מסה אטומית

בכימיה, מסה אטומית (m_a) היא מסה של חלקיק, אטום או מולקולה המבוטאת לצורכי נוחות ביחידות של מסה אטומית אחידה (שהיא אחד חלקי 12 ממסתו של האיזוטופ פחמן 12 במצבו האנרגטי היסודי). כשמשתמשים ביחידה זו מציינים זאת באות u (המחליפה את הסימון הארכאי AMU) או בסימון Da (כלומר דלטון). עם זאת, ניתן לבטא מסה אטומית בכל יחידת מסה בה מעוניינים, כגון קילוגרם. יחידת מסה אטומית הינה שוות ערך ל-‎1.660538921×10^-27‎ קילוגרם.

משקל אטומי של יסוד, כפי שמופיע בטבלה המחזורית, הוא ממוצע המסות האטומיות של כל האיזוטופים היציבים של אותו יסוד על פי שכיחותם בטבע (כלומר תוחלת המסות האטומיות של האיזוטופים היציבים) .

חישוב המסה האטומית של אטום 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:

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

כאשר z הוא המספר האטומי, A הוא מספר המסה, ו- B הוא אנרגיית קשר.

מכיוון שהיחס בין מסות המנוחה של הנוקלאונים (הפרוטון והנייטרון) לבין שאר הגורמים הוא גדול, המסה האטומית של אטום שווה בקירוב למספר המסה.

מדידת מסה אטומית

השיטה הנפוצה למדידת המסה האטומית היא ספקטרומטרית מסות (A.M.S. - Atomic Mass Spectrometry). היא מבוססת על כך שיון הנע במהירות קבועה בשדה מגנטי אחיד שומר על מסלול מעגלי שרדיוסו תלוי במסת היון. לפיכך, אפשר לקבוע את מסת היון לפי רדיוס הסיבוב. באופן מפורט יותר זה נעשה באופן הבא:

• מיננים (בעזרת מתח חשמלי או חימום) כמות של יחידות איזוטופ נתון שאת מסתו מעוניינים למדוד. בהנחה שיחידת איזוטופ מיוננת רק פעם אחת, יהיה מטענה החשמלי בדיוק e-.
• את היונים מעבירים דרך מיכל המכיל חור כניסה וחור יציאה המכוונים זה מול זה, ואשר מושרים בו שדה חשמלי ושדה מגנטי המאונכים הדדית ומאונכים לכיוון ההתקדמות של היונים. נהוג לכנות התקן זה בשם מסנן מהירויות.

הכח החשמלי הפועל על היון הינו קבוע והוא תמיד:

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

הכח המגנטי הפועל על היון תלוי במהירותו, והוא נתון על ידי:

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

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.

• ביציאתם ממסנן המהירויות מועברים היונים דרך שדה מגנטי נוסף 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. כתוצאה מכך תתקבל תאוצה צנטרפיטלית בשיעור:

$a={\frac {v^{2}}{r}}$

מאחר ש

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

אפשר להציב:

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

ומכיוון ששאר הפרמטרים ידועים מראש, מדידת רדיוס מסלולו של היון מאפשרת לחשב את מסת האיזוטופ:

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

אמנם בשיטה זו נמדדת מסת האיזוטופ כשהוא מיונן (כלומר ללא מסת האלקטרון החסר), אולם פרט זה ניתן להשלמה שכן מסת האלקטרון ידועה ואת אנרגיית הקשר שלו באיזוטופ ניתן לחשב בהתבסס על מדידות מתאימות.

ראו גם

• אטום
• הטבלה המחזורית
• איזוטופ