如何称出一个原子的重量?

如何称出一个原子的重量?


原子构成了地球上的一切物质,而原子本身又由更小的亚原子粒子组成——质子、中子和电子(除了不包含中子的氕原子之外),不同的原子包含了不同数量的亚原子粒子。那么,原子究竟有多小呢?人类又是如何“称出”一个原子的重量呢?

原子有多大?

为了更好地理解原子尺度,让我们考虑一个橙子,并假设橙子只是由氮原子组成。再假设每个氮原子都有一颗蓝莓那么大,那么,这个橙子会有多大呢?

结果相当震撼,橙子的大小会跟地球一样大。如果缩放亚原子粒子的尺寸,结果会更加震撼。

原子的中心是一个假想的球体——原子核,它包含质子和中子(除了不包含中子的氕原子之外),而在原子核外围是电子。如果一个原子膨胀为大型足球场,那么,原子核相当于球场中心的一粒沙子。在球场的边缘是电子,其余的只是空的空间。

如此之小的东西,不要说直接用秤来称出质量是不现实的,就连大部分的显微镜都无法看到它们。那么,物理学家又是如何知道原子的质量呢?

测量原子质量的物理学原理

虽然牛顿那个时代还没有发现原子,但牛顿的理论却能在测量原子质量中派上用场。根据牛顿第二运动定律——F=ma,其中a是质量为m的物体在受到力F的作用时所具有的加速度,这是测量原子质量的基本原理。

在具体实践中,物理学家通过质谱仪来测量原子的质量。

质谱仪的工作原理

第一步,通过高能粒子来轰击样品,这会让原子失去电子,也会让原子得到电子,这取决于所用粒子的类型(一般为电子)。经过这一步之后,原子会有一个净正电荷或负电荷,它们就形成了离子。

接下来,这些离子会被引导到电场和磁场中,这两个场都会对离子施加力的作用。电场力会改变离子的速度大小,而磁场力会改变离子的速度方向。

然后,这些离子引导至法拉第杯(一种用于在真空中捕捉带电粒子的金属杯)之中,从而在连接到法拉第杯的导线中产生电流。通过测量离子流撞击法拉第杯的时间和位置,物理学家可以确定离子在电场和磁场影响下的加速度和方向

最后,根据牛顿第二运动定律——m=F/a,把作用在离子上的合力除以它们产生的加速度,就能确定离子的质量。同样的道理,质谱仪也可以用于测定一个电子的质量。既然已经测量出离子和电子的质量,通过相应地加减质量,从而就能算出原先没有得失电子的原子质量。

通过质谱仪,物理学家已经测定出氢原子(氕原子)的质量约为1.674×10^-27千克,即大约500亿亿亿分之一千克。

测量原子质量的古老方法

在质谱仪出现更早之前,粒子物理学还在早期阶段,那时的物理学家对原子的概念仍然非常模糊。在那个年代,原子重量是用相对质量而不是实际质量来衡量的(虽然如今也是有这样的惯例)。

在19世纪初,物理学家阿伏加德罗首次认识到,在给定的压力和温度下,任何气体的体积都与组成气体的原子或分子的数量成正比,这是一个重大突破。这使物理学家能够比较等体积不同气体的相对重量,从而确定组成气体的原子相对质量。

原子量是用原子质量单位(amu)来测量的,1 amu等于碳-12原子质量的十二分之一。不久之后,著名的常数——阿伏伽德罗常数(6.023×10^23 /mol)被测量出来。根据这个常数,可以知道一摩尔气体中的原子或分子的数量。基于此,物理学家可以通过测量气体的总体积,并结合阿伏伽德罗常数,就能粗略估计出单个原子的质量。

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