla
I jest jeszcze trzecia wartość, która jest używana przy omawianiu pomiarów związanych z atomami: liczba atomowa. Liczba atomowa jest definiowana przez liczbę protonów w pierwiastku. Pierwiastek jest zdefiniowany przez liczbę protonów, które zawiera jego jądro i nie ma nic wspólnego z tym, ile izotopów ma dany pierwiastek. Węgiel zawsze ma liczbę atomową 6, a uran zawsze ma liczbę atomową 92.
Dodatkowa relacja autorstwa Rachel Ross, Live Science Contributor.