Wie wiegen Sie ein Atom?

Stellen Sie sich vor, Sie würden ein Atom auf einer Skala plumpsen lassen. Während du das tust, blitzen die Zellen, die Billionen von Atomen haben, von deiner Hand ab, flattern um sie herum und vergraben sie in einem Stapel von Atom-Doppelgängern. Währenddessen schiessen Feuchtigkeit und atmosphärische Partikel umher, prallen auf und von der Waage ab und lassen ihre atomempfindliche Nadel wie ein Windschutzscheibenwischer hin und her peitschen. Und wie haben Sie es geschafft, ein einzelnes Atom zu isolieren?

Der Gedanke eines Augenblicks zeigt, dass man ein Atom nicht auf traditionellem Maßstab wiegen kann.

Stattdessen haben Physiker seit über einem Jahrhundert ein Instrument namens Massenspektrometer verwendet. 1912 von dem Physiker J.J. Thomson und verbessert schrittweise, es funktioniert so: Erstens "ionisieren" Physiker ein Gas von Atomen, indem sie einen Strahl von Partikeln auf das Gas abfeuern, das entweder Elektronen zu den Atomen in ihm hinzufügt oder abhängig davon einige ihrer Elektronen abstößt die Art des verwendeten Partikelstrahls. Dadurch erhalten die Atome - jetzt als "Ionen" bezeichnet - eine negative oder positive elektrische Ladung.

Als nächstes 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 Stärken der beiden Kräfte sind 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 biegt.

Die Ionen werden dann durch "Faraday-Becher" am Ende der Röhre gesammelt und erzeugen einen Strom in Drähten, die an den Bechern befestigt sind. Durch die Messung, wo und wann der Ionenstrom auf die Faraday-Schalen trifft, können die Physiker feststellen, wie stark sie aufgrund der elektrischen und magnetischen Kräfte in welche Richtung beschleunigt haben müssen. Schließlich teilen die Physiker durch Newtons zweites Bewegungsgesetz, F = ma, umgeordnet als m = F / a, die auf die Ionen wirkende Gesamtkraft durch ihre resultierende Beschleunigung, um die Masse der Ionen zu bestimmen.

Die Masse des Elektrons wurde ebenfalls mit einem Massenspektrometer bestimmt - in diesem Fall wurden Elektronen einfach durch das Instrument selbst geschickt. Diese Messung ermöglicht es Physikern, die Masse eines Atoms zu bestimmen, wenn es die richtige Anzahl von Elektronen hat, anstatt einen Mangel oder Überschuss davon zu haben.

Mit einem Massenspektrometer haben Physiker die Masse eines Wasserstoffatoms zu 1,660538921 (73) × 10 bestimmt-27 Kilogramm, wobei die Ziffern in Klammern nicht mit absoluter Sicherheit bekannt sind. Das ist für die meisten Zwecke genau genug.

Gute Stimmung

Ein anderer Weg, um die Masse eines Atoms zu finden, besteht darin, seine Schwingungsfrequenz zu messen und rückwärts zu lösen, so Jon R. Pratts Artikel aus dem Journal of Measurement Science von 2014.

Die Schwingung eines Atoms kann auf verschiedene Arten bestimmt werden, einschließlich der Atom-Interferometrie, bei der die Atomwellen kohärent gespalten und später wieder kombiniert werden, so Alex Cronin, Professor an der Fakultät für Physik der Universität von Arizona; und Frequenzkämme, die Spektrometrie verwenden, um Vibrationen zu messen. Die Frequenz kann dann mit der Planck-Konstante verwendet werden, um die Energie des Atoms zu finden (E = hv, wobei h die Planck-Konstante und v die Frequenz ist). Die Energie kann dann mit Einsteins berühmter Gleichung E = mc verwendet werden2, um nach der Masse des Atoms zu suchen, wenn es zu m = E / c umgeordnet wird2.

Ein dritter Weg, um die Masse eines Atoms zu messen, ist in einem 2012 in Nature Nanotechnology von J. Chaste et al. Bei dieser Methode werden Kohlenstoff-Nanoröhrchen bei niedrigen Temperaturen und im Vakuum verwendet. Dabei wird gemessen, wie sich die Schwingungsfrequenz in Abhängigkeit von der Masse der an ihnen gebundenen Partikel ändert. Diese Skala kann Massen bis zu einem Yoktogramm messen, weniger als die Masse eines einzelnen Protons (1,67 yoctograms).

