单个原子小到看不见,那么物理学家是如何测出质量的?
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发布时间：2022-04-29 02:45
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时间：2022-06-29 00:27
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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时间：2022-06-29 00:27
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时间：2022-06-29 00:28
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