Actualizare: Acest articol a fost actualizat la 11 septembrie 2017 de Rachel Ross, Live Science Contributor.
Imaginați-vă că puneți un atom pe un cântar. În timp ce faceți acest lucru, celulele pielii care au o grosime de trilioane de atomi se desprind de pe mâna dumneavoastră și zboară în jurul ei, îngropând-o într-o grămadă de dubluri atomice. Între timp, umezeala și particulele atmosferice se împrăștie, ricoșând pe cântar și trimițând acul său sensibil la atomi să se agite înainte și înapoi ca un ștergător de parbriz. Și, apropo, cum ai reușit să izolezi un singur atom în primul rând?
Un moment de gândire arată că nu poți cântări un atom pe un cântar tradițional.
În schimb, fizicienii folosesc de peste un secol un instrument numit spectrometru de masă. Inventat în 1912 de fizicianul J.J. Thomson și îmbunătățit progresiv, acesta funcționează astfel: În primul rând, fizicienii „ionizează” un gaz de atomi trăgând un fascicul de particule asupra gazului, care fie adaugă electroni la atomii din acesta, fie elimină câțiva dintre electronii lor, în funcție de tipul de fascicul de particule utilizat. Acest lucru conferă atomilor – cunoscuți acum sub numele de „ioni” – o sarcină electrică netă negativă sau pozitivă.
În continuare, ionii sunt trimiși printr-un tub în care sunt supuși unor câmpuri electrice și magnetice. Ambele câmpuri exercită o forță asupra ionilor, iar intensitatea celor două forțe este proporțională cu sarcina ionilor (atomii neutri nu simt aceste forțe). Forța electrică face ca ionii să își schimbe viteza, în timp ce forța magnetică le curbează traiectoria.
Ionii sunt apoi colectați de „cupele Faraday” de la capătul tubului, generând un curent în firele atașate la cupe. Măsurând unde și când curentul de ioni lovește cupele Faraday, fizicienii pot determina cât de mult trebuie să fi accelerat, și în ce direcție, ca urmare a forțelor electrice și magnetice. În cele din urmă, prin intermediul celei de-a doua legi a mișcării a lui Newton, F=ma, rearanjată ca m=F/a, fizicienii împart forța totală care acționează asupra ionilor cu accelerația rezultată, pentru a determina masa ionilor.
Masa electronului a fost, de asemenea, determinată cu ajutorul unui spectrometru de masă – în acest caz, electronii au fost pur și simplu trimiși ei înșiși prin instrument. Această măsurătoare le permite fizicienilor să determine masa unui atom atunci când acesta are numărul corect de electroni, mai degrabă decât o lipsă sau un surplus al acestora.
Utilizând un spectrometru de masă, fizicienii au determinat masa unui atom de hidrogen ca fiind de 1,660538921(73) × 10-27 kilograme, unde cifrele din paranteză nu sunt cunoscute cu certitudine deplină. Acest lucru este suficient de precis pentru majoritatea scopurilor.
Vibrații bune
O altă modalitate prin care se poate afla masa unui atom este prin măsurarea frecvenței de vibrație a acestuia și rezolvarea inversă, conform articolului din 2014 al lui Jon R. Pratt din Journal of Measurement Science.
Vibrația unui atom poate fi determinată în câteva moduri, inclusiv prin interferometrie atomică, în care undele atomice sunt divizate în mod coerent și apoi recombinate, potrivit lui Alex Cronin, profesor asociat în cadrul departamentului de fizică de la Universitatea din Arizona; și piepteni de frecvență, care folosesc spectrometria pentru a măsura vibrațiile. Frecvența poate fi apoi folosită împreună cu constanta Planck pentru a afla energia atomului (E = hv, unde h este constanta Planck și v este frecvența). Energia poate fi apoi utilizată cu faimoasa ecuație a lui Einstein, E = mc2, pentru a rezolva masa atomului atunci când aceasta este rearanjată la m = E/c2.
O a treia modalitate de a măsura masa unui atom este descrisă într-un articol din 2012 publicat în Nature Nanotechnology de J. Chaste, et al. Această metodă implică utilizarea nanotuburilor de carbon la temperaturi scăzute și în vid și măsurarea modului în care frecvența de vibrație se modifică în funcție de masa particulelor atașate la acestea. Această scală poate măsura mase de până la un yoctogram, mai puțin decât masa unui singur proton (1,67 yoctograme).
