如何「稱」一個原子的重量?

2021-01-16 老胡說科學

應該很簡單吧？只要在你的秤上放一個原子，絕對是最靈敏的原子，你有你的測量結果！

那死皮細胞呢？它們有數萬億個原子那麼厚，從你的手上剝落下來，飄落到天平上，把你的原子埋在一堆原子二重身裡。與此同時，其他大氣粒子正在四處噴射，在你的機器上來回彈跳，讓它的原子敏感針像雨刷一樣來回擺動。所有這些都會阻礙測量，對吧？

傳統的天平無法測量這麼小的質量真實的。然而，讓我問你，你是如何從一開始就分離出一個原子的？

原子有多小？

你可能知道所有的東西都是由叫做原子的小東西組成的；原子本身由更小的粒子組成，即質子、中子和電子。你可能也聽說過原子很小，但你有沒有想過它們到底有多小？

為了更好地理解它們的微小尺度，讓我們考慮一個葡萄柚。假設葡萄柚只由氮原子組成(這不是真的，但是為了減少問題的複雜性，我們將這樣假設)。假設每個氮原子都有藍莓那麼大。葡萄柚要多大？

它和地球一樣大。這太瘋狂了，不是嗎？如果你試著縮放亞原子粒子的尺寸，那就更瘋狂了！

原子的中心是一個假想的球體，叫做原子核，它包含中子和質子，而在外面是電子。如果一個原子膨脹到一個大型足球場那麼大，原子核不會比體育場中心的一粒沙子還大。在體育場的邊緣是電子，其餘的只是空的空間。

它和地球一樣大。這太瘋狂了，不是嗎？如果你試著縮放亞原子粒子的尺寸，那就更瘋狂了！

既然你已經在原子的微觀世界裡煥然一新，你怎麼可能用肉眼觀察到這麼小的東西呢？更不用說用你最靈敏的秤來稱重了。

那麼他們是怎麼做到的呢？

牛頓也幫助了我們。他的第二運動定律，F=ma，其中a是質量為m的物體在受到F的作用時的加速度，這是測量原子的基本原理。

一個被稱為質譜儀的儀器被用來進行實驗。

質譜儀的工作

第一步是通過向氣體發射粒子束來電離由原子組成的氣體，粒子束可以將電子添加到原子中，也可以將原子中的一些電子敲掉，這取決於所用粒子束的類型。這給了原子一個淨負電荷或正電荷，它們就形成了離子。

接下來，這些離子通過一根管子，在管子裡它們受到電場和磁場的作用。這兩個場都對離子施加一個力。電場力改變離子的速度，而磁力使離子的路徑彎曲。

然後這些離子被法拉第杯(一種設計用來在真空中捕捉帶電粒子的金屬杯)收集到管子的末端，在連接到杯子的電線中產生電流。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，F=ma重新排列為m=F/a，你用作用在離子上的總力除以它們產生的加速度來確定離子的質量。同樣，我們用質譜儀測定電子的質量。

既然我們已經測量了離子和電子的質量，我們就可以相應地加減質量，從而求出原來原子的質量，原來原子沒有電子，或者電子過多。

利用質譜儀，物理學家已經測定出氫原子的質量為1.6737236×10^-27千克。對於大多數情況來說，這已經足夠準確了。

舊的方法

在「質譜儀」變得簡單之前，粒子物理學的研究還在進行中，但是原子的概念非常模糊。在那個年代，組成元素的原子的重量是用相對質量而不是實際質量來衡量的。

義大利科學家阿梅代奧·阿伏加德羅(Amedeo Avogadro)認識到，任何氣體的體積(在給定的壓力和溫度下)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。它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的相對質量。

原子量是用原子質量單位(amu)來測量的，其中1amu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(6.023×1023)問世了。這個數字提供了一摩爾氣體中原子或分子的數量(系統中包含的基本實體的數量與0.012千克碳-12中的原子數量相同)。這幫助他們通過稱量整個氣體的體積並除以阿伏伽德羅常數來粗略估計單個原子的質量。

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