מסה אטומית

מסה אטומית הוא מושג בכימיה 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 כחלק ה-12 של האיזוטופ פחמן 12.

חישוב המסה האטומית נעשה על ידי סכימה של מסות המנוחה של כל רכיבי האטום (פרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים) והפחתת אנרגית 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 והנויטרון) לבין שאר הגורמים הוא גדול, ולכן בקירוב המסה האטומית שווה למספר האטומי:

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

אין לבלבל את המושג עם משקל אטומי.

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 דוגמא 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. ע"י 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 תיאורטי. (אנו יודעים את מסת האלקטרון ומסוגלים למדוד את אנרגית הקשר שלו באיזוטופ).

תבנית:Link FA

ערך זה הוא קצרמר בנושא כימיה. אתם מוזמנים לתרום לוויקיפדיה ולהרחיב אותו.