Massa atòmica
![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/87/Isotopo.gif/220px-Isotopo.gif)
La massa atòmica, simbolitzada ma, és la massa d'un àtom en el seu estat fonamental expressada en kilograms o en unitats de massa atòmica, essent aquesta mu = 1 u = 1,660 538 782(83) × 10–27 kg.[1]
Els valors de les masses atòmiques són molt petits, entre 1 u i 300 u, o entre 1 yg i 500 yg. Més exactament van d'1,007 825 032 u = 1,673 534 × 10–27 kg per al proti, l'isòtop de l'hidrogen ¹H, l'àtom més lleuger que es troba a l'univers, fins a 294,213 92 u = 488,554 05 × 10–27 kg per a l'isòtop d'oganessó 294Og, l'àtom més pesant obtingut fins ara de forma artificial i inestable.[2]
Els valors de masses atòmiques s'empren quan s'han de fer càlculs per a un determinat isòtop (desintegracions radioactives, fusió nuclear, fissió nuclear, etc.). En física nuclear sovint s'expressen les masses atòmiques amb la seva equivalència en energia a partir de l'equació d'Einstein d'equivalència entre massa i energia , que relaciona l'energia d'una partícula amb la seva massa i la velocitat de la llum al buit . Les unitats habituals són els MeV. El càlcul amb l'isòtop d'hidrogen més lleuger, el proti 1H és:[3]
Determinació experimental
[modifica]![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c3/Openstax_college-physics_22.43_mass-spectrometer.jpg/220px-Openstax_college-physics_22.43_mass-spectrometer.jpg)
Les masses atòmiques actualment es determinen experimentalment mitjançant espectrometria de massa, que utilitza la desviació magnètica dels àtoms ionitzats i accelerats en un camp elèctric . En un primer pas, els àtoms s'han de vaporitzar escalfant la mostra i ionitzar, per exemple irradiant-los amb una font radioactiva. Les partícules α o β s'emeten a gran velocitat per part del radioisòtop i xoquen amb les capes d'electrons més externes dels àtoms, arrabassant alguns electrons, de manera que els àtoms queden carregats positivament amb una càrrega , múltiple sencer de la càrrega elèctrica elemental . Tot seguit a aquests cations de càrrega i massa entren dins d'un primer camp elèctric on la diferència de potencial els accelera assolint una gran velocitat , que és expressada per:[4][5]
A continuació passen per un selector de velocitat, que pot estar constituït per un segon camp elèctric i un primer camp magnètic perpendiculars, de manera que produeixen forces oposades (elèctrica i magnètica ). Aquests camps s'ajusten degudament de forma que només els cations que duen una determinada velocitat poden travessar-lo. Finalment, els cations entren dins d'un segon camp magnètic on es desvien gràcies a la força de Lorentz seguint una trajectòria circular fins a un detector que permet determinar el radi de la trajectòria . De la velocitat i el radi d'aquesta trajectòria se'n pot determinar la massa atòmica amb la següent expressió:[4][5]
S'obtenen diferents valors a causa del fet que hi ha cations amb càrregues diferents () i cal fer un tractament matemàtic extrapolant els valors per a = 1.
