设为首页收藏本站

弧论坛

 找回密码
 立即注册
搜索
热搜: 活动 交友 discuz
查看: 2818|回复: 0
打印 上一主题 下一主题

原子这么小,它的质量是怎么得到的?

[复制链接]

5905

主题

6600

帖子

7160

积分

坛主

Rank: 10Rank: 10Rank: 10

积分
7160
跳转到指定楼层
楼主
发表于 2018-5-15 23:34 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
原子这么小,它的质量是怎么得到的?
中科院物理所 2018-05-16

作者 陈星


原子是元素能保持其化学性质的最小单位。20世纪以前,科学家们认为原子是不可分割的,但是实际上原子也是可以分割的,一个完整的原子由原子核和核外电子组成,原子核又由质子和中子构成。再进一步,质子和中子由不同的夸克构成。这里我们对此不做深究。

一般原子的直径在10-10m数量级,质量在10-27kg这个数量级,直接测量原子的质量是不现实的。当然,原子的相对质量用“相对原子量”这个单位可以很方便地表示,但是我们也不能总是一直使用相对原子量,偶尔我们还是要知道原子的绝对质量的,那么问题就来了,原子这么小,质量这么轻,它的精确质量是如何获得的呢?


                               
登录/注册后可看大图


这么小的质量当然不可能用普通的天平来称量了。事实上,最精密的天平(德国生产的“4108 型”天平)的精度也只能达到0.01微克的精度,大概相当于10-11Kg,这其实已经相当的精密了,完全能满足各种生产生活的需求,但是还远远不能达到原子的质量所要求的精度。其实原子的质量不是直接得到的,原子的质量是用一种叫做质谱仪的仪器测量出来的。质谱仪这个仪器本身的用处很多,并不仅限于测量原子的质量。本文主要介绍一下这个质谱仪到底是怎么测量原子的质量的。

质谱仪最初是由约瑟夫·约翰·汤姆逊在1912年发明的,如下图所示,可以看出质谱仪的这个原型很简陋,但是它的基本原理却和现在很高级的质谱仪是一样的。


                               
登录/注册后可看大图


质谱仪的原理图如下:


                               
登录/注册后可看大图


如图所示,是一个质谱仪的主要部分,原子样品从左边进入质谱仪,然后被离子化(常见的离子化方式有电子轰击,化学电离等),在这过程中,原子要么被添加几个电子而带负电,要么被剥离几个电子而带正电,而带了电的原子也被称作“离子”。变成离子的原子样品因为带电,进入电场之后被加速,等到离开电场之后就具有了一定的速度。然后这些离子被送入具有磁场的腔室,然后具有不同质量的离子会出现不同的路径,通过精确估计这些离子的路径和速度,就可以十分准确的计算出初始原子的质量。

在这个过程中,原子的带电量和入射的初速度是知道的,磁场腔室的磁场的方向和强度也是知道的。如下图所示,是质谱仪简单的示意图:


                               
登录/注册后可看大图


如图所示S1和S2,之间的是离子加速区,U0是加速电压,假设离子脱离这个加速区之后的速度是v,离子进入磁场之后,由于带电,而且具有速度,因此它会在磁场里会受到一个偏转力,叫做洛伦兹力,这个力和离子的速度方向垂直,大小是F=qvB, 其中q是离子的带电量,v是离子的速度,B是磁场的强度。离子进入磁场之后,由于洛伦兹力,会产生偏转,最后射出磁场,在最右边的平面上带电离子最终会击中一个位置,这个位置和平面中心O的距离和离子的质量存在确定的关系,因此只要测出这个距离y,就能知道离子的精确质量了。通过离子的质量,然后在计算中补偿一下电子质量所带来的误差,就可以很精确地知道初始原子的质量了。

当然,现在所有已知的原子的质量都已经被测量了出来,质谱仪目前最主要的用途不是用来测量原子质量了,而是用来分析样品的组成成分的,分离同位素以及了解同位素的相对丰度的。因为现有的原子的质量都是已知的,只要根据质谱仪里面的偏转路线,就可以判断出样品中原子的种类。

经过好几代科学家和工程师的努力,现在的质谱仪是一件相当完善的科学设备,如下图所示,这种质谱仪一般都可以自动分析样品的组成,测量原子的质量等等,但是它的基本原理是不变的。


                               
登录/注册后可看大图


当然,质谱仪出现之前我们也是可以粗略地估计原子的质量的,而且还相当准确。上面提到,单个原子非常小,而且很轻,无法直接测量,这没有错,但是我们可以通过测量大量的原子的质量,然后除以原子的个数得到单个的原子质量。这种方法对于气体的原子在当时是比较容易实现,这是因为当时对于气体的研究比较多,科学家们可以比较容易地知道一定温度和气压下的气体原子的个数,因此可以通过测量气体的质量大概估计单个气体原子的质量。但是对于液体和固体却不能使用这种方法了,另外由于这种方式误差很大,在质谱仪发明出来后就不再作为测量原子质量的方式了。

其实从原子概念的出现到原子质量的获得,这期间有好几代科学家的努力,并不是某几个杰出科学家的单独贡献,科学既是一个合作的过程,也是一个循序渐进的过程。

出品:科普中国
制作:陈星
监制:中国科学院计算机网络信息中心

本文来源于“中国科普博览”微信公众号(kepubolan),转载请注明公众号出处
“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌
编辑:Aprilis





大道至简 万物于弧
您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

手机版|Archiver|小黑屋|国际弧学研究会    

GMT-7, 2024-5-18 13:04 , Processed in 0.403305 second(s), 22 queries .

Powered by Discuz! X3.1

© 2001-2013 Comsenz Inc.

快速回复 返回顶部 返回列表