Hvordan Vejer Du Et Atom?

{h1}

Du kan ikke bruge en skala, men der er en anden metode til at veje et atom.

Opdatering: Denne artikel blev opdateret den 11. september 2017 af Rachel Ross, WordsSideKick.com Bidragyder.

Forestil dig at ploppe et atom ned på en skala. Som det gør du, hudceller, der er trillioner af atomer, tyk flager ud af din hånd og fladder ned rundt omkring det og begraver det i en bunke af atomdoppelgangere. I mellemtiden skyder fugt og atmosfæriske partikler om, hopper på og uden for skalaen og sender dens atomfølsomme nålepiskning frem og tilbage som en vindrudevisker. Og forresten, hvordan lykkedes det at isolere et enkelt atom i første omgang?

Et øjebliks tanke viser, at du ikke kan veje et atom i traditionel skala.

I stedet har fysikere i over et århundrede brugt et instrument kaldet et massespektrometer. Opfundet i 1912 af fysiker J.J. Thomson og forbedret inkrementalt virker det som sådan: For det første ioniserer fysikere en atomer af atomer ved at affyre en partikelstråle ved gassen, som enten tilføjer elektroner til atomerne i det eller baner nogle få af deres elektroner af, afhængigt af hvilken type partikelstråle der anvendes. Dette giver atomerne - nu kendt som "ioner" - en netto negativ eller positiv elektrisk ladning.

Derefter sendes ionerne gennem et rør, hvor de udsættes for elektriske og magnetiske felter. Begge disse felter udøver en kraft på ionerne, og styrken af ​​de to kræfter er proportional med ionernes ladning (neutrale atomer føler ikke kræfterne). Den elektriske kraft gør ionerne til at ændre hastigheden, mens den magnetiske kraft bøjer deres vej.

Ionerne opsamles derefter af "Faraday-kopper" i enden af ​​røret, der genererer en strøm i ledninger, der er fastgjort til kopperne. Ved at måle hvor og hvornår strømmen af ​​ioner rammer Faraday-kopperne, kan fysikerne bestemme, hvor meget de skal have accelereret, og i hvilken retning som følge af de elektriske og magnetiske kræfter. Endelig fordeler fysikerne ved hjælp af Newtons anden lov om bevægelse, F = ma, omorganiseret som m = F / a, den samlede kraft, der virker på ionerne ved deres resulterende acceleration for at bestemme ionernes masse.

Elektronens masse er også blevet bestemt ved hjælp af et massespektrometer - i så fald blev elektroner simpelthen sendt gennem selve instrumentet. Denne måling gør det muligt for fysikere at bestemme massen af ​​et atom, når det har det rigtige antal elektroner, snarere end en mangel eller overskud af dem.

Ved hjælp af et massespektrometer har fysikere bestemt massen af ​​et hydrogenatom til at være 1.660538921 (73) × 10-27 kilogram, hvor de parentesiske cifre ikke er kendt med fuldstændig sikkerhed. Det er præcist nok til de fleste formål.

Gode ​​vibrationer

En anden måde, hvor atomets masse kan findes, er ved at måle dens vibrationsfrekvens og løse baglæns, ifølge Jon R. Pratt's 2014-artikel i Journal of Measurement Science.

Vibrationer af et atom kan bestemmes på få måder, herunder atominterferometri, hvor atombølgerne er sammenhængende splittet og senere rekombineret, ifølge Alex Cronin, en lektor i fysikafdelingen ved University of Arizona; og frekvens kamme, som bruger spektrometri til at måle vibrationer. Frekvensen kan derefter bruges med Planck konstanten for at finde atomets energi (E = hv, hvor h er Planck konstanten og v er frekvensen). Energien kan så bruges med Einsteins berømte ligning, E = mc2at løse atomens masse, når det omlejres til m = E / c2.

En tredje måde at måle massen af ​​et atom på er beskrevet i en 2012 artikel offentliggjort i Nature Nanotechnology af J. Chaste, et al. Denne metode indebærer anvendelse af carbon nanorør ved lave temperaturer og i vakuum og måling af, hvordan vibrationsfrekvensen ændres afhængigt af massen af ​​partiklerne, der er fastgjort til dem. Denne skala kan måle masser ned til et yoctogram, mindre end massen af ​​en enkelt proton (1,67 yoctogrammer).

