Как узнать вес атома?

Определить вес одного атома должно быть достаточно просто, верно? Нужно просто поместить атом на весы, которые обладают максимальной чувствительностью и все — у нас есть измерения. Между тем, другие атмосферные частицы летая вокруг, будут подпрыгивать на наших весах и отскакивать от них вперед и назад. Все это будет мешать нашим измерениям, верно?

Да, это так. В связи с этим, возникает очень непростой вопрос — а как нам изолировать один атом, чтобы узнать его вес?

Насколько маленький атом?

Всем известно, что все в мире состоит из крошечных частиц, называемых атомами; сам атом состоит из еще более мелких частиц, а именно протонов, нейтронов и электронов. Вы также, наверное, слышали, что атомы очень маленькие, но задумывались ли вы о том, насколько они на самом деле малы?

Чтобы немного лучше понять их размер, давайте рассмотрим яблоко. Предположим, что яблоко состоит только из атомов азота (что неправда, но для уменьшения сложности проблемы, мы примем это). Пусть каждый из этих атомов азота будет размером с чернику. Насколько большое должно тогда быть яблоко?

При таких условиях оно было бы того же размера, что и планета Земля. Это просто безумие, не так ли? Это становится еще более безумным, если вы попытаетесь масштабировать размер субатомных частиц!

В центре атома находится воображаемая сфера, называемая ядром, которая содержит нейтроны и протоны, а снаружи — электроны. Если бы атом был увеличен до размеров футбольного поля, ядро ​​было бы не больше, чем песчинка, находящаяся в самом центре этого поля — не мяч, а песчинка. По краям поля находятся электроны, а все остальное просто пустое пространство (нейтронным звездам есть куда сжиматься).

Теперь, когда мы освоились в микроскопическом мире атомов, как мы сможем наблюдать за такой крошечной вещью, не говоря уже о том, чтобы справиться с ней и взвесить ее даже на самых чувствительных весах?

Ньютон поможем нам в этом. Его второй закон движения, F = ma, где «а» — ускорение тела, имеющего массу «м», когда на него действует сила «F», — основная идея измерения атома. Инструмент, известный как масс-спектрометр, используется для проведения эксперимента.

Работа масс-спектрометра

Первым шагом делается ионизация газа, состоящего из атомов, путем запуска пучка частиц в газе, который либо добавляет электроны к атомам, либо сбивает несколько их электронов, в зависимости от типа используемого пучка частиц. Это дает атомам чистый отрицательный или положительный электрический заряд, и они образуют ионы.

Далее эти ионы пропускаются через трубку, в которой они подвергаются воздействию электрических и магнитных полей. Оба эти поля оказывают силы на ионы. Электрическая сила изменяет скорость ионов, в то время как магнитная сила изгибает их путь.

Затем ионы собираются с помощью чашек Фарадея (металлическая чаша, предназначенная для улавливания заряженных частиц в вакууме) на конце трубки, генерируя ток в проводах, прикрепленных к чашкам. Измеряя, когда и где поток ионов попадает в чашки Фарадея, физики могут определить ускорение и направление ионов под воздействием электрического и магнитного полей.

Наконец, с помощью второго закона движения Ньютона, F = ma, переставленного как m = F / a, вы делите общую силу, действующую на ионы, на их результирующее ускорение, чтобы определить массу ионов. Аналогично мы определяем массу электронов с помощью масс-спектрометра.

Используя масс-спектрометр, физики определили, что масса атома водорода составляет 1,6737236 × 10 ^-27 кг, причем более чем 99,99 % массы сконцентрировано в ядре.

Старый метод

До появления «масс-спектрометра» исследования по физике частиц тоже проводились, но идея атома была очень размытой. В те дни вес атомов, составляющих элемент, измерялся в единицах относительной массы, а не фактической массы.

Итальянский ученый Амедео Авогадро понял, что объем любого газа (при данном давлении и температуре) пропорционален числу атомов или молекул, составляющих его; это был большой прорыв. Это позволило физикам сравнить относительные веса одинаковых объемов различных газов, чтобы определить относительные массы атомов, составляющих их.

Атомные массы измерялись в единицах атомной массы (а.е.м.), где 1 а.е.м. был равен одной двенадцатой массы атома углерода-12. Вскоре после этого появилась знаменитая константа, известная как число Авогадро (6.023 × 10²³).

Это число содержит количество атомов или молекул в одном моль (количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов в 0.012 кг углерода-12.) газа. Это помогло им получить приблизительные оценки массы одного атома путем взвешивания объема всего газа и деления на число Авогадро.