Ατομική Μάζα (ή Ατομικό Βάρος). Γιατί το 1/12 του ατόμου του άνθρακα C-12 ως πρότυπη μονάδα μέτρησης;

Αυτό το άρθρο ξεκίνησε με την απορία της αγαπητής Νικολέττας μαθήτριας της β΄ Λυκείου που ρώτησε «γιατί όμως να πάρουν το 1/12 του ατόμου του C-12 ως πρότυπη μονάδα μέτρησης των ατομικών μαζών (ή βαρών).

Θυμόμουν ότι στο παρελθόν οι ερευνητές είχαν χρησιμοποιήσει άλλα πρότυπα για να μετρήσουν τις ατομικές μάζες των στοιχείων και ότι υπήρχε ένα θέμα με τα ισότοπα, αλλά δεν θυμόμουν ακριβώς ποιο ήταν το ζήτημα και τελικά επικράτησε ως μονάδα μέτρησης μάζας το 1/12 του ατόμου του άνθρακα 12. Έτσι μπήκα σε μια διαδικασία αναζήτησης και διαπιστώνω ότι:

• η επιλογή του κλάσματος της μάζας του πρότυπου ατόμου, έγινε ώστε να έχει το υδρογόνο ατομική μάζα 1, αλλά και για να υπάρχει μεγαλύτερη ακρίβεια στις μετρήσεις των μαζών των στοιχείων.
• Το άτομο του άνθρακα-12 επιλέχθηκε απλά για να ξεπεραστεί το πρόβλημα της χρήσης «δύο μέτρων » για τον υπολογισμό των ατομικών μαζών των στοιχείων που ίσχυε μέχρι τότε στις κοινότητες των ερευνητών χημικών, και των ερευνητών φυσικών. [Προσωπικά δεν βρίσκω το λόγο να βάζουμε τους νέους να παπαγαλίζουν τη λεπτομέρεια για το τριχοειδές αγγείο του δέντρου (που στην περίπτωσή μας είναι το μέτρο που χρησιμοποιούν οι επιστήμονες, για να μετρήσουν τις ατομικές μάζες των άλλων στοιχείων), όταν δεν αναγνωρίζουν τα δέντρα (τα στοιχεία/τις χημικές ενώσεις), αλλά σε πολλές περιπτώσεις δεν τους δείξαμε ούτε το δάσος (δηλαδή τον υπέροχο κόσμο της χημείας και τη σημασία των χημικών ενώσεων στη ζωή μας)].

Η ιστορία με τη μονάδα μέτρησης της μάζας των ατόμων, ξεκίνησε από παλιά, καθώς το πόσο «ζυγίζει»  ένα υλικό ενδιέφερε πάντα. Έφτασε στη σημερινή μορφή της (1/12 του ατόμου του C-12) μετά από μία απόφαση που πάρθηκε σε ένα μπαρ στην Ολλανδία, μεταξύ «υψηλόβαθμων» ερευνητών που κατάφεραν να πείσουν την παγκόσμια επιστημονική κοινότητα για την εφαρμογή και χρήση αυτής της μονάδας.

Ο ένας ερευνητής ήταν ο Alfred Nier Αμερικάνος φυσικός, πρωτοπόρος στην φασματοσκοπία μαζών στην οποία βασίστηκαν μεταξύ πολλών άλλων και διαγνωστικά ιατρικά μηχανήματα που χρησιμοποιούνται για να σώζουν ζωές. Ο άλλος ερευνητής ήταν ο Josef Mattauch Γερμανός φυσικός που και αυτός διεξήγαγε αξιόλογη έρευνα στη φασματοσκοπία μαζών.

Η ιστορία έχει κάπως έτσι:

Αρχικά ο Stanislao Cannizzaro χρησιμοποίησε το άτομο του υδρογόνου ως πρότυπη μάζα μέτρησης των ατομικών μαζών των άλλων στοιχείων και έθεσε ως ατομική μάζα για το υδρογόνο την τιμή 2.  Αργότερα χρησιμοποιήθηκε (από τον Dalton και άλλους) το υδρογόνο με ατομική μάζα 1.

Μετά από 100 χρόνια οι Αμερικάνοι χημικοί (ACS) και οι Γερμανοί χημικοί (German Commettee), χρησιμοποίησαν ως μονάδα μέτρησης το οξυγόνο, ορίζοντας ως τιμή ατομικής μάζας του το 16. Επιλέχθηκε το οξυγόνο γιατί σχηματίζει χημικές ενώσεις με πολλά στοιχεία, κάτι που έκανε απλούστερο τον υπολογισμό των ατομικών μαζών των άλλων στοιχείων. Η τιμή 16 ορίστηκε γιατί έτσι το υδρογόνο θα έπαιρνε την ελάχιστη ακέραια τιμή 1. Όμως η επικράτηση του οξυγόνου ως μονάδα μέτρησης δεν έγινε έτσι απλά, αλλά μετά από πολλές συζητήσεις και ψηφοφορίες, ενώ υπήρχαν πολλές διαφωνίες από καθηγητές και άλλους.

Το 1929 ανακαλύφθηκε ότι δεν υπήρχε μόνο το οξυγόνο 16 αλλά και τα ισότοπα του 17 και 18, κάτι που δεν επηρέαζε τους υπολογισμούς των χημικών που χρησιμοποιούσαν σχετικά  μεγάλες ποσότητες ύλης  (που αποτελούνταν από την ίδια αναλογία ισοτόπων), επηρέαζε όμως τα πειράματα των φυσικών που αφορούσαν άτομα και αντιμετώπιζαν  προβλήματα στους υπολογισμούς των  ατομικών μαζών. Για αυτό το λόγο οι φυσικοί χρησιμοποιούσαν ως πρότυπη μάζα συγκεκριμένο ισότοπο του οξυγόνου, δηλαδή το οξυγόνο-16 και μάλιστα το 1/16 της μάζας του.

Το να χρησιμοποιούν οι ερευνητές χημικοί και φυσικοί δύο μέτρα μέτρησης, είχε ως αποτέλεσμα να δημοσιεύονται εργασίες βασισμένες σε δύο πίνακες ατομικών μαζών και να δημιουργείται σύγχυση.

Αυτό ήταν ένα  ζήτημα που καλούνταν να λύσει ο οργανισμός IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) και μάλιστα η επιτροπή ατομικών βαρών, της οποίας μέλη ήταν ο ο Alfred Nier και ο Mattauch Josef που είχαν σπουδαίο ερευνητικό έργο. Το 1956 σε ένα μπαρ ξενοδοχείου στο Άμστερνταμ, ο Alfred Nier πρότεινε στον Mattauch Josef, να χρησιμοποιηθεί ο άνθρακας 12 ως πρότυπο, γιατί χρησιμοποιούνταν ήδη ως πρότυπο στη φασματομετρία μαζών από τους φυσικούς. Ο Mattauch Josef ανέλαβε να πείσει την ακαδημαϊκή κοινότητα να αποδεχθεί το 1/12 του ατόμου του άνθρακα-12 ως πρότυπη μονάδα μέτρησης ατομικών μαζών.

Η ερευνητική κοινότητα των χημικών δεν ήθελε την αλλαγή, αλλά η πιθανότητα καθιέρωσης της χρήσης του 1/16 του οξυγόνου-16 που χρησιμοποιούσαν ήδη οι φυσικοί τους δημιουργούσε μεγαλύτερα προβλήματα. Το 1/12 του άνθρακα-12 ως μονάδα amu (μονάδα μέτρησης ατομικής μάζας) θα μετέβαλε λιγότερο τις τιμές των ατομικών μαζών που χρησιμοποιούσαν οι χημικοί μέχρι τότε, και έτσι αποδέχθηκαν την αλλαγή υπο την απειλή της επικράτησης της χειρότερης εναλλακτικής.

Αν και η μονάδα μέτρησης των ατομικών μαζών έχει μεγάλη σημασία, για τους ερευνητές, για εμάς τους ταπεινούς χρήστες των ατομικών μαζών και τους μαθητές, πολύ λίγη σημασία έχει ποια είναι η πρότυπη μονάδα μέτρησης. Αυτό που χρειαζόμαστε είναι να υπάρχει μια κοινή μονάδα μέτρησης και ένας μοναδικός πίνακας ατομικών μαζών των στοιχείων με στρογγυλοποιημένες τιμές για τους υπολογισμούς μας.

Για περισσότερες πληροφορίες για την ιστορία του ζητήματος  εδώ.