Aktualisierung: Dieser Artikel wurde am 11. September 2017 von Rachel Ross, Live Science Contributor, aktualisiert.
Stellen Sie sich vor, Sie legen ein Atom auf eine Waage. Dabei lösen sich Hautzellen, die Billionen von Atomen dick sind, von der Hand und flattern rundherum herunter und begraben sie unter einem Haufen atomarer Doppelgänger. In der Zwischenzeit schießen Feuchtigkeit und atmosphärische Partikel umher, prallen an der Waage ab und lassen deren atomar empfindliche Nadel wie einen Scheibenwischer hin und her peitschen. Und übrigens, wie haben Sie es überhaupt geschafft, ein einzelnes Atom zu isolieren?
Ein kurzer Gedanke zeigt, dass man ein Atom nicht auf einer herkömmlichen Waage wiegen kann.
Stattdessen verwenden Physiker seit über einem Jahrhundert ein Instrument namens Massenspektrometer. Es wurde 1912 von dem Physiker J.J. Thomson erfunden und schrittweise verbessert und funktioniert folgendermaßen: Zunächst „ionisieren“ die Physiker ein Gas mit Atomen, indem sie einen Teilchenstrahl auf das Gas schießen, der je nach Art des verwendeten Teilchenstrahls den Atomen entweder Elektronen hinzufügt oder ein paar ihrer Elektronen herausschlägt. Dadurch erhalten die Atome – jetzt „Ionen“ genannt – eine negative oder positive elektrische Nettoladung.
Anschließend werden die Ionen durch eine Röhre geschickt, in der sie elektrischen und magnetischen Feldern ausgesetzt sind. Beide Felder üben eine Kraft auf die Ionen aus, und die Stärke der beiden Kräfte ist proportional zur Ladung der Ionen (neutrale Atome spüren die Kräfte nicht). Die elektrische Kraft bewirkt, dass die Ionen ihre Geschwindigkeit ändern, während die magnetische Kraft ihren Weg krümmt.
Die Ionen werden dann von „Faradayschen Bechern“ am Ende der Röhre aufgefangen und erzeugen einen Strom in den an den Bechern befestigten Drähten. Indem die Physiker messen, wo und wann der Ionenstrom auf die Faradayschen Becher trifft, können sie feststellen, wie stark und in welche Richtung die Ionen aufgrund der elektrischen und magnetischen Kräfte beschleunigt wurden. Über das zweite Newtonsche Bewegungsgesetz F=ma, umgestellt auf m=F/a, dividieren die Physiker schließlich die Gesamtkraft, die auf die Ionen wirkt, durch die resultierende Beschleunigung, um die Masse der Ionen zu bestimmen.
Die Masse des Elektrons wurde auch mit einem Massenspektrometer bestimmt – in diesem Fall wurden die Elektronen einfach durch das Gerät geschickt. Diese Messung ermöglicht es den Physikern, die Masse eines Atoms zu bestimmen, wenn es die richtige Anzahl von Elektronen hat und nicht einen Mangel oder einen Überschuss an Elektronen.
Mit einem Massenspektrometer haben Physiker die Masse eines Wasserstoffatoms mit 1,660538921(73) × 10-27 Kilogramm bestimmt, wobei die Zahlen in Klammern nicht mit absoluter Sicherheit bekannt sind. Das ist für die meisten Zwecke genau genug.
Gute Schwingungen
Eine weitere Möglichkeit, die Masse eines Atoms zu bestimmen, ist die Messung seiner Schwingungsfrequenz und die Rückwärtsrechnung, wie Jon R. Pratt 2014 in einem Artikel im Journal of Measurement Science schreibt.
Die Schwingung eines Atoms kann auf verschiedene Weise bestimmt werden, z. B. durch Atominterferometrie, bei der Atomwellen kohärent aufgespalten und später wieder zusammengeführt werden, so Alex Cronin, außerordentlicher Professor am Fachbereich Physik der Universität von Arizona, und durch Frequenzkämme, die die Spektrometrie zur Messung von Schwingungen nutzen. Die Frequenz kann dann mit der Planck-Konstante verwendet werden, um die Energie des Atoms zu ermitteln (E = hv, wobei h die Planck-Konstante und v die Frequenz ist). Die Energie kann dann mit Einsteins berühmter Gleichung E = mc2 verwendet werden, um die Masse des Atoms zu bestimmen, wenn man sie zu m = E/c2 umformt.
Eine dritte Möglichkeit, die Masse eines Atoms zu messen, wird in einem 2012 in Nature Nanotechnology veröffentlichten Artikel von J. Chaste et al. beschrieben. Bei dieser Methode werden Kohlenstoff-Nanoröhren bei niedrigen Temperaturen und im Vakuum verwendet und gemessen, wie sich die Schwingungsfrequenz in Abhängigkeit von der Masse der an ihnen befestigten Teilchen ändert. Mit dieser Skala können Massen bis zu einem Yoktogramm gemessen werden, was weniger ist als die Masse eines einzelnen Protons (1,67 Yoktogramm).
