چرا اتم ها را اینطور وزن می کنیم؟

چند روز پیش داشتم به آخرین پادکست Radiolab گوش می کردم. اگر تا به حال به یکی از این ها گوش نداده اید، واقعاً باید. آنها به زیبایی تولید شده اند و بدون شکست، کاملاً جذاب هستند. در حدود یک سال گذشته، من در مورد درمان احتمالی یک بیماری با نرخ مرگ و میر 100٪، یک داستان روسی آخرالزمان در مورد اسب های یخ زده در یک قطعه یخ، و یک نظریه جدید برای پایان دایناسورها یاد گرفتم که در آن، اگر من درست متوجه شدم، آنها اساساً تا حد مرگ کباب شده بودند. اپیزودهای Radiolab همیشه مانند یک استفاده کاملاً خوب از زمان مغز است.

به هر حال، اگر هنوز با من هستید و برای دانلود فوری برخی از این جواهرات کوچک تلاش نکرده اید، آخرین قسمت درباره وزن ها و اندازه ها و نحوه استانداردسازی آنها در طول سال ها است. به ویژه کیلوگرم، که آخرین استاندارد فیزیکی در حال استفاده است، اگرچه احتمالاً برای مدت طولانی نیست (به پادکست گوش دهید).

این باعث شد در مورد اتم ها و به ویژه نحوه تعیین جرم آنها فکر کنم. می بینید که این مهم است، زیرا جرم اتم ها به ما شیمیدان ها می گوید که چقدر مواد استفاده کنیم. اگر محلول نمکی با غلظت خاصی می خواهم، تنها کاری که باید انجام دهم این است که اعداد جدول تناوبی را جستجو کرده، مقدار مناسب نمک را وزن کرده و آن را با مقدار مناسب آب رقیق کنید. و اگر بیمار هستید که نیاز به قطره نمک دارید، بهتر است امیدوار باشید که من آن را به درستی انجام داده باشم.

به هر حال، اگر جدول تناوبی خود را به خاطر بیاورید (که البته یادتان می‌آید، اما در هر صورت، این یک عکس است) همه عناصر دارای دو عدد هستند.

 

یکی از این اعداد عدد اتمی است که تعداد پروتون های موجود در هسته هر اتم عنصر است. طبیعت به راحتی توانسته است برای هر عدد یک هسته اتمی بین 1 و در آخرین شمارش 118 تولید کند و اگر جدول تناوبی را از چپ به راست، از بالا به پایین بخوانید، خواهید دید که اعداد یک عدد بالا می روند. زمان.

عدد دیگر، جرم اتمی نسبی، کمی مرتب تر است. همچنان که در امتداد جدول تناوبی پیش می روید، بالا می رود، اما با جهش های کمتر منظم تقریباً بین یک تا سه. بدون پرداختن به جزئیات زیاد، جرم اتمی نسبی استاندارد شده است ¹⁄₁₂ جرم کربن 12. که این سوال پیش می آید که چرا؟ هر کسی که از نظر ریاضی بیشتر آگاه باشد، این کار را انجام داده است ¹⁄₁₂ از 12، خوب، 1 است. پس چرا همه عناصر را با هیدروژن مقایسه نمی کنیم که در واقع جرم آن 1 است؟ یا اگر به دلایلی غیر ممکن است، چرا که نه، نمی دانم، انتخاب کنید ¹⁄₉ بریلیم-9 یا ¹⁄₂₈ سیلیکون 28؟

در واقع، تقریباً دقیقاً 200 سال پیش در حال حاضر، جرم اتمی (در آن زمان وزن اتمی نامیده می شد) در ابتدا با هیدروژن مقایسه می شد و تصور می شد که همه عناصر دارای جرم هایی هستند که دقیقاً مضرب هیدروژن هستند.

مشکل این بود که با پیچیده‌تر شدن تکنیک‌های اندازه‌گیری، مشخص شد که برخی از عناصر به‌طور نامناسبی از قانون پیروی نمی‌کنند. در واقع، برخی از آنها کاملاً برعکس بودند، مانند کلر که به نظر جرمی داشت که حتی یک عدد کامل هم نبود.

این، حداقل تا حدی، در سال 1932 زمانی که جیمز چادویک وجود نوترون ها را اثبات کرد، حل شد. وجود ایزوتوپ‌ها قبلاً پیشنهاد شده بود، اما در نهایت مشخص شد که چیزهای مزاحم در واقع چه هستند. به نظر می رسد برخی از اتم ها چاق تر از بقیه هستند و یک یا دو ذره بدون بار بیشتر در هسته خود دارند. این اتم بودن آنها را تغییر نمی دهد – آنها هنوز هم تعداد پروتون های مشابهی دارند – اما آنها را کمی سنگین تر می کند. به عنوان مثال، نمونه ای از کلر خالص را بردارید و متوجه می شوید که تقریباً سه چهارم اتم های موجود در آن دارای جرم 35 هستند، در حالی که یک چهارم دیگر اتم ها دارای جرم 37 هستند. و کلر 37. میانگین وزنی این دو را محاسبه کنید و 35.5 بدست می آورید که عددی است که در جداول تناوبی مشاهده می کنید.

