如何稱出一個原子的重量?

原子構成了地球上的一切物質，而原子本身又由更小的亞原子粒子組成——質子、中子和電子（除了不包含中子的氕原子之外），不同的原子包含了不同數量的亞原子粒子。那麼，原子究竟有多小呢？人類又是如何「稱出」一個原子的重量呢？

原子有多大？

為了更好地理解原子尺度，讓我們考慮一個橙子，並假設橙子只是由氮原子組成。再假設每個氮原子都有一顆藍莓那麼大，那麼，這個橙子會有多大呢？

結果相當震撼，橙子的大小會跟地球一樣大。如果縮放亞原子粒子的尺寸，結果會更加震撼。

原子的中心是一個假想的球體——原子核，它包含質子和中子（除了不包含中子的氕原子之外），而在原子核外圍是電子。如果一個原子膨脹為大型足球場，那麼，原子核相當於球場中心的一粒沙子。在球場的邊緣是電子，其餘的只是空的空間。

如此之小的東西，不要說直接用秤來稱出質量是不現實的，就連大部分的顯微鏡都無法看到它們。那麼，物理學家又是如何知道原子的質量呢？

測量原子質量的物理學原理

雖然牛頓那個時代還沒有發現原子，但牛頓的理論卻能在測量原子質量中派上用場。根據牛頓第二運動定律——F=ma，其中a是質量為m的物體在受到力F的作用時所具有的加速度，這是測量原子質量的基本原理。

在具體實踐中，物理學家通過質譜儀來測量原子的質量。

質譜儀的工作原理

第一步，通過高能粒子來轟擊樣品，這會讓原子失去電子，也會讓原子得到電子，這取決於所用粒子的類型（一般為電子）。經過這一步之後，原子會有一個淨正電荷或負電荷，它們就形成了離子。

接下來，這些離子會被引導到電場和磁場中，這兩個場都會對離子施加力的作用。電場力會改變離子的速度大小，而磁場力會改變離子的速度方向。

然後，這些離子引導至法拉第杯（一種用於在真空中捕捉帶電粒子的金屬杯）之中，從而在連接到法拉第杯的導線中產生電流。通過測量離子流撞擊法拉第杯的時間和位置，物理學家可以確定離子在電場和磁場影響下的加速度和方向

最後，根據牛頓第二運動定律——m=F/a，把作用在離子上的合力除以它們產生的加速度，就能確定離子的質量。同樣的道理，質譜儀也可以用於測定一個電子的質量。既然已經測量出離子和電子的質量，通過相應地加減質量，從而就能算出原先沒有得失電子的原子質量。

通過質譜儀，物理學家已經測定出氫原子（氕原子）的質量約為1.674×10^-27千克，即大約500億億億分之一千克。

測量原子質量的古老方法

在質譜儀出現更早之前，粒子物理學還在早期階段，那時的物理學家對原子的概念仍然非常模糊。在那個年代，原子重量是用相對質量而不是實際質量來衡量的（雖然如今也是有這樣的慣例）。

在19世紀初，物理學家阿伏加德羅首次認識到，在給定的壓力和溫度下，任何氣體的體積都與組成氣體的原子或分子的數量成正比，這是一個重大突破。這使物理學家能夠比較等體積不同氣體的相對重量，從而確定組成氣體的原子相對質量。

原子量是用原子質量單位（amu）來測量的，1 amu等於碳-12原子質量的十二分之一。不久之後，著名的常數——阿伏伽德羅常數（6.023×10^23 /mol）被測量出來。根據這個常數，可以知道一摩爾氣體中的原子或分子的數量。基於此，物理學家可以通過測量氣體的總體積，並結合阿伏伽德羅常數，就能粗略估計出單個原子的質量。