มวลอะตอม

มวลอะตอม

          นักวิทยาศาสตร์หลายคน เช่น ดอลลัน เก – ลูซัก ลาวัวซิเอและอาโวกาโดร ให้ความสนใจศึกษามวลอะตอมของธาตุ โดยสังเกตการณ์รวมตัวของธาตุเมื่อเกิดเป็นสารประกอบ พบว่าธาตุเหล่านั้นจะรวมตัวด้วยอัตราส่วนจำนวนอะตอม หรืออัตราส่วนโดยมวลคงที่ สำหรับดอลตัน นั้นเชื่อว่าอะตอมของธาตุต่างชนิดกันมีมวลไม่เท่ากัน จึงได้พยายามหามวลอะตอมของแต่ละธาตุ แต่เนื่องจากอะตอมมีขนาดเล็กมาก (ปัจจุบันพบว่ามีรัศมีอะตอมยาวประมาณ 10-10 เมตรเท่านั้น) อะตอมที่เบาที่สุดคืออะตอมของไฮโดรเจนซึ่งมีมวลประมาณ  1.66x1o-24 กรัม และอะตอมที่หนักที่สุดมีมวลประมาณ 250 เท่าของมวลนี้ ทำให้ไม่สามารถชั่งมวลของอะตอมโดยตรงได้ ดอลตันจะหามวลอะตอมของธาตุโดยใช้วิธีการเปรียบเทียบว่า อะตอมของธาตุที่ต้องการศึกษามีมวลเป็นกี่เท่าของอะตอมของธาตุที่กำหนดให้เป็นมาตรฐาน

          ดอลตันเสนอให้ใช้ธาตุไฮโดรเจนซึ่งมีมวลน้อยที่สุดเป็นธาตุมาตรฐานในการเปรียบเทียบหามวลอะตอมของธาตุโดยกำหนดให้ธาตุไฮโดรเจน 1 อะตอมมีมวล 1 หน่วย  ตัวเลขที่ได้จากการเปรียบเทียบมวลของธาตุ1อะตอม กับมวลของธาตุมาตรฐาน 1 อะตอม   เรียกว่ามวลอะตอมของธาตุ  ซึ่งเขียนได้โดยความสัมพันธ์ดังนี้

ต่อมามีผู้เสนอให้ใช้ธาตุออกซิเจนเป็นมาตรฐานแทนธาตุไฮโดรเจนเพราะว่าธาตุออกซิเจนอยู่เป็นอิสระในบรรยากาศและทำปฏิกิริยากับธาตุอื่นๆได้ง่าย แต่ธาตุออกซิเจน 1 อะตอม มีมวลเป็น 16 เท่าของไฮโดรเจน 1 อะตอมจึงเขียนเป็นความสัมพันธ์ได้ดังนี้
เนื่องจากธาตุออกซิเจนมีหลายไอโซโทป คือ  160, 170, 180  และนักเคมีกับนักฟิสิกส์กำหนดมวลอะตอมของออกซิเจนไม่เหมือนกัน โดยนักเคมีใช้มวลอะตอมเฉลี่ยของออกซิเจนทั้ง 3 ไอโซโทป แต่นักฟิสิกส์ใช้มวลอะตอมของ 160เท่านั้น ตั้งแต่ พ.ศ.2504 เป็นต้นมา นักวิทยาศาสตร์จึงตกลงใช้สูตร 12cซึ่งเป็นไอโซโทปหนึ่งของคาร์บอนเป็นมาตรฐานในการเปรียบเทียบมวล โดยกำหนดให้ 12c  จำนวน 1 อะตอม มีมวล 12 หน่วยมวลอะตอม ดังนั้น 1 หน่วยมวลอะตอมจึงมีค่าเท่ากับ1/1มวลของ 12c  จำนวน 1 อะตอม หรือเท่ากับ 1.66x1o-24กรัม มวลอะตอมของธาตุเขียนเป็นความสัมพันธ์ได้ดังนี้
มวลอะตอมของธาตุกับมวลของธาตุ1อะตอมแตกต่างกันอย่างไร และมวลอะตอมของธาตุมีหน่วยกำกับไว้หรือไม่
ตัวอย่างที่ 1 
ธาตุแมกนีเซียมมีมวลอะตอม 24.31
ธาตุแมกนีเซียม 1 อะตอมมีมวลเท่าใด
มวลของ Mg 1 อะตอม =nbsp;24.31 x 1.66 x 1.66x1o-24
                                     =  4.04 x 1o-23ตัวอย่างที่ 2 
ธาตุโซเดียม 10 อะตอม มีมวล  3.82x 1o กรัม
มวลอะตอมของค่าโซเดียมมีค่าเท่าใด
มวลของ Na 1 อะตอม =3.82 x 1o-22 /10 
                                    = 3.82×10-22g
                                    =  3.82×10-23g /  3.82×10-24g
                                    =  23.01
มวลอะตอมของ Na เท่ากับ 23.01
          จากตัวอย่างทั้งสองคงช่วยให้นักเรียนเข้าใจได้ว่ามวลอะตอมของธาตุจะไม่มีหน่วยกำกับ เพราะเป็นค่าเปรียบเทียบระหว่างมวล 1อะตอมของธาตุนั้น กับมวลของ 12c แต่มวลของธาตุ 1 อะตอมเป็นมวลที่แท้จริงของธาตุนั้นจึงมีหน่วยกำกับไว้ด้วย