Massa atòmica relativa
[modifica]![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/ea/Boron.svg/150px-Boron.svg.png)
La massa atòmica relativa d'un element químic , simbolitzada i sense unitats, està definida com la mitjana ponderada de les masses atòmiques dels isòtops d'aquest element dividida per la unitat de massa atòmica unificada :[3]
Les masses atòmiques relatives hom pot trobar-les habitualment a les taules periòdiques i són valors utilitzats en química a l'hora de realitzar càlculs estequiomètrics, ja que en ells es fan servir els elements químics en la composició isotòpica terrestre. Per exemple, el bor té dos isòtops, el 10B present a la Terra en un 20 % i el 11B present en un 80 %. Les seves masses atòmiques són ma(10B) = 16,626 879 × 10–27 kg i ma(11B) = 18,281 379 × 10–27 kg, la massa atòmica mitjana del bor s'ha de calcular com una mitjana ponderada, considerant les proporcions de cadascun dels isòtops:[6]
i, finalment, la massa atòmica relativa del bor és:[6]
Unitat de massa atòmica
[modifica]La unitat de massa atòmica (u o Da) és una unitat de massa no inclosa en el Sistema Internacional d'Unitats (SI) igual a la dotzena part de la massa d'un àtom de carboni 12 en el seu estat fonamental. S'empra per expressar masses dels elements químics i altres espècies químiques. La constant de massa atòmica val:[7][8]
La constant de massa atòmica està directament relacionada amb la constant d'Avogadro (NA = 1,602 214 076 × 1023 mol–1).[9] La massa d'un sol àtom de carboni 12 s'obté dividint la massa d'un mol (unitat de quantitat de matèria) de carboni 12, per definició 12 g o 0,012 kg, entre el nombre d'àtoms presents en aquest mol, això és la constant d'Avogadro. La és la dotzena part d'aquesta quantitat:S'ha proposat anomenar aquesta unitat dalton, símbol Da, en honor a John Dalton (1766-1844), l'autor de la teoria atòmica.[10] S’utilitza sovint en bioquímica i biologia molecular. Tot i que mai ha estat aprovat per la Conferència General de Pesos i Mesures com unitat del Sistema Internacional,[11] aquesta l'accepta,[12] fins i tot combinat amb múltiples i submúltiples. Per exemple per expressar la massa de molècules grans en kilodaltons, kDa, o megadaltons, MDa, i per expressar el valor de petites diferències de massa d'àtoms o molècules en nanodaltons, nDa, fins i tot picodaltons, pDa.[13]
Massa atòmica i estructura nuclear
[modifica]![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/92/Rutherford_atom.svg/220px-Rutherford_atom.svg.png)
El 1909 el físic britànic Ernest Rutherford (1871-1937) dugué a terme un experiment amb el seu equip, ara conegut com a experiment de Rutherford,[14] amb l'objectiu d'estudiar l'àtom i comprovar el model atòmic suggerit el 1904 pel també físic britànic Joseph John Thomson (1856-1940).[15] Les dades aconseguides bombardejant amb partícules α àtoms el dugueren a rebutjar el model de Thomson i a formular-ne el 1911 un de nou (model de Rutherford) que permetia explicar les observacions que havia realitzat.[16] Bàsicament, el seu model diu que l'àtom té un nucli, molt petit, on es concentra pràcticament tota la massa atòmica i té tota la càrrega elèctrica positiva; al voltant d'ell es mouen els electrons, amb la càrrega negativa, a grans velocitats seguint òrbites circulars com ho fan els planetes del sistema solar al voltant del Sol i deixant un espai buit molt gros entre ells i el nucli, que és molt petit.[5]
Estudis posteriors permeteren descobrir que al nucli atòmic hi havia dos tipus de partícules, els protons amb càrrega positiva, i els neutrons, sense càrrega elèctrica, i amb masses semblants. Ambdós s'anomenen nucleons perquè estan situats al nucli. La massa d'un neutró en repòs (mn = 1,675 × 10–27 kg) és un poc superior a la massa del protó en repòs (mp = 1,673× 10–27 kg). Els electrons tenen masses en repòs quasi dues mil vegades inferiors als nucleons (me = 0,000 911 × 10–27 kg).[17]
La massa atòmica pot escriure's en funció del nombre de protons (Z o nombre atòmic) i de nucleons (A o nombre màssic):
on:
- és el nombre de protons de l'àtom i, també, el nombre d'electrons si l'àtom és neutre.
- és el nombre de neutrons (nucleons - protons).
- és la massa del protó, exactament 1,672 621 637(83) × 10–27 kg.
- és la massa del neutró, exactament 1,674 927 211(84) × 10–27 kg.
- és el defecte màssic. Representa la massa que es perd en formar-se un nucli atòmic a partir dels nucleons lliures. El terme és l'anomenada energia de lligadura que és la que manté units els nucleons en el nucli. En dividir-se per , on és la velocitat de la llum (299 792 458 m s–1), permet expressar-la en termes de massa segons l'equació d'Einstein d'equivalència massa-energia, .[17]
Referències
[modifica]- ↑ McNaught, A.D.; Wilkinson, A. IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, the "Gold Book" (en anglès). 2a edició. Oxford: Blackwell Scientific Publications, 1997. DOI 10.1351/goldbook.A00496. ISBN 0-9678550-9-8 [Consulta: 13 març 2020].