Prøven var med en 150 nanobær carbon nanorør suspenderet over en grøft. Nanobukken blev plukket som en guitarstreng, og dette frembragte en naturlig vibrationsfrekvens, som derefter blev sammenlignet med vibrationsmønstrene, da nanorøret kom i kontakt med andre partikler. Mængden af ​​masse, der er på nanorøret, ændrer den frekvens, der produceres.

Ye olde masse

Hvad med dagen før massespektrometrene, hvor kemikere var uklare over hvad et atom var? Derefter målte de primært vægten af ​​de atomer, der sammensatte forskellige elementer i forhold til deres relative masser, snarere end deres faktiske masser. I 1811 indså den italienske videnskabsmand Amedeo Avogadro, at gasens volumen (ved et givet tryk og temperatur) er proportional med antallet af atomer eller molekyler, der komponerer det, uanset hvilken gas det var. Denne nyttige kendsgerning tillod kemikere at sammenligne de relative vægte af lige mængder af forskellige gasser for at bestemme de relative masser af de atomer, der komponerer dem.

De målte atomvægte i form af atommasseenheder (amu), hvor 1 amu var lig med en tolvtedel af massen af ​​et carbon-12-atom. Når i anden halvdel af 1800-tallet brugte kemikere andre midler til at tilnærme antallet af atomer i et givet volumen af ​​gas - den berømte konstant kendt som Avogadros nummer - de begyndte at producere uslebne estimater af massen af ​​et enkelt atom ved at veje volumen af ​​hele gasen og dividere med tallet.

Forskellen mellem atomvægt, masse og nummer

Mange mennesker bruger vilkårene vægt og masse ombytteligt, og selv de fleste skalaer tilbyder muligheder i enheder som pund og kilo. Og mens masse og vægt er relateret, er de ikke det samme. Når man diskuterer atomer, bruger mange mennesker atomvægt og atommasse indbyrdes, selvom de heller ikke er det samme.

Atommasse defineres som antallet af protoner og neutroner i et atom, hvor hver proton og neutron har en masse på ca. 1 amu (henholdsvis 1,0073 og 1,0087). Elektronerne inden for et atom er så beskedne i forhold til protoner og neutroner, at deres masse er ubetydelig. Carbon-12-atomet, som stadig anvendes som standard i dag, indeholder seks protoner og seks neutroner for en atommasse på tolv amu. Forskellige isotoper af det samme element (samme element med forskellige mængder neutroner) har ikke samme atommasse. Carbon-13 har en atommasse på 13 amu.

Atomvægt, i modsætning til vægten af ​​en genstand, har intet at gøre med tyngdekraften. Det er en enhedsløs værdi, der er et forhold mellem atommasserne af naturligt forekommende isotoper af et element sammenlignet med den for en tolvtedel af massen af ​​carbon-12. For elementer som beryllium eller fluor, der kun har en naturligt forekommende isotop, er atommassen lig med atomvægten.

Carbon har to naturligt forekommende isotoper - carbon-12 og carbon-13. Atomerne af hver er henholdsvis 12.0000 og 13.0034 og ved at kende deres overflod i naturen (henholdsvis 98,89 og 1,110 procent) beregnes atomvægten af ​​kulstof til at være ca. 12,01. Atomvægten svarer meget til massen af ​​carbon-12, fordi størstedelen af ​​carbon i naturen er lavet af carbon-12 isotopen.

Atomvægten af ​​ethvert atom kan findes ved at multiplicere overfloden af ​​en isotop af et element ved elementets atommasse og derefter tilføje resultaterne sammen. Denne ligning kan bruges med elementer med to eller flere isotoper:

  • Carbon-12: 0.9889 x 12.0000 = 11.8668
  • Carbon-13: 0.0111 x 13.0034 = 0.1443
  • 11.8668 + 0.1443 = 12.0111 = atomvægt af kulstof

Og der er stadig en tredje værdi, der bruges, når man diskuterer målinger relateret til atomer: atomnummer. Atomenummeret er defineret af antallet af protoner i et element. Et element er defineret af antallet af protoner kernen indeholder og har ikke noget at gøre med hvor mange isotoper elementet har. Kulstof har altid et atomnummer på 6, og uran har altid et atomnummer på 92.

Yderligere rapportering af Rachel Ross, WordsSideKick.com Bidragyder.

Yderligere ressourcer

  • National Conference of Standards Laboratories International: Sådan vejer alt fra atomer til æbler ved hjælp af det reviderede SI
  • APS-fysik: Mere kraft til atominterferometri
  • Khan Academy: Atomtal, atommasse og isotoper


Video Supplement: Lektion 3 Det periodiske system og atommasser.




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com