¿Cómo Se Pesa Un Átomo?

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No puedes usar una balanza, pero hay otro método para pesar un átomo.

Actualizar: Este artículo fue actualizado el 11 de septiembre de 2017 por Rachel Ross, WordsSideKick.com Contributor.

Imagina tirar un átomo hacia abajo en una escala. Mientras lo haces, las células de la piel que son billones de átomos se esparcen de tu mano y revolotean a su alrededor, enterrándolas en una pila de doppelgangers atómicos. Mientras tanto, la humedad y las partículas atmosféricas se disparan, rebotan dentro y fuera de la escala y enviando su aguja sensible al átomo hacia atrás y adelante como un limpiaparabrisas. Y, por cierto, ¿cómo lograste aislar un solo átomo en primer lugar?

Un momento de reflexión muestra que no se puede pesar un átomo en una escala tradicional.

En cambio, los físicos durante más de un siglo han usado un instrumento llamado espectrómetro de masas. Inventado en 1912 por el físico J.J. Thomson y mejorado de forma incremental, funciona de la siguiente manera: primero, los físicos "ionizan" un gas de átomos disparando un haz de partículas al gas, que agrega electrones a los átomos en él o quita algunos de sus electrones, dependiendo de El tipo de haz de partículas utilizado. Esto le da a los átomos, ahora conocidos como "iones", una carga eléctrica neta negativa o positiva.

A continuación, los iones se envían a través de un tubo en el que están sujetos a campos eléctricos y magnéticos. Ambos campos ejercen una fuerza sobre los iones, y las fuerzas de las dos fuerzas son proporcionales a la carga de los iones (los átomos neutros no sienten las fuerzas). La fuerza eléctrica hace que los iones cambien de velocidad, mientras que la fuerza magnética dobla su trayectoria.

Luego, los iones se recolectan mediante "copas de Faraday" al final del tubo, generando una corriente en los cables conectados a las copas. Al medir dónde y cuándo el flujo de iones llega a las copas de Faraday, los físicos pueden determinar cuánto deben haber acelerado y en qué dirección, como resultado de las fuerzas eléctricas y magnéticas. Por último, a través de la segunda ley de movimiento de Newton, F = ma, reorganizada como m = F / a, los físicos dividen la fuerza total que actúa sobre los iones por la aceleración resultante para determinar la masa de los iones.

La masa del electrón también se ha determinado utilizando un espectrómetro de masas; en ese caso, los electrones simplemente se enviaron a través del instrumento. Esa medida permite a los físicos determinar la masa de un átomo cuando tiene el número correcto de electrones, en lugar de una escasez o excedente de ellos.

Usando un espectrómetro de masas, los físicos han determinado que la masa de un átomo de hidrógeno es 1.660538921 (73) × 10-27 Kilogramos, donde los dígitos entre paréntesis no se conocen con total certeza. Eso es lo suficientemente preciso para la mayoría de los propósitos.

Buenas vibraciones

Otra forma en que se puede encontrar la masa de un átomo es midiendo su frecuencia de vibración y resolviendo hacia atrás, de acuerdo con el artículo de Jon R. Pratt de 2014 en el Journal of Measurement Science.

La vibración de un átomo se puede determinar de varias maneras, incluida la interferometría atómica, en la que las ondas atómicas se dividen de manera coherente y luego se recombinan, según Alex Cronin, profesor asociado en el departamento de física de la Universidad de Arizona; y peines de frecuencia, que utilizan la espectrometría para medir vibraciones. La frecuencia puede usarse con la constante de Planck para encontrar la energía del átomo (E = hv, donde h es la constante de Planck yv es la frecuencia). La energía se puede usar con la famosa ecuación de Einstein, E = mc2, para resolver la masa del átomo cuando se reorganiza a m = E / c2.

Una tercera forma de medir la masa de un átomo se describe en un artículo de 2012 publicado en Nature Nanotechnology por J. Chaste, et al. Este método consiste en utilizar nanotubos de carbono a bajas temperaturas y en el vacío, y medir cómo cambia la frecuencia de vibración en función de la masa de las partículas adheridas a ellos. Esta escala puede medir masas hasta un yoctograma, menos que la masa de un solo protón (1.67 yoctogramas).

La prueba se realizó con un nanotubo de carbono de 150 nanómetros suspendido sobre una zanja. El nanotubo fue arrancado como una cuerda de guitarra, y esto produjo una frecuencia de vibración natural que luego se comparó con los patrones de vibración cuando el nanotubo entró en contacto con otras partículas. La cantidad de masa que se encuentra en el nanotubo cambiará la frecuencia que se produce.