در اواسط قرن بیستم، یک دعوای جزئی بین شیمیدانان و فیزیکدانان شروع شد (شیمیدانان و فیزیکدانان اغلب با هم دعوا می کنند: آنها کمی شبیه انگلیسی ها و فرانسوی ها هستند: آنها دوست دارند یکدیگر را ملاقات کنند، اما فقط برای اینکه بتوانند در مورد آنها ناله کنند. دیگران چقدر آزاردهنده هستند و چقدر بد همه کارها را انجام می دهند). در این زمان تغییری از استفاده از هیدروژن (سبک ترین عنصر) به اکسیژن به عنوان استانداردی بود که سایر توده های عنصری با آن مقایسه می شدند. این عمدتاً برای راحتی تجزیه و تحلیل شیمیایی بود: اکسیژن با چیزهای زیادی ترکیب می شود تا اکسیدهای ساده ای بسازد، در حالی که هیدریدها کمتر رایج هستند و کار با آنها دشوارتر است. بعلاوه، مقادیر زیادی گاز هیدروژن کمی (به معنای سنگین بودن فیل یا کمی سمی بودن سیانید) در معرض خطر انفجار است. اکسیژن باعث می شود چیزهای دیگر به خوبی بسوزند، اما در واقع خود قابل اشتعال نیست. اگر بتوانید آن را از سایر مواد قابل اشتعال دور نگه دارید، گزینه بسیار مطمئن تری است.

مشکل این بود که شیمیدان‌ها از مقیاس جرمی استفاده می‌کردند که بر اساس انتساب عدد 16 به مخلوط طبیعی اکسیژن (که عمدتاً حاوی اکسیژن 16 است، با تکه‌های کمی از اکسیژن 17 و اکسیژن 18) استفاده می‌کردند. از سوی دیگر، فیزیکدانان به جای آن عدد 16 را به ایزوتوپ اکسیژن-16 که با استفاده از تکنیک طیف سنجی جرمی جدا کرده بودند، نسبت دادند.

ممکن است فکر کنید روش فیزیکدانان منطقی تر به نظر می رسد، اما استدلال شیمیدانان این بود که در ترکیبات طبیعی ترکیبی از ایزوتوپ ها وجود خواهد داشت، بنابراین منطقی است که از عددی بر اساس آن مخلوط استفاده کنید، زیرا هرگز در واقع با یک اتم مواجه نمی شوید. تنهایی. در هر صورت، نتیجه تفاوت در اعداد بود، مسلماً تا حدودی کمتر از رقم اعشار، اما در هر حال تفاوت کمتری داشت. البته امکان تبدیل بین این دو وجود داشت، اما در آن زمان دانشمندان با چیزهای فریبنده ای مانند انرژی هسته ای و البته بمب دست و پنجه نرم می کردند. حتی یک اختلاف کوچک در n^هفتم رقم اعشار به طور بالقوه فاجعه بار بود. بعضی چیزها باید انجام شوند.

در سال 1961، به لطف تلاش‌های مشترک فیزیکدان جوزف ماتاچ و شیمیدان ادوارد ویچرز، که گروه‌های مربوطه خود را متقاعد کردند تا منطقی باشند و با یکدیگر خوب بازی کنند، در سال 1961 مصالحه به توافق رسید.

نتیجه این بود که جرم کربن 12 دقیقاً 12 بود و مقیاس جرم اتمی نسبی بر اساس آن تعیین شد. انتخاب کربن تا حدی تا حدودی دلبخواه بود. این برای فیزیکدانانی که قبلاً از کربن به عنوان استانداردی برای طیف سنجی جرمی استفاده می کردند، مناسب بود. بین دو مقدار قبلی (1 برای هیدروژن و 16 برای اکسیژن) قرار گرفت که به این معنی بود که هر قطعه کار موجود را بیش از حد از بین نمی‌برد. به ویژه، شیمیدانان تمایلی به تغییر روش فیزیکدانان نداشتند ¹⁄₁₆ از ایزوتوپ اکسیژن-16، زیرا تعداد آنها را به طور قابل توجهی تغییر می دهد. تغییر به ¹⁄₁₂ کربن 12 در کمال تعجب به معنای تغییر کوچکتر بود. کربن نیز، البته، یک عنصر طبیعی فراوان است و به راحتی می‌توان نمونه‌هایی از کربن خالص را به دست آورد.

و همانطور که می گویند همین است. مقیاس کربن 12 هنوز هم امروزه، بیش از 50 سال بعد، استفاده می شود و راه به جایی نمی برد. هیدروژن رسما است ¹⁄₁₂ جرم کربن 12 است و ما از کربن 12 استفاده می کنیم زیرا اساساً این تنها گزینه ای بود که شیمی دانان و فیزیکدانان روی آن توافق داشتند. هی، این یک دلیل خوب است.