Der Test wurde mit einer 150-Nanometer-Kohlenstoff-Nanoröhre durchgeführt, die über einem Graben aufgehängt war. Die Nanoröhre wurde wie eine Gitarrensaite gezupft, und dies erzeugte eine natürliche Schwingungsfrequenz, die dann mit den Schwingungsmustern verglichen wurde, wenn die Nanoröhre mit anderen Teilchen in Kontakt kam. Die Menge an Masse, die sich auf dem Nanoröhrchen befindet, ändert die Frequenz, die erzeugt wird.

Ye olde Masse

Was war vor den Tagen der Massenspektrometer, als die Chemiker nicht wussten, was ein Atom überhaupt war? Dann maßen sie in erster Linie die Gewichte der Atome, die verschiedene Elemente in Bezug auf ihre relativen Massen, anstatt ihre tatsächlichen Massen zusammengesetzt. Im Jahr 1811 erkannte der italienische Wissenschaftler Amedeo Avogadro, dass das Volumen eines Gases (bei gegebenem Druck und Temperatur) proportional zur Anzahl der Atome oder Moleküle ist, aus denen es zusammengesetzt ist, unabhängig davon, welches Gas es war. Diese nützliche Tatsache erlaubte Chemikern, die relativen Gewichte gleicher Volumina verschiedener Gase zu vergleichen, um die relativen Massen der Atome zu bestimmen, aus denen sie bestehen.

Sie maßen Atomgewichte in Form von atomaren Masseneinheiten (amu), wobei 1 Amu gleich einem Zwölftel der Masse eines Kohlenstoff-12-Atoms war. Als in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts Chemiker andere Mittel verwendeten, um die Anzahl der Atome in einem gegebenen Gasvolumen - die berühmte Konstante Avogadros Zahl - zu approximieren, fingen sie an, grobe Schätzungen der Masse eines einzelnen Atoms zu erzeugen Volumen des gesamten Gases und dividieren durch die Anzahl.

Der Unterschied zwischen Atomgewicht, Masse und Anzahl

Viele Menschen verwenden die Begriffe Gewicht und Masse austauschbar und sogar die meisten Waagen bieten Optionen in Einheiten wie Pfund und Kilogramm. Und während Masse und Gewicht verwandt sind, sind sie nicht dasselbe. Bei der Diskussion von Atomen verwenden viele Menschen das Atomgewicht und die Atommasse austauschbar, obwohl sie auch nicht ganz dasselbe sind.

Die atomare Masse ist definiert als die Anzahl von Protonen und Neutronen in einem Atom, wobei jedes Proton und Neutron eine Masse von ungefähr 1 amu (1,0073 bzw. 1,0087) hat.Die Elektronen innerhalb eines Atoms sind so winzig im Vergleich zu Protonen und Neutronen, dass ihre Masse vernachlässigbar ist. Das Kohlenstoff-12-Atom, das heute noch als Standard verwendet wird, enthält sechs Protonen und sechs Neutronen für eine Atommasse von zwölf Amu. Verschiedene Isotope desselben Elements (dasselbe Element mit unterschiedlichen Mengen an Neutronen) haben nicht die gleiche atomare Masse. Kohlenstoff-13 hat eine Atommasse von 13 amu.

Das Atomgewicht hat, anders als das Gewicht eines Objekts, nichts mit der Schwerkraft zu tun. Es ist ein uneinheitlicher Wert, der ein Verhältnis der Atommassen von natürlich vorkommenden Isotopen eines Elements zu dem von einem Zwölftel der Masse von Kohlenstoff-12 ist. 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 atomaren Massen von jedem sind 12.0000 und 13.0034, bzw. unter Kenntnis ihrer Häufigkeiten in der Natur (98.89 und 1.110 Prozent), wird das Atomgewicht von Kohlenstoff zu ungefähr 12.01 berechnet. Das Atomgewicht ist der Masse von Kohlenstoff-12 sehr ähnlich, da der größte Teil des Kohlenstoffs in der Natur aus dem Kohlenstoff-12-Isotop besteht.

Das Atomgewicht eines Atoms kann durch Multiplizieren der Häufigkeit eines Isotops eines Elements mit der Atommasse des Elements und anschließendes Addieren der Ergebnisse ermittelt werden. Diese Gleichung kann mit Elementen mit zwei oder mehr Isotopen verwendet werden:

  • Kohlenstoff-12: 0,9889 × 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 bei der Diskussion von Atommessungen verwendet wird: Ordnungszahl. Die Ordnungszahl wird durch die Anzahl der Protonen in einem Element definiert. Ein Element wird durch die Anzahl der Protonen definiert, die der Kern enthält 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 Ressourcen

Schau das Video: Die Masse von Atomen I musstewissen Chemie

Lassen Sie Ihren Kommentar