מסה אטומית

בכימיה, מסה אטומית הוא מושג המבטא את המסה של איזוטופ מסוים של אטום, כאשר הוא במנוחה ובמצבו הנייטרלי מבחינה חשמלית. בדרך כלל מסה זו מבוטאת ביחידות מסה אטומית, a.m.u. המוגדרת כאחד חלקי 12 ממסתו של האיזוטופ פחמן 12.

גודל קשור הוא המשקל האטומי, המודד את המסה הממוצעת של כל האיזוטופים של יסוד מסוים על פי שכיחותם בטבע. המשקל האטומי והמסה האטומית קרובים אך שונים בערכם.

חישוב המסה האטומית נעשה על ידי סכימה של מסות המנוחה של כל רכיבי האטום (פרוטונים, נייטרונים ואלקטרונים) והפחתת אנרגיית הקשר הכוללת של האטום (גם זו הגרעינית וגם זו האלקטרונית) במצב היסוד שלו:

$M=Zm_{p}+\left(A-Z\right)m_{n}+Zm_{e}-B$

עם זאת, התבוננות ברשימה הבאה מראה, שהיחס בין מסות המנוחה של הנוקלאונים (הפרוטון והנייטרון) לבין שאר הגורמים הוא גדול, ולכן בקירוב המסה האטומית שווה למספר המסה:

• מסת המנוחה של נוקלאון היא כמעט GeV
• אנרגיית הקשר הגרעינית היא מסדר גודל של מספר MeV לנוקלאון
• מסת המנוחה של האלקטרון היא כמחצית MeV
• אנרגיית הקשר האלקטרונית מגיעה עד עשרות keV לאלקטרון

מדידת מסה אטומית

השיטה הנפוצה למדידת המסה האטומית נקראת ספקטרומטרית מסות (A.M.S. - Atomic Mass Spectrometry). העקרון הבסיסי הוא שיון הנע במהירות קבועה בשדה מגנטי אחיד מסתובב במעגל ברדיוס התלוי במסתו. עובדה זו מאפשרת לתכנן מערכת שתקבע לפי רדיוס הסיבוב את מסת האטום. באופן מפורט יותר זה נעשה באופן הבא:

• מיננים דוגמה של איזטופים שמעוניינים למדוד בעזרת מתח חשמלי או חימום. ההנחה היא שכל איזוטופ מיונן רק פעם אחת, ולכן מטענו החשמלי הוא בדיוק e-.
• את היונים מעבירים דרך מסנן מהירויות. מסנן מהירויות אינו אלא מיכל, המכיל חור כניסה וחור יציאה זה מול זה. במיכל משרים שדה חשמלי ושדה מגנטי מאונכים זה לזה, ומאונכים לכיוון ההתקדמות של היונים.

הכח החשמלי הפועל על היון הינו קבוע והוא תמיד:

${\vec {F}}=-e{\vec {E}}$

הכח המגנטי הפועל על היון תלוי במהירותו, והוא יהיה:

$\ {\vec {F}}=-{\frac {e}{c}}{\vec {v}}\times {\vec {B}}$

בדרך כלל כוחות אלו יהיו שונים זה מזה, ולכן היון יסטה ממסלולו ולא יעבור דרך חור היציאה. אולם, במידה ומהירות היון תקיים

$eE={\frac {e}{c}}vB$

$v={\frac {cE}{B}}$

הכוח המגנטי יהיה שווה לכח החשמלי, והכח השקול הפועל על היון יתאפס. במקרה זה היון יעבור דרך חור היציאה. בעזרת שיטה זו נקבל יונים של האיזוטופ במהירות ידועה.

• אחרי מסנן המהירויות עוברים היונים דרך שדה מגנטי המאונך לכיוון התקדמותם. הכח המגנטי הפועל על היון הוא כאמור:

$\ {\vec {F}}=-{\frac {e}{c}}{\vec {v}}\times {\vec {B}}$

והוא פועל תמיד בניצב לכיוון ההתקדמות. לכן הוא מפעיל תאוצה צנטרפיטלית בשיעור:

$F=ma=m{\frac {v^{2}}{r}}$

נציב את הביטוי לכח ונקבל:

${\frac {evB}{c}}={\frac {mv^{2}}{r}}$

$r={\frac {m}{e}}{\frac {vc}{B}}$

מכל זה יוצא לנו שהיון יסתובב במעגל, ברדיוס הנקבע לפי מסתו. על ידי מדידת רדיוס הסיבוב כתלות בפרמטרים שאנחנו קובעים (B או v) נוכל לדעת את מסת האיזוטופ.

יש לשים לב שבשיטה זו מודדים את מסת האיזוטופ עם אלקטרון חסר, אולם זהו הפרש קטן הניתן להשלמה באופן תאורטי. (אנו יודעים את מסת האלקטרון ומסוגלים למדוד את אנרגיית הקשר שלו באיזוטופ).

ראו גם

• אטום
• הטבלה המחזורית
• איזוטופ