ธาตุในธรรมชาติส่วนใหญ่มีหลายไอโซโทป เช่น คาร์บอนมี 3 ไอโซโทป คือ  และ   แต่ละไอโซโทปมีมวลอะตอมและปริมาณที่พบในธรรมชาติแตกต่างกันคือ 12c13c14c   มีมวลอะตอม 12.0000 มีปริมาณร้อยละ 98.892  มีมวลอะตอม 13.00335 มีปริมาณร้อยละ 1.108ส่วน14c เป็นไอโซโทปกัมมันตรังสีมีปริมาณน้อยมาก การคำนวณมวลอะตอมของคาร์บอนจึงคิดจากมวลอะตอมและปริมาณของไอโซโทปเฉพาะที่พบอยู่ในธรรมชาติ ดังนี้

มวลอะตอมของคาร์บอน =(98.892×12/100)+(1.108×13.00335/100)

                                         = 11.8670+0.1441
                                         = 12.0111

= 11.8670+0.1441

= 12.0111
 มวลอะตอมของคาร์บอนที่คำนวณได้เป็นค่ามวลอะตอมเฉลี่ยของคาร์บอน จึงจะสอดคล้องกับค่ามวลอะตอมของธาตุที่ปรากฏในตารางธาตุ ดังนั้น ค่ามวลอะตอมของธาตุใดๆ เป็นตารางธาตุจึงมีค่ามวลอะตอมเฉลี่ยซึ่งขึ้นอยู่กับค่ามวลอะตอมและปริมาณของไอโซโทปที่พบอยู่ในธรรมชาติ ปัจจุบันนี้การหามวลอะตอมและปริมาณของแต่ละไอโซโทปของธาตุจะใช้เครื่องแมสสเปกโทรมิเตอร์ส่วนประกอบหลักของออุปกรณ์และการทำงานในเครื่องแมสสเปกโทรมิเตอร์รูปแบบหนึ่งแสดงดังรูป 4.1 ก วิธีการและการทำงานของเครื่องเป็นดังนี้คือ ทำให้อะตอมของสารตัวอย่างในสถานะแก๊สแตกตัวเป็นไอออนบวกโดยใช้ลำอิเล็กตรอนพลังงานสูงยิงไปที่สารตัวอย่าง ไอออนบวกที่แตกตัวออกมานี้มีทั้งประจุ (e) และมวล (m) เมื่อผ่านแผ่นเร่งอนุภาคที่เป็นสนามไฟฟ้า จะทำให้มีความเร็วเพิ่มขึ้นและผ่านเข้าไปในสนามแม่เหล็ก ไอออนบวกจะถูกเบนจากแนวเส้นตรงเป็นเส้นโค้ง รัศมีของเส้นโค้งขึ้นอยู่กับค่า e/m ของไอออนโดยไอออนที่มีค่า e/m ต่ำจะเดินทางโค้งเป็นวงกว้างกว่าไอออนที่มี e/m สูง สำหรับไอออนที่มีประจุเท่ากันแต่มีมวลแตกต่างกัน วิธีการนี้ก็สามารถแยกได้โดยไอออนหนักจะโค้งเป็นวงมากกว่าไอออนเบา เมื่อไอออนทั้งหมดมาตกกระทบกับอุปกรณ์ตรวจสอบ ซึ่งอาจใช้แผ่นฟิล์มหรือเครื่องบันทึกอิเล็กทรอนิกส์และบันทึกเป็นความเข้มหรือกระแส ปริมาณความเข้มหรือกระแสจะเป็นปฏิภาคตรงกับจำนวนไอออนที่ตกกระทบกับอุปกรณ์ตรวจสอบ โดยวิธีการเช่นนี้จึงสามารถบอกปริมาณไอโซโทปที่มีอยู่ในธาตุที่นำมาตรวจสอบได้ ตัวอย่างแมสสเปกตรัมของนีออนซึ่งเป็นข้อมูลที่ได้จากการวัดโดยเครื่องแมสสแปกโทรมิเตอร์แสดงดังรูป4.1 ค.

.

รูป 4.1 ตัวอย่างแมสสเปกโทรมิเตอร์และแมสสเปกตรัมของนีออน

 

ตาราง 4.1 มวลอะตอม ปริมาณร้อยละของไอโซโทปและมวลอะตอมเฉลี่ยของธาตุบางธาตุ 

รูป 4.1 ตัวอย่างแมสสเปกโทรมิเตอร์และแมสสเปกตรัมของนีออน

ตาราง 4.1 มวลอะตอม ปริมาณร้อยละของไอโซโทปและมวลอะตอมเฉลี่ยของธาตุบางธาตุ 

ไอโซโทป มวลอะตอมของไอโซโทป ปริมาณร้อยละที่พบในธรรมชาติ  มวลอะตอมเฉลี่ย 
  14.003

15.00099.630

0.37014.007 15.995

16.999

17.99999.760

0.040

0.20015.999

 

  19.992

20.994

21.99190.510

0.270

9.22020.179

  34.969

36.96675.770

24.23035.453

ใส่ความเห็น

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Connecting to %s