- ↑ National Institute of Standards and Technology. Masses atòmiques relatives i composició isotòpica per a tots els elements Arxivat 2006-12-31 a Wayback Machine.
- ↑ 3,0 3,1 Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry. 3a. IUPAC, 2007.
- ↑ 4,0 4,1 «espectròmetre de massa». Gran Enciclopèdia Catalana. Barcelona: Grup Enciclopèdia Catalana.
- ↑ 5,0 5,1 5,2 Becker, Johanna Sabine. Inorganic mass spectrometry: principles and applications (en anglès). Hoboken, N.J: Wiley, 2007. ISBN 978-0-470-01200-0. Arxivat 2024-07-15 a Wayback Machine.
- ↑ 6,0 6,1 Parsonage, Max. Chemistry (en anglès). Regne Unit: Oxford University Press., 2001. ISBN 9780199147649. Arxivat 2024-07-15 a Wayback Machine.
- ↑ «unified atomic mass unit (U06554)». The International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC). Arxivat de l'original el 2022-08-16. [Consulta: 4 octubre 2021].
- ↑ «CODATA Value: atomic mass constant». Arxivat de l'original el 2019-03-22. [Consulta: 4 octubre 2021].
- ↑ «CODATA Value: Avogadro constant». Arxivat de l'original el 2017-06-17. [Consulta: 27 gener 2023].
- ↑ «Massa atòmica». Gran Enciclopèdia Catalana. Barcelona: Grup Enciclopèdia Catalana.
- ↑ «dalton». The International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC). Arxivat de l'original el 2022-08-16. [Consulta: 5 octubre 2021].
- ↑ Le Système International d'Unités (SI) = The International System of Units (SI). 9e éd. Sèvres: Bureau International des Poids et Mesures, 2019. ISBN 978-92-822-2272-0. Arxivat 2024-01-31 a Wayback Machine.
- ↑ Le Système International d'Unités (SI) = The International System of Units (SI). 8e éd. Sèvres: Bureau International des Poids et Mesures, 2006. ISBN 92-822-2213-6. Arxivat 2024-07-15 a Wayback Machine.
- ↑ Geiger, Hans; Rutherford, Ernest «The scattering of α-particles by matter». Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character, 83, 565, 14-04-1910, pàg. 492–504. Arxivat de l'original el 2024-07-15. DOI: 10.1098/rspa.1910.0038 [Consulta: 22 març 2024].
- ↑ F.R.S, J. J. Thomson «XXIV. On the structure of the atom: an investigation of the stability and periods of oscillation of a number of corpuscles arranged at equal intervals around the circumference of a circle; with application of the results to the theory of atomic structure». The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 7, 39, 01-03-1904, pàg. 237–265. Arxivat de l'original el 2024-07-15. DOI: 10.1080/14786440409463107. ISSN: 1941-5982 [Consulta: 22 març 2024].
- ↑ Rutherford, E. «LXXIX. The scattering of α and β particles by matter and the structure of the atom». The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 21, 125, 01-05-1911, pàg. 669–688. Arxivat de l'original el 2024-07-15. DOI: 10.1080/14786440508637080. ISSN: 1941-5982 [Consulta: 22 març 2024].
- ↑ 17,0 17,1 Barret, J. Atomic Structure and Periodicity. Royal Society of Chemistry, 2002. ISBN 9780854046577. Arxivat 2024-07-15 a Wayback Machine.
Enllaços externs
[modifica]- «Atomic Weights and Isotopic Compositions for All Elements» (en anglès). [Consulta: 22 març 2013]. «Taula amb els pesos atòmics dels elements químics»
- http://www.nndc.bnl.gov/masses/ Arxivat 2019-01-11 a Wayback Machine.
Text is available under the CC BY-SA 4.0 license; additional terms may apply.
Images, videos and audio are available under their respective licenses.