מסה אטומית

מסה אטומית (atomic mass, סימן: m_a) היא המסה של אטום. בפיזיקה וכימיה, יחידת המידה הנפוצה לציון מסה אטומית היא יחידת מסה אטומית מאוחדת (u), השווה בדיוק ל-1 חלקי 12 ממסתו של אטום אחד של האיזוטופ פחמן-12. עם זאת, ניתן לבטא מסה אטומית בכל יחידת מסה אחרת, כגון קילוגרם. יחידת מסה אטומית מאוחדת שווה ‎1.66053904×10^-27‎ קילוגרם. המסה האטומית משתנה עם שינוי האיזוטופ, גם אם היסוד אינו משתנה. בהתאם, מסה אטומית מכונה גם מסה איזוטופית (isotopic mass).

משקל אטומי של יסוד, או מסה אטומית יחסית (relative atomic mass) – נתון המופיע לעיתים תחת שמו של היסוד 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 הגרעינית והאלקטרונית של אותו אטום, במצב היסוד שלו, כלומר, לא במצב מעורר:

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

כאשר Z הוא המספר האטומי, A הוא מספר המסה ו-B הוא אנרגיית הקשר.

מכיוון שקיים יחס גבוה בין מסות המנוחה של הנוקליאונים (הפרוטון והנייטרון) לבין זו של האלקטרון, המסה האטומית של אטום שווה בקירוב למספר המסה שלו, שהוא מספר הנוקליאונים בגרעין. לדוגמה, מספר המסה של ברזל-56 הוא 56 ואילו המסה האטומית שלו היא 55.93493633 יחידות מסה אטומית מאוחדת.

מדידת מסה אטומית

השיטה הנפוצה למדידת המסה האטומית היא ספקטרומטריית מסות (atomic mass spectrometry, AMS). שיטה זו מבוססת על העובדה שיון הנע במהירות קבועה, בשדה מגנטי אחיד, שומר על מסלול מעגלי שרדיוסו תלוי במסת היון. לפיכך, אפשר לקבוע את מסת היון לפי רדיוס הסיבוב.

מדידה ספקטרומטרית של מסה אטומית כוללת את הפעולות הבאות:

• יינון (בעזרת מתח חשמלי או חימום) כמות נתונה של אטומים של איזוטופ נתון, שאת מסתו מעוניינים למדוד. בהנחה שכל אטום של האיזוטופ מיונן רק פעם אחת, יהיה מטענו החשמלי -1 e.
• העברת היונים דרך מסנן מהירויות, שהוא מיכל בו חור כניסה וחור יציאה המכוונים זה מול זה, אשר מושרים בו שדה חשמלי ושדה מגנטי מאונכים הדדית ומאונכים לכיוון ההתקדמות של היונים.
• הכוח החשמלי הפועל על היון הוא קבוע:

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

• הכוח המגנטי הפועל על היון תלוי במהירותו ונתון על ידי

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

• לרוב, כוחות אלו יהיו שונים זה מזה, כך שהיון יסטה ממסלולו ולא יעבור דרך חור היציאה. אולם, אם מהירות היון תקיים את השוויון

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

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

הכוח המגנטי יהיה שווה לכוח החשמלי והכוח השקול הפועל על היון יתאפס. במקרה זה, היון יעבור דרך חור היציאה.

באמצעות שיטה זו, מתקבלים יונים של האיזוטופ בעלי מהירות ידועה.

• ביציאתם ממסנן המהירויות, העברת היונים דרך שדה מגנטי נוסף, המאונך לכיוון התקדמותם. הכוח המגנטי הפועל על היון הוא, כאמור,

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

והוא פועל תמיד בניצב לכיוון ההתקדמות. כתוצאה מכך, מתקבלת תאוצה צנטריפטלית בשיעור של

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

• מכיוון שמתקיים השוויון

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

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

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

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

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 לפי מדידות מתאימות.

ראו גם

• מספר אטומי (Z) – מספר הפרוטונים בגרעין של אטום מסוים; קובע את היסוד של האטום.
• מספר מסה (A) – מספר הנוקליאונים (פרוטונים ונייטרונים) בגרעין של אטום מסוים; קובע את האיזוטופ של האטום.
• יחידת מסה אטומית מאוחדת (u) – יחידת מידה קבועה של מסה, השווה ¹⁄₁₂ מהמסה של אטום אחד של פחמן-12.
• משקל אטומי או מסה אטומית יחסית (A_r) – המסה הממוצעת של אטום אחד של יסוד מסוים, לאחר שקלול שכיחותם היחסית של האיזוטופים השונים של היסוד, שלכל אחד מהם מסה אטומית שונה.
• מסה מולקולרית (m) – מסה של מולקולה מסוימת; ניתנת למדידה ביחידות u.
• מסה מולרית (M) – מסה של כמות נתונה של חלקיקים מסוימים; נמדדת ביחידות g/mol.