Der Test wurde mit einem 150-Nanometer-Kohlenstoffnanoröhrchen durchgeführt, das über einem Graben hing. Das Nanoröhrchen wurde wie eine Gitarrensaite gezupft, wodurch eine Eigenschwingungsfrequenz erzeugt wurde, die dann mit den Schwingungsmustern verglichen wurde, wenn das Nanoröhrchen mit anderen Teilchen in Kontakt kam. Je nachdem, wie viel Masse sich auf dem Nanoröhrchen befindet, ändert sich die erzeugte Frequenz.
Die alte Masse
Wie war das vor der Zeit der Massenspektrometer, als die Chemiker noch nicht genau wussten, was ein Atom überhaupt ist? Damals wurden die Gewichte der Atome, aus denen sich die verschiedenen Elemente zusammensetzten, in erster Linie anhand ihrer relativen Masse und nicht anhand ihrer tatsächlichen Masse gemessen. Im Jahr 1811 erkannte der italienische Wissenschaftler Amedeo Avogadro, dass das Volumen eines Gases (bei einem bestimmten Druck und einer bestimmten Temperatur) proportional zur Anzahl der Atome oder Moleküle ist, aus denen es besteht, unabhängig davon, um welches Gas es sich handelt. Diese nützliche Tatsache ermöglichte es den Chemikern, die relativen Gewichte gleicher Volumina verschiedener Gase zu vergleichen, um die relativen Massen der Atome zu bestimmen, aus denen sie bestehen.
Sie maßen die Atomgewichte in atomaren Masseneinheiten (amu), wobei 1 amu einem Zwölftel der Masse eines Kohlenstoff-12-Atoms entsprach. Als die Chemiker in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts andere Mittel einsetzten, um die Anzahl der Atome in einem bestimmten Gasvolumen zu bestimmen – die berühmte Konstante, die als Avogadro-Zahl bekannt ist -, begannen sie, die Masse eines einzelnen Atoms grob zu schätzen, indem sie das Volumen des gesamten Gases wogen und durch die Zahl teilten.
Der Unterschied zwischen Atomgewicht, Masse und Anzahl
Viele Menschen verwenden die Begriffe Gewicht und Masse synonym, und sogar die meisten Waagen bieten Optionen in Einheiten wie Pfund und Kilogramm an. Masse und Gewicht sind zwar miteinander verwandt, aber sie sind nicht dasselbe. Wenn von Atomen die Rede ist, verwenden viele Leute die Begriffe Atomgewicht und Atommasse synonym, obwohl sie auch nicht ganz dasselbe sind.
Die Atommasse ist definiert als die Anzahl der Protonen und Neutronen in einem Atom, wobei jedes Proton und Neutron eine Masse von etwa 1 amu (1,0073 bzw. 1,0087) hat. Die Elektronen innerhalb eines Atoms sind im Vergleich zu Protonen und Neutronen so winzig, dass ihre Masse vernachlässigbar ist. Das Kohlenstoff-12-Atom, das auch heute noch als Standard verwendet wird, enthält sechs Protonen und sechs Neutronen und hat eine Atommasse von zwölf amu. Verschiedene Isotope desselben Elements (dasselbe Element mit unterschiedlichen Mengen an Neutronen) haben nicht dieselbe Atommasse. Kohlenstoff-13 hat eine Atommasse von 13 amu.
Das Atomgewicht hat, anders als das Gewicht eines Gegenstands, nichts mit der Schwerkraft zu tun. Es ist ein einheitenloser Wert, der das Verhältnis der Atommassen der natürlich vorkommenden Isotope eines Elements im Vergleich zu einem Zwölftel der Masse von Kohlenstoff-12 angibt. Für Elemente wie Beryllium oder Fluor, die nur ein natürlich vorkommendes Isotop haben, ist die Atommasse gleich dem Atomgewicht.
Kohlenstoff hat zwei natürlich vorkommende Isotope – Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-13. Die Atommassen der beiden Isotope sind 12,0000 bzw. 13,0034, und wenn man weiß, wie häufig sie in der Natur vorkommen (98,89 bzw. 1,110 Prozent), errechnet sich das Atomgewicht von Kohlenstoff auf etwa 12,01. Das Atomgewicht ist der Masse von Kohlenstoff-12 sehr ähnlich, da der Großteil des Kohlenstoffs in der Natur aus dem Kohlenstoff-12-Isotop besteht.
Das Atomgewicht eines jeden Atoms lässt sich ermitteln, indem man die Häufigkeit eines Isotops eines Elements mit der Atommasse des Elements multipliziert und dann die Ergebnisse addiert. Diese Gleichung kann für Elemente mit zwei oder mehr Isotopen verwendet werden:
- Kohlenstoff-12: 0,9889 x 12,0000 = 11,8668
- Kohlenstoff-13: 0,0111 x 13,0034 = 0,1443
- 11.8668 + 0,1443 = 12,0111 = Atomgewicht von Kohlenstoff
Und es gibt noch einen dritten Wert, der verwendet wird, wenn man über Messungen im Zusammenhang mit Atomen spricht: die Ordnungszahl. Die Ordnungszahl wird durch die Anzahl der Protonen in einem Element definiert. Ein Element wird durch die Anzahl der Protonen im Atomkern definiert und hat nichts damit zu tun, wie viele Isotope das Element hat. Kohlenstoff hat immer eine Ordnungszahl von 6 und Uran hat immer eine Ordnungszahl von 92.
Zusätzliche Informationen von Rachel Ross, Live Science Contributor.