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どのように原子の重さを量りますか?

<ブロック引用>

原子は小さすぎて通常のはかりでは量れないため、物理学者は質量分析計を使用します。このデバイスは、電場と磁場を使用して原子の質量を決定します。

まあ、それは十分に簡単なはずですよね?原子を天秤に落とすだけで、間違いなく最大の感度を持つ原子が出来上がり— あなたはあなたの測定値を持っています!

しかし、すべての死んだ皮膚細胞はどうですか?それらは何兆もの原子の厚さであり、あなたの手から剥がれ落ちてはかりの上に舞い降り、あなたの原子を原子ドッペルゲンガーの山に埋めます.その間、他の大気中の粒子が周囲を飛び回り、マシンの内外で跳ね返り、フロントガラスのワイパーのように原子に敏感な針を前後に動かしています。これらすべてが測定の妨げになりますよね?

従来の重量計では、これほど小さな質量を測定することはできません (写真 (クレジット:PxHere)

真実。しかし、私はあなたにこれを聞かせてください...そもそもどのようにして単一の原子を分離したのですか?

原子はどのくらい小さいですか?

おそらく、すべてが原子と呼ばれる小さな小さなもので構成されていることに気付いているでしょう。原子自体は、さらに小さな粒子、つまり陽子、中性子、電子で構成されています。また、原子は小さいと聞いたことがあるかもしれませんが、原子が実際にどれほど小さいか考えたことはありますか?

その極小のスケールをもう少しよく理解するために、グレープフルーツについて考えてみましょう。グレープフルーツは窒素原子のみで構成されていると仮定します (これは正しくありませんが、問題の複雑さを軽減するために、これを仮定します)。これらの窒素原子のそれぞれをブルーベリーの大きさとします。グレープフルーツの大きさはどれくらいですか?

それは、まあ、惑星地球と同じサイズでしょう。それはただクレイジーですね。素粒子のサイズをスケーリングしようとすると、さらにおかしなことになります!

原子の中心には、中性子と陽子を含む原子核と呼ばれる架空の球体があり、外側には電子があります。原子が大きなサッカー スタジアムのサイズに拡大された場合、原子核はスタジアムの中心にある砂粒よりも大きくはなりません。スタジアムの端には電子があり、残りはただの空きスペースです。

原子の微視的な世界でリフレッシュした今、どうしてこんなに小さなものを肉眼で観察できるでしょうか?ましてや、最も感度の高いはかりでさえも扱ってはかることはできませんか?

では、彼らはどのようにそれを行うのでしょうか?

ニュートンもこれを手伝ってくれました。彼の運動の第 2 法則、F=ma、ここで「a」は、力「F」が作用するときの質量「m」の物体の加速度であり、原子の測定の背後にある基本的な考え方です。

質量分析計と呼ばれる機器を使用して実験を行います。

質量分析計の作業 (写真提供:Eden Camp/Wikimedia Commons)

質量分析計の働き

最初のステップは、ガスに粒子のビームを発射することにより、原子で構成されるガスをイオン化することです。これは、使用する粒子ビームの種類に応じて、原子に電子を追加するか、原子の電子の一部をノックオフします。これにより、原子に正味の負または正の電荷が与えられ、イオンが形成されます。

次に、これらのイオンは、電場と磁場

その後、イオンは ファラデー カップ によって収集されます。 (真空中で荷電粒子を捕らえるように設計された金属カップ) チューブの端にあり、カップに取り付けられたワイヤに電流を生成します。イオンの流れがいつ、どこでファラデー カップに衝突するかを測定することにより、物理学者は電場と磁場の影響下で、イオンの加速と方向を決定できます。

最後に、ニュートンの運動の第 2 法則、F=ma を m=F/a として再配置することにより、イオンに作用する総力を結果として生じる加速度で割り、イオンの質量を決定します。同様に、質量分析計を使用して電子の質量を決定します。

イオンと電子の両方の質量の測定値が得られたので、それに応じて質量を足したり引いたりして、元の原子の質量を見つけることができます。元の原子には電子がないか過剰でした。

質量分析計を使用して、物理学者は水素原子の質量を 1.6737236 × 10^-27 kg キログラムと決定しました。ほとんどの場合、これで十分正確です。

古い方法

「質量分析計」の単純さの前に、研究はまだ素粒子物理学で行われていましたが、原子のアイデアは非常に曖昧でした.当時、元素を構成する原子の重量は、実際の質量ではなく相対質量で測定されていました。

イタリアの科学者、アメデオ・アボガドロは、あらゆる気体の体積 (特定の圧力と温度で) は、それを構成する原子または分子の数に比例することに気付きました。これは大きなブレークスルーでした。これにより、物理学者は、異なる気体の等量の相対重量を比較して、それらを構成する原子の相対質量を決定することができました。

原子量は、原子質量単位 (amu) で測定されました。1 amu は、炭素 12 原子の質量の 12 分の 1 に相当します。その後すぐに、アボガドロ数 (6.023 × 1023) として知られる有名な定数が登場しました。この数は、ガスの 1 モル (0.012 キログラムの炭素 12 中の原子と同じ数の元素を含む系の物質の量) に存在する原子または分子の数を示します。これは、ガス全体の体積を計量し、アボガドロ数で割ることによって、単一の原子の質量の大まかな見積もりを作成するのに役立ちました.


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