你怎么称一个原子？

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摘要：想象一个原子在一个尺度上扑通而下。顺便问一下，你是怎么做到一开始就分离出一个原子的？这给原子-现在被称为“离子”-一个净的负电荷或正电荷。接下来，离子被送到一个管中，在这个管中它们受到电场和磁场的作用。这两个场都对离子施加力，两个力的强度与离子的电荷成正比。这种测量使物理学家能够在一个原子拥有正确数量的电子而不是缺少或过剩电子时确定其质量。

更新：这篇文章是由现场科学撰稿人Rachel Ross于2017年9月11日更新的。

想象一个原子在一个尺度上扑通而下。当你这样做的时候，皮肤细胞是数以万亿计的原子厚的薄片从你的手上脱落，在它周围飘落，把它埋在一堆原子的混合物里。与此同时，湿气和大气颗粒物四处喷射，在天平上来回弹跳，并像挡风玻璃雨刷一样使原子感应针来回摆动。顺便问一下，你是怎么做到一开始就分离出一个原子的？”

片刻的思考表明，你不能用传统的尺度来衡量原子。

取而代之的是，一个多世纪以来物理学家们一直使用一种叫做质谱仪的仪器。物理学家J.J.Thomson于1912年发明并逐步改进，其工作原理如下：首先，物理学家通过向气体发射一束粒子来“电离”一种原子气体，根据所用粒子束的类型，这种气体要么向其中的原子添加电子，要么击落其中的一些电子。这给原子-现在被称为“离子”-一个净的负电荷或正电荷。

接下来，离子被送到一个管中，在这个管中它们受到电场和磁场的作用。这两个场都对离子施加力，两个力的强度与离子的电荷成正比（中性原子感觉不到力）。电力使离子改变速度，而磁力使其路径弯曲。

离子然后被管端的“法拉第杯”收集，在连接到杯的电线中产生电流。通过测量离子流撞击法拉第杯的位置和时间，物理学家可以确定它们在电磁力的作用下必须加速多少，以及加速的方向。最后，根据牛顿第二运动定律，F=m a，重新排列为m=F/a，物理学家用作用在离子上的总力除以它们产生的加速度来确定离子的质量。

电子的质量也用质谱仪来确定，在这种情况下，电子仅仅是通过仪器本身传送的。这种测量使物理学家能够在一个原子拥有正确数量的电子而不是缺少或过剩电子时确定其质量。

使用质谱仪，物理学家已确定氢原子的质量为1.660538921（73）×10-27千克，其中插入的数字不完全确定。这在大多数情况下都是足够精确的。

另一种可以找到原子质量的 ... 是通过测量其振动频率并向后求解，根据Jon R.Pratt在2014年《测量科学杂志》上发表的文章，

原子的振动可以通过几种方式确定，据亚利桑那大学物理系副教授亚历克斯·克罗宁（Alex Cronin）介绍，包括原子干涉法（atom interferometry），其中原子波是相干分裂的，然后再重新组合；频率梳（frequency combs）则是使用光谱法测量振动。频率可与普朗克常数一起使用，以求得原子的能量（E=h v，其中h是普朗克常数，v是频率）。然后，能量可以与爱因斯坦著名的方程E=m c2一起用于求解原子质量，当原子被重新排列为m=E/c2时。

第三种测量原子质量的 ... 在2012年由J.Chaste等人在《自然纳米技术》上发表的文章中描述。这种 ... 包括在低温和真空中使用碳纳米管，并测量振动频率如何随附在碳纳米管上的粒子质量而变化。这个尺度可以测量一个约克的质量，小于一个质子的质量（约克1.67）。

这个实验是用一个150纳米碳纳米管悬浮在一个沟槽上。这个纳米管像吉他弦一样被拔出，这产生了一个自然振动频率，然后与纳米管与其他粒子接触时的振动模式进行比较。纳米管上的质量量会改变产生的频率。

在质谱仪出现之前，化学家对原子是什么还很模糊，那会怎么样？然后，他们主要根据相对质量而不是实际质量来测量组成各种元素的原子的重量。1811年，意大利科学家阿梅迪奥·阿伏加德罗意识到，气体的体积（在给定的压力和温度下）与组成它的原子或分子的数量成正比，而不管它是哪种气体。这一有用的事实使化学家能够比较等量不同气体的相对重量，以确定组成它们的原子的相对质量。

他们用原子质量单位（amu）来测量原子重量，其中1amu等于碳-12原子质量的十二分之一。在十九世纪的下半年，化学家们用其他 ... 来近似给定体积的气体中原子的数量，即著名的常数阿伏伽德罗的数量——他们开始通过对整个气体的体积进行称量来粗略估计单个原子的质量。除以数字。

之间的差别许多人可以互换地使用“重量”和“质量”这两个术语，甚至大多数秤都提供磅和公斤等单位的选项。虽然质量和重量是相关的，但它们不是一回事。在讨论原子时，许多人使用原子质量和原子质量互换，即使它们不是完全相同的东西。“KdSPE”“KdSPs”原子质量被定义为原子中质子和中子的数量，其中每个质子和中子的质量大约为1 AMU（分别为1.0073和1.0087）。与质子和中子相比，原子中的电子是如此微小，以至于它们的质量可以忽略不计。碳-12原子至今仍被用作标准原子，它含有6个质子和6个中子，原子质量为12 amu。同一元素的不同同位素（同一元素具有不同数量的中子）不具有相同的原子质量。碳-13的原子质量为13amu，

的原子质量与物体的重量不同，与引力无关。它是一个无单位值，是一种元素的天然同位素的原子质量与碳-12质量的十二分之一的原子质量之比。对于只有一种天然同位素的铍或氟等元素，原子质量等于原子量。

碳有两种天然同位素——碳-12和碳-13。它们的原子质量分别为12.0000和13.0034，知道它们在自然界中的丰度（分别为98.89%和1.110%），计算出碳的原子质量约为12.01。原子量与碳-12的质量非常相似，因为自然界中的大多数碳是由碳-12同位素构成的。

任何一个原子的原子量都可以通过将一个元素的同位素丰度乘以该元素的原子质量，然后将结果加在一起得到。该方程可用于具有两种或两种以上同位素的元素：

，并且在讨论与原子有关的测量时仍使用第三个值：原子序数。原子序数是由元素中的质子数定义的。一个元素是由原子核所含的质子数量来定义的，与该元素所含的同位素数量无关。碳的原子序数总是6，铀的原子序数总是92。

生命科学撰稿人雷切尔·罗斯的附加报道。

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