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如何稱出一個原子的重量?

5月
05
2019

2019年5月05日16時 今日科學 宇宙接觸

宇宙接觸

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,原子會有一個凈正電荷或負電荷,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。


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