อัปเดต:บทความนี้ได้รับการปรับปรุงเมื่อวันที่ 11 กันยายน 2017 โดย Rachel Ross ผู้สนับสนุนวิทยาศาสตร์สด
ลองนึกภาพการวางอะตอมลงในระดับ ในขณะที่คุณทำเช่นนั้นเซลล์ผิวหนังที่มีละอองของอะตอมนั้นมีความหนาเป็นล้าน ๆ ในขณะเดียวกันอนุภาคความชื้นและชั้นบรรยากาศก็ถ่ายทำขึ้นและออกจากเครื่องชั่งและส่งเข็มที่ไวต่ออะตอมไปมาเหมือนที่ปัดน้ำฝน และโดยวิธีการที่คุณจัดการเพื่อแยกเดี่ยวได้อย่างไรอะตอมในตอนแรก?
ความคิดของช่วงเวลาหนึ่งแสดงให้เห็นว่าคุณไม่สามารถชั่งน้ำหนักอะตอมในระดับดั้งเดิมได้
นักฟิสิกส์มานานกว่าศตวรรษได้ใช้เครื่องมือที่เรียกว่าเครื่องสเปกโตรมิเตอร์มวล คิดค้นขึ้นในปี 1912 โดยนักฟิสิกส์ JJ Thomson และปรับปรุงเพิ่มขึ้นมันทำงานเช่นนี้: ครั้งแรกนักฟิสิกส์ "ไอออน" ก๊าซของอะตอมโดยการยิงคานของอนุภาคที่ก๊าซซึ่งเพิ่มอิเล็กตรอนลงในอะตอมในมัน สิ่งนี้ทำให้อะตอม - ปัจจุบันรู้จักกันในชื่อ "ไอออน" - ประจุไฟฟ้าลบหรือค่าไฟฟ้าเชิงบวกสุทธิ
ถัดไปไอออนจะถูกส่งผ่านหลอดที่อยู่ภายใต้สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก ทั้งสองฟิลด์นี้ออกแรงบังคับกับไอออนและจุดแข็งของแรงทั้งสองนั้นเป็นสัดส่วนกับประจุของไอออน (อะตอมที่เป็นกลางไม่รู้สึกถึงแรง) แรงไฟฟ้าทำให้ไอออนเปลี่ยนความเร็วในขณะที่แรงแม่เหล็กโค้งงอเส้นทางของพวกเขา
จากนั้นไอออนจะถูกรวบรวมโดย "Faraday Cups" ในตอนท้ายของหลอดทำให้เกิดกระแสในสายไฟที่ติดอยู่กับถ้วย โดยการวัดว่าที่ใดและเมื่อกระแสของไอออนกระทบถ้วยฟาราเดย์นักฟิสิกส์สามารถกำหนดจำนวนพวกเขาจะต้องเร่งความเร็วและในทิศทางใดอันเป็นผลมาจากแรงไฟฟ้าและแม่เหล็ก สุดท้ายโดยวิธีกฎข้อที่สองของนิวตัน, f = ma, จัดเรียงใหม่เป็น m = f/a, นักฟิสิกส์แบ่งแรงทั้งหมดที่ทำหน้าที่ในไอออนโดยการเร่งความเร็วที่เกิดขึ้นเพื่อกำหนดมวลของไอออน
มวลของอิเล็กตรอนได้รับการพิจารณาโดยใช้เครื่องสเปกโตรมิเตอร์มวล - ในกรณีนั้นอิเล็กตรอนก็ถูกส่งผ่านเครื่องมือเอง การวัดดังกล่าวช่วยให้นักฟิสิกส์สามารถกำหนดมวลของอะตอมเมื่อมีจำนวนอิเล็กตรอนที่ถูกต้องมากกว่าที่จะขาดหรือส่วนเกินของพวกเขา
นักฟิสิกส์ได้กำหนดมวลของอะตอมไฮโดรเจนเป็น 1.660538921 (73) × 10-27กิโลกรัมที่ตัวเลขหลักไม่เป็นที่รู้จัก นั่นถูกต้องเพียงพอสำหรับจุดประสงค์ส่วนใหญ่
การสั่นสะเทือนที่ดี
อีกวิธีหนึ่งที่มวลของอะตอมสามารถพบได้คือการวัดความถี่การสั่นสะเทือนและการแก้หลังตามJon R. Pratt 2014บทความในวารสารวิทยาศาสตร์การวัด