Ye olde masa

¿Qué pasaría antes de los días de los espectrómetros de masas, cuando los químicos estaban confundidos acerca de lo que era un átomo? Luego, midieron principalmente los pesos de los átomos que componían varios elementos en términos de sus masas relativas, en lugar de sus masas reales. En 1811, el científico italiano Amedeo Avogadro se dio cuenta de que el volumen de un gas (a una presión y temperatura dadas) es proporcional al número de átomos o moléculas que lo componen, independientemente del gas que fuera. Este hecho útil permitió a los químicos comparar los pesos relativos de volúmenes iguales de diferentes gases para determinar las masas relativas de los átomos que los componen.

Midieron los pesos atómicos en términos de unidades de masa atómica (amu), donde 1 amu era igual a una doceava parte de la masa de un átomo de carbono-12. Cuando en la segunda mitad del siglo XIX, los químicos utilizaron otros medios para aproximar el número de átomos en un volumen dado de gas, esa constante famosa conocida como el número de Avogadro, comenzaron a producir estimaciones aproximadas de la masa de un solo átomo al pesar el Volumen de todo el gas, y dividiendo por el número.

La diferencia entre peso atómico, masa y número

Muchas personas usan los términos peso y masa indistintamente, e incluso la mayoría de las escalas ofrecen opciones en unidades como libras y kilogramos. Y si bien la masa y el peso están relacionados, no son lo mismo. Cuando se habla de átomos, muchas personas usan indistintamente el peso atómico y la masa atómica, aunque tampoco son lo mismo.

La masa atómica se define como el número de protones y neutrones en un átomo, donde cada protón y neutrón tiene una masa de aproximadamente 1 amu (1.0073 y 1.0087, respectivamente). Los electrones dentro de un átomo son tan minúsculos en comparación con los protones y neutrones que su masa es despreciable. El átomo de carbono 12, que todavía se usa como estándar en la actualidad, contiene seis protones y seis neutrones para una masa atómica de doce amu. Diferentes isótopos del mismo elemento (mismo elemento con diferentes cantidades de neutrones) no tienen la misma masa atómica. El carbono 13 tiene una masa atómica de 13 amu.

El peso atómico, a diferencia del peso de un objeto, no tiene nada que ver con el tirón de la gravedad. Es un valor sin unidad que es una relación de las masas atómicas de los isótopos naturales de un elemento en comparación con la de una doceava parte de la masa de carbono-12. Para elementos como el berilio o el flúor que solo tienen un isótopo natural, la masa atómica es igual al peso atómico.

El carbono tiene dos isótopos naturales: el carbono 12 y el carbono 13. Las masas atómicas de cada una son 12.0000 y 13.0034, respectivamente, y conociendo su abundancia en la naturaleza (98.89 y 1.110 por ciento, respectivamente), el peso atómico del carbono se calcula en alrededor de 12.01. El peso atómico es muy similar a la masa de carbono-12 debido a que la mayor parte del carbono en la naturaleza está formado por el isótopo carbono-12.

El peso atómico de cualquier átomo se puede encontrar multiplicando la abundancia de un isótopo de un elemento por la masa atómica del elemento y luego sumando los resultados. Esta ecuación se puede usar con elementos con dos o más isótopos:

  • Carbono-12: 0.9889 x 12.0000 = 11.8668
  • Carbono 13: 0.0111 x 13.0034 = 0.1443
  • 11.8668 + 0.1443 = 12.0111 = peso atómico del carbono

Y todavía hay un tercer valor que se usa cuando se analizan las mediciones relacionadas con los átomos: el número atómico. El número atómico se define por el número de protones en un elemento. Un elemento se define por la cantidad de protones que contiene el núcleo y no tiene nada que ver con la cantidad de isótopos que tiene el elemento. El carbono siempre tiene un número atómico de 6 y el uranio siempre tiene un número atómico de 92.

Reporte adicional por Rachel Ross, WordsSideKick.com Contributor.

Recursos adicionales

  • Conferencia Nacional de los Laboratorios de Normas Internacionales: Cómo pesar todo desde los átomos hasta las manzanas utilizando el SI revisado
  • APS Physics: Más poder para la interferometría atómica
  • Khan Academy: número atómico, masa atómica e isótopos


Suplemento De Vídeo: Peso atómico y molecular.




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