Kizio cha uzito wa atomi
u, dalton Da · sehemu 1/12 ya uzito wa atomi ya kaboni-12 · 1.660 539 069·10⁻²⁷ kg
Kupima atomi kwa gramu haiwezekani, lakini kulinganisha atomi moja na nyingine ni rahisi: peleka zote mbili kwenye duara ndani ya uga wa sumaku kisha uone ipi inapinda zaidi. Ndivyo wanakemia wa karne ya kumi na tisa walivyofanya kazi — majedwali yao yote yameundwa kwa uwiano, si kwa uzito. Kilichobaki ni kuchagua kitu gani kichukuliwe kama kizio. Dalton alichukua hidrojeni, Berzelius akachukua oksijeni, na baada ya karne moja na nusu ikabainika kuwa oksijeni ya wanafizikia na ya wanakemia si moja: wa kwanza walipima isotopu, wa pili mchanganyiko wa asili, na mizani hiyo miwili ilitofautiana kwenye tarakimu ya nne. Mwaka 1961 mvutano uliisha kwa maridhiano ambayo pande zote mbili zilikubali kwa kusitasita: kizio kikawa sehemu moja ya kumi na mbili ya atomi ya kaboni-12. Tangu wakati huo kila jedwali la mpangilio kwenye kila ukuta huhesabu uzito kuanzia atomi moja mahususi ambayo hakuna aliyewahi kuiona kwa macho.
01 · Fasili
Kizio cha uzito wa atomi ni sehemu moja ya kumi na mbili ya uzito wa atomi ya kaboni-12 iliyotulia, isiyofungamana, na iliyo katika hali ya msingi. Jina la pili la kizio hiki, lenye hadhi sawa, ni dalton, na katika biokemia limekwisha lisukuma la kwanza tangu zamani: kilodalton na megadalton huzungumzia protini na virusi, wakati „u” imebaki kwa atomi na viini.
Masharti yaliyo katika fasili si usumbufu wa maneno. Atomi lazima iwe huru, kwa sababu ndani ya molekuli sehemu ya uzito huingia kwenye kifungo. Lazima iwe katika hali ya msingi, kwa sababu atomi iliyoamshwa ni nzito zaidi — nishati ina uzito. Na lazima iwe imetulia, kwa sababu ile inayosogea ni nzito zaidi kwa kiasi cha nishati yake ya mwendo ikigawanywa na mraba wa kasi ya mwanga. Marekebisho yote matatu yapo kwenye tarakimu ya kumi na yote matatu ni ya maana: spektromeria ya uzito imekuwa ikifanya kazi kwa umakini zaidi tangu zamani.
Sifa ya kuvutia zaidi ya kizio hiki ni kwamba kwa karibu kila kitu hakitoi namba kamili. Uzito wa kaboni-12 ni kumi na mbili barabara kwa mujibu wa fasili; uzito wa nuklidi nyingine yoyote hutofautiana na namba yake ya uzito. Oksijeni-16 ina uzito wa 15.9949, heliamu-4 ni 4.0026, na urani-235 ni 235.0439. Sababu si dosari ya vipimo, bali ni kwamba kiini kilichofungamana ni chepesi kuliko sehemu zake: nishati ya kufungamana imeondolewa kwenye uzito. Upungufu huohuo ndio chanzo cha nishati yote ya nyuklia, na kuuona ni rahisi zaidi kwa vizio hivi.
Sifa yake ya kipekee ilijitokeza mwaka 2019. Hadi wakati huo kilogramu kiliamuliwa na silinda iliyoko Sèvres, na namba ya Avogadro ilipimwa; baada ya marekebisho kila kitu kiligeuka: namba ya Avogadro iliwekwa barabara, kilogramu kikafungwa kwenye kikomo cha Planck — na dalton, ambalo hapo awali lilikuwa sahihi kwa fasili, likawa kipimo kinachopimwa. Leo linajulikana kwa kutokuwa na uhakika linganishi cha sehemu tatu za kumi za bilioni moja, na uzito wa molari wa kaboni-12 si sawa barabara na gramu kumi na mbili kwa moli, bali ni hivyo tu ndani ya mipaka ya kutokuwa na uhakika huo.
Viini vinne vya hidrojeni vina uzito wa 4.0313 u, na heliamu inayotokana navyo ina 4.0026. Tofauti ya 0.0287 u huondoka kama mwanga, nayo ni sehemu saba za kumi za asilimia ya uzito wa awali. Kwa kusikia ni kidogo, lakini Jua husindika tani milioni mia sita za hidrojeni kwa sekunde, na tani milioni nne kati yake hugeuka kuwa mnururisho — kila sekunde, kwa miaka bilioni tano. Mpasuko wa urani hutoa sehemu tisa za mia za asilimia tu, mara nane pungufu; tofauti yote kati ya kinu na nyota huingia kwenye tarakimu ya nne ya kizio cha uzito wa atomi.
02 · Ubadilishaji
Weka thamani — karatasi hii itaibadilisha kwenda vizio vingine
Familia tatu: mizani ya uzito, vitu vyenye uzito uleule, na nishati kwa kanuni ya Einstein.
Kufanana kwa dalton na gramu kwa moli si utambulisho, bali ni matokeo ya jinsi namba ya Avogadro ilivyochaguliwa. Kabla ya 2019 kulikuwa sahihi kwa jinsi ilivyojengwa; sasa uzito wa molari wa kaboni-12 ni gramu 12.000 000 013 kwa moli, ukiwa na kutokuwa na uhakika kwenye tarakimu ya mwisho, na kwa kazi yoyote ya maabara bado ni kumi na mbili. Tofauti hiyo inapaswa kukumbukwa mahali pawili: katika vipimo sahihi vya muundo wa isotopu, na wakati wa kusoma vitabu vya zamani, ambako „amu” inaweza kumaanisha mizani ya oksijeni-16, inayotofautiana na ya sasa kwa sehemu tatu za mia za asilimia.
| Uandishi | Maana yake | Thamani | Hupatikana wapi |
|---|---|---|---|
| u (Da) | kizio cha uzito wa atomi | 1.0000 | nuklidi na molekuli |
| kDa | kilodalton | 0.0010 | protini |
| MDa | megadalton | 0.00000 | virusi, ribosomu |
| kg | kwa vizio vya SI | 1.661·10⁻²⁷ kg | ubadilishaji kupitia 1.6605·10⁻²⁷ |
| г | kwa gramu | 1.661·10⁻²⁴ g | kitu kilekile, kwa namna inayozoeleka zaidi |
| g/mol | uzito wa molari | 1.0000 | kinalingana na u kwa namba |
| MeV/c² | nishati ya kupumzika | 931.494 | fizikia ya nyuklia |
| mₑ | kwa uzito wa elektroni | 1822.89 | 1 u = 1822.89 mₑ |
upungufu wa uzito = jumla ya uzito wa nukleoni − uzito wa kiini
03 · Vipeo vya ukubwa
logarithimu ya desimali ya uzito, kwa daltonNukleoni na atomi nyepesi
04 · Vifaa vya kupima
Atomi hupimwa kwa kitu gani
Mkondo wa ayoni hupita katika uga wa umeme na wa sumaku, ambavyo hupeleka chembe za uzito tofauti kwenye sehemu tofauti za bamba la picha. Francis Aston alijenga kifaa cha aina hii mwaka 1919 na ndani ya miaka michache akapata isotopu mia mbili na kumi na mbili, akieleza kwa pigo moja kwa nini uzito wa atomi katika jedwali si namba kamili: elementi ni mchanganyiko. Usahihi ulifika sehemu moja ya elfu ya asilimia, na huo peke yake ulikwisha onyesha upungufu wa uzito.
Ayoni moja hushikiliwa kwa uga wa sumaku na wa umeme, na wakati huohuo mzunguko wake husikilizwa: ni kinyume cha uwiano na uzito. Kisha mizunguko miwili hulinganishwa — ule wa ayoni inayochunguzwa na ule wa ayoni ya kaboni — na uwiano wa uzito hupatikana kwa tarakimu kumi na moja zenye maana. Hii ndiyo njia sahihi kuliko zote za kupima katika fizikia nzima; kwa njia hiyohiyo huthibitishwa kuwa upungufu wa uzito katika miitikio ya nyuklia unalingana na nishati iliyotolewa, yaani kanuni ya Einstein yenyewe huthibitishwa.
Mpigo wa leza huling'oa molekuli kutoka kwenye tako, uga wa umeme huzipa zote nishati sawa, na kisha kinachobaki ni kupima nani anapita bomba kwanza: nzito hubaki nyuma. Njia hii hufanya kazi hata kwa protini za mamia ya kilodalton, ambazo kwa njia nyingine yoyote haziwezi kupimwa zikiwa nzima. Neno „dalton” linaishi hasa hapa: katika biokemia uzito huitwa hivyo daima, na „u” lingesikika la ajabu.
Kifaa kisichopima atomi bali kilogramu: nguvu ya uvutano juu ya sampuli hulinganishwa na nguvu inayotenda kwenye koili iliyo katika uga wa sumaku, na jibu huelezwa kupitia kikomo cha Planck. Hakipimi kizio cha uzito wa atomi, lakini huamua ncha nyingine ya daraja kati ya atomi na kipimo cha uzani. Ndiyo maana hasa dalton lilipoteza usahihi wake baada ya 2019: uhusiano wake na kilogramu sasa hupita katika vipimo vinavyopimwa, si katika fasili.
05 · Kanuni za uandishi
Kizio kimoja, majina mawili, viambishi kwa jina moja tu
Dalton ni kizio chenye jina lake mwenyewe, na viambishi huambatanishwa nalo; kwa „u” haviambatanishwi.
Kifupi „amu” kimepitwa na wakati na zaidi ya hayo kina maana mbili: katika machapisho ya kabla ya 1961 kilimaanisha mizani ya oksijeni, si ya kaboni. Kilodalton ndio umbo sahihi kwa molekuli kubwa; hakuna haja ya kuandika dalton elfu sitini na nne. Katika alama ya dalton herufi ya kwanza pekee ni kubwa, kwa sababu kizio kimeitwa kwa jina la mtu, wakati „u” hubaki ndogo kwa sababu „unit” si jina la mtu. Na jambo la mwisho: uzito wa urani-235 si 235 bali ni 235.0439 u — namba kamili hapa ni namba ya uzito pekee, yaani hesabu ya nukleoni, na kuichanganya na uzito ni kupoteza hasa kile kipimo ambacho kwa ajili yake kila kitu kilihesabiwa.
06 · Vizio jirani
Dalton husimama kati ya kilogramu, moli na elektronivolti.
daraja kupitia kikomo cha Planck
namba ileile, lakini kwa gramu
uzito ulioelezwa kama nishati
Kando yake katika Simetrium wapo kilogramu, moli, elektronivolti na barn.
07 · Sehemu ya kihistoria
Karne moja na nusu ya mvutano kuhusu kitu gani kiwe kizio
John Dalton alichukua hidrojeni kama kizio — si kwa msingi wa kanuni, bali kwa sababu hakuna kitu chepesi zaidi kilichojulikana. Uzito kamili hakuupima wala hakuweza kuupima; jedwali lake lote lilijengwa kwa uwiano uliotokana na uwiano wa uzani katika miitikio. Makosa ndani yake ni mengi: maji aliyachukulia kuwa HO, hivyo oksijeni ikatoka nyepesi mara mbili kuliko ilivyo. Lakini wazo kwamba kila elementi ina namba yake ya kipekee lilionekana kuwa la milele, na jina lake hatimaye likakipata kizio hiki.
Jöns Jacob Berzelius alihamishia msingi kwenye oksijeni: hujiunga na karibu kila kitu, na kupitia hiyo uzito huamuliwa kwa usahihi zaidi kuliko kupitia hidrojeni yenye vituko. Mwanzoni oksijeni ilichukuliwa kuwa mia, kisha kumi na sita — ili hidrojeni ibaki karibu na moja. Mizani iliyopatikana ilidumu zaidi ya karne moja na ikaingia katika vitabu vyote vya marejeo; na kwamba oksijeni yaweza kuwa ya aina mbalimbali, wakati huo hakuna aliyewaza.
Ugunduzi wa isotopu za oksijeni uliibua swali gumu: wanafizikia waliokuwa wakitumia spektromita ya uzito walichukua oksijeni-16 safi kuwa kumi na sita, wakati wanakemia waliendelea kutumia mchanganyiko wa asili ulio mzito zaidi. Kwa miaka thelathini mizani miwili iliishi sambamba, ikitofautiana kwa sehemu mbili na nusu za elfu kumi, na kila jedwali lilihitaji dokezo kuwa ni la nani. Maridhiano yalipatikana katika kaboni-12: ilihamisha uzito wa kikemia kwa sehemu nne za mia za elfu tu, na ikawafaa pande zote mbili kama mstari wa rejea wa spektra ya uzito.
Kabla ya marekebisho dalton lilikuwa sahihi kwa fasili, na namba ya Avogadro ilipimwa. Tangu Mei 2019 ni kinyume chake: namba ya Avogadro imewekwa, kilogramu huelezwa kupitia kikomo cha Planck, na dalton limekuwa kipimo kinachopimwa chenye kutokuwa na uhakika kwenye tarakimu ya kumi. Vilevile usawa uliozoeleka kati ya uzito wa molari wa kaboni na gramu kumi na mbili kwa moli umekoma kuwa utambulisho. Hakuna matokeo ya kivitendo kwa hesabu yoyote ya kemia, lakini kunabaki hitimisho zuri la elimu ya vipimo: kilicho sahihi ni kile tu kilichoamriwa kuwa hivyo.
Kizio kinachoishi kwa uwiano
Kizio cha uzito wa atomi karibu hakipimwi kamwe moja kwa moja — kinachopimwa ni uwiano wa uzito, na hapo ndipo upekee wake wa kipimo ulipo. Mtego wa Penning hulinganisha mizunguko ya ayoni mbili na hutoa uwiano wenye tarakimu kumi na moja; kuubadilisha uwiano huo kwenda kilogramu huongeza kutokuwa na uhakika kunakozidi ulinganisho