การสั่นสะเทือนของอะตอมสามารถกำหนดได้สองสามวิธีรวมถึงอะตอม interferometryซึ่งคลื่นปรมาณูถูกแยกอย่างต่อเนื่องและรวมตัวกันอีกครั้งตามที่ Alex Cronin รองศาสตราจารย์ในภาควิชาฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยแอริโซนา; และหวีความถี่ซึ่งใช้สเปกโตรเมตรีเพื่อวัดการสั่นสะเทือน ความถี่สามารถใช้กับค่าคงที่ของพลังค์เพื่อค้นหาพลังงานของอะตอม (E = HV โดยที่ H คือค่าคงที่พลังค์และ V คือความถี่) พลังงานสามารถใช้กับสมการที่มีชื่อเสียงของ Einstein, E = MC2เพื่อแก้ปัญหามวลของอะตอมเมื่อจัดเรียงใหม่เป็น m = e/c2-
วิธีที่สามในการวัดมวลของอะตอมอธิบายไว้ในบทความ 2012 ที่ตีพิมพ์ในนาโนเทคโนโลยีธรรมชาติโดย J. Chaste, et al. วิธีนี้เกี่ยวข้องกับการใช้ท่อนาโนคาร์บอนที่อุณหภูมิต่ำและในสุญญากาศและวัดว่าความถี่การสั่นสะเทือนเปลี่ยนแปลงอย่างไรขึ้นอยู่กับมวลของอนุภาคที่ติดอยู่ สเกลนี้สามารถวัดมวลลงไปที่หนึ่ง yoctogram น้อยกว่ามวลของโปรตอนเดี่ยว (1.67 yoctograms)
การทดสอบด้วยท่อนาโนคาร์บอน 150 นาโนเมตรที่แขวนอยู่เหนือร่องลึก ท่อนาโนถูกดึงออกมาเหมือนสายกีต้าร์และสิ่งนี้ทำให้เกิดความถี่การสั่นสะเทือนตามธรรมชาติที่ถูกเปรียบเทียบกับรูปแบบการสั่นสะเทือนเมื่อท่อนาโนสัมผัสกับอนุภาคอื่น ๆ ปริมาณมวลที่อยู่บนท่อนาโนจะเปลี่ยนความถี่ที่ผลิต
Ye Olde Mass
ก่อนวันที่สเปกโตรมิเตอร์มวลชนเมื่อนักเคมีฟัซซี่เกี่ยวกับอะตอมที่เป็นอย่างไร จากนั้นพวกเขาส่วนใหญ่วัดน้ำหนักของอะตอมที่ประกอบด้วยองค์ประกอบต่าง ๆ ในแง่ของมวลสัมพัทธ์ของพวกเขามากกว่ามวลที่แท้จริงของพวกเขา ในปี ค.ศ. 1811 นักวิทยาศาสตร์ชาวอิตาลี Amedeo Avogadro ตระหนักว่าปริมาตรของก๊าซ (ที่ความดันและอุณหภูมิที่กำหนด) เป็นสัดส่วนกับจำนวนอะตอมหรือโมเลกุลที่เขียนโดยไม่คำนึงถึงก๊าซใด ข้อเท็จจริงที่เป็นประโยชน์นี้อนุญาตให้นักเคมีสามารถเปรียบเทียบน้ำหนักสัมพัทธ์ของปริมาณที่เท่ากันของก๊าซที่แตกต่างกันเพื่อกำหนดมวลสัมพัทธ์ของอะตอมที่เขียน
พวกเขาวัดน้ำหนักอะตอมในแง่ของหน่วยมวลอะตอม (AMU) ซึ่ง 1 Amu เท่ากับหนึ่งในสองของมวลของอะตอมคาร์บอน -12 เมื่อในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 19 นักเคมีใช้วิธีอื่นในการประมาณจำนวนอะตอมในปริมาณก๊าซที่กำหนด - ค่าคงที่ที่มีชื่อเสียงที่รู้จักกันในชื่อของ Avogadro - พวกเขาเริ่มผลิตประมาณการมวลของอะตอมเดี่ยวโดยการชั่งน้ำหนักปริมาณก๊าซทั้งหมดและหารด้วยจำนวน
ความแตกต่างระหว่างน้ำหนักอะตอมมวลและจำนวน
หลายคนใช้คำศัพท์ที่มีน้ำหนักและการสลับกันมากและแม้แต่เครื่องชั่งส่วนใหญ่ก็มีตัวเลือกในหน่วยเช่นปอนด์และกิโลกรัม และในขณะที่มวลและน้ำหนักมีความสัมพันธ์กัน แต่ก็ไม่เหมือนกัน เมื่อพูดถึงอะตอมหลายคนใช้น้ำหนักอะตอมและมวลอะตอมแทนได้แม้ว่าพวกเขาจะไม่เหมือนกัน
มวลอะตอมถูกกำหนดให้เป็นจำนวนโปรตอนและนิวตรอนในอะตอมที่โปรตอนและนิวตรอนแต่ละตัวมีมวลประมาณ 1 อามู (1.0073 และ 1.0087 ตามลำดับ) อิเล็กตรอนภายในอะตอมนั้นมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับโปรตอนและนิวตรอนว่ามวลของพวกเขานั้นเล็กน้อย อะตอมคาร์บอน -12 ซึ่งยังคงใช้เป็นมาตรฐานในปัจจุบันมีโปรตอนหกตัวและนิวตรอนหกตัวสำหรับมวลอะตอมของสิบสองอามู ไอโซโทปที่แตกต่างกันขององค์ประกอบเดียวกัน (องค์ประกอบเดียวกันที่มีปริมาณนิวตรอนต่างกัน) ไม่มีมวลอะตอมเดียวกัน คาร์บอน -13 มีมวลอะตอม 13 อามู
น้ำหนักอะตอมซึ่งแตกต่างจากน้ำหนักของวัตถุไม่มีอะไรเกี่ยวข้องกับแรงโน้มถ่วง มันเป็นค่าที่ไม่มีหน่วยซึ่งเป็นอัตราส่วนของมวลอะตอมของไอโซโทปที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติขององค์ประกอบเมื่อเทียบกับมวลของคาร์บอน -12 สำหรับองค์ประกอบต่าง ๆ เช่นเบริลเลียมหรือฟลูออรีนที่มีไอโซโทปที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติเพียงอันเดียวมวลอะตอมจะเท่ากับน้ำหนักอะตอม
คาร์บอนมีไอโซโทปที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติสองตัวคือคาร์บอน -12 และคาร์บอน -13 มวลอะตอมของแต่ละคนคือ 12.0000 และ 13.0034 ตามลำดับและรู้ถึงความอุดมสมบูรณ์ของพวกเขาในธรรมชาติ (98.89 และ 1.110 เปอร์เซ็นต์ตามลำดับ) น้ำหนักอะตอมของคาร์บอนคำนวณได้ประมาณ 12.01 น้ำหนักอะตอมนั้นคล้ายกับมวลของคาร์บอน -12 เนื่องจากคาร์บอนส่วนใหญ่ในธรรมชาติที่ทำจากไอโซโทปคาร์บอน -12
น้ำหนักอะตอมของอะตอมใด ๆ สามารถพบได้โดยการคูณความอุดมสมบูรณ์ของไอโซโทปขององค์ประกอบโดยมวลอะตอมขององค์ประกอบแล้วเพิ่มผลลัพธ์เข้าด้วยกัน สมการนี้สามารถใช้กับองค์ประกอบที่มีไอโซโทปสองตัวขึ้นไป:
- คาร์บอน -12: 0.9889 x 12.0000 = 11.8668
- คาร์บอน -13: 0.0111 x 13.0034 = 0.1443
- 11.8668 + 0.1443 = 12.0111 = น้ำหนักอะตอมของคาร์บอน
และยังมีค่าที่สามที่ใช้เมื่อพูดถึงการวัดที่เกี่ยวข้องกับอะตอม: จำนวนอะตอม หมายเลขอะตอมถูกกำหนดโดยจำนวนโปรตอนในองค์ประกอบ องค์ประกอบถูกกำหนดโดยจำนวนโปรตอนนิวเคลียสที่มีและไม่มีอะไรเกี่ยวข้องกับจำนวนไอโซโทปที่มีองค์ประกอบ คาร์บอนมักจะมีจำนวนอะตอม 6 และยูเรเนียมมักจะมีจำนวนอะตอม 92
การรายงานเพิ่มเติมโดย Rachel Ross ผู้สนับสนุนวิทยาศาสตร์สด
ทรัพยากรเพิ่มเติม