Testul a fost făcut cu un nanotub de carbon de 150 de nanometri suspendat deasupra unui șanț. Nanotubul a fost ciupit ca o coardă de chitară, iar acest lucru a produs o frecvență naturală de vibrație care a fost apoi comparată cu modelele de vibrație atunci când nanotubul a intrat în contact cu alte particule. Cantitatea de masă care se află pe nanotub va schimba frecvența produsă.
Ye olde mass
Ce ziceți de perioada de dinainte de apariția spectrometrelor de masă, când chimiștii nu prea știau ce este un atom? Atunci, ei măsurau în primul rând greutatea atomilor care compuneau diferite elemente în funcție de masele lor relative, mai degrabă decât de masele lor reale. În 1811, omul de știință italian Amedeo Avogadro și-a dat seama că volumul unui gaz (la o presiune și o temperatură date) este proporțional cu numărul de atomi sau molecule care îl compun, indiferent de gazul din care este vorba. Acest fapt util le-a permis chimiștilor să compare greutățile relative ale unor volume egale de gaze diferite pentru a determina masele relative ale atomilor care le compun.
Ei au măsurat greutățile atomice în termeni de unități de masă atomică (amu), unde 1 amu era egal cu a douăsprezecea parte din masa unui atom de carbon-12. Când, în a doua jumătate a secolului al XIX-lea, chimiștii au folosit alte mijloace pentru a aproxima numărul de atomi dintr-un anumit volum de gaz – acea celebră constantă cunoscută sub numele de numărul lui Avogadro – ei au început să producă estimări aproximative ale masei unui singur atom prin cântărirea volumului întregului gaz și împărțirea la numărul.
Diferența dintre greutatea, masa și numărul atomic
Mulți oameni folosesc termenii greutate și masă în mod interschimbabil, și chiar majoritatea cântarelor oferă opțiuni în unități precum lire și kilograme. Și, deși masa și greutatea sunt legate între ele, ele nu sunt același lucru. Atunci când se discută despre atomi, mulți oameni folosesc greutatea atomică și masa atomică în mod interschimbabil, chiar dacă nici acestea nu sunt chiar același lucru.
Masa atomică este definită ca fiind numărul de protoni și neutroni dintr-un atom, unde fiecare proton și neutron are o masă de aproximativ 1 amu (1,0073 și, respectiv, 1,0087). Electronii din cadrul unui atom sunt atât de minusculi în comparație cu protonii și neutronii, încât masa lor este neglijabilă. Atomul de carbon-12, care este folosit și astăzi ca etalon, conține șase protoni și șase neutroni, ceea ce înseamnă o masă atomică de 12 amu. Isotopi diferiți ai aceluiași element (același element cu cantități diferite de neutroni) nu au aceeași masă atomică. Carbonul-13 are o masă atomică de 13 amu.
Masa atomică, spre deosebire de greutatea unui obiect, nu are nimic de-a face cu atracția gravitațională. Este o valoare fără unitate care reprezintă un raport dintre masele atomice ale izotopilor naturali ai unui element în comparație cu cea a unei doisprezecimi din masa carbonului-12. Pentru elemente precum beriliul sau fluorul, care au doar un singur izotop natural, masa atomică este egală cu greutatea atomică.
Carbonul are doi izotopi care apar în mod natural – carbon-12 și carbon-13. Masele atomice ale fiecăruia sunt 12,0000 și, respectiv, 13,0034 și, cunoscând abundența lor în natură (98,89 și, respectiv, 1,110%), se calculează că greutatea atomică a carbonului este de aproximativ 12,01. Greutatea atomică este foarte asemănătoare cu masa carbonului-12 datorită faptului că majoritatea carbonului din natură este formată din izotopul carbon-12.
Greutatea atomică a oricărui atom poate fi găsită prin înmulțirea abundenței unui izotop al unui element cu masa atomică a elementului și apoi prin adunarea rezultatelor. Această ecuație poate fi folosită cu elemente cu doi sau mai mulți izotopi:
- Carbon-12: 0,9889 x 12,0000 = 11,8668
- Carbon-13: 0,0111 x 13,0034 = 0,1443
- 11.8668 + 0,1443 = 12,0111 = greutatea atomică a carbonului
Și mai există încă o a treia valoare care este folosită atunci când se discută despre măsurători legate de atomi: numărul atomic. Numărul atomic este definit de numărul de protoni dintr-un element. Un element este definit de numărul de protoni pe care îl conține nucleul și nu are nicio legătură cu numărul de izotopi pe care îl are elementul. Carbonul are întotdeauna un număr atomic de 6, iar uraniul are întotdeauna un număr atomic de 92.
Raport suplimentar de Rachel Ross, colaborator Live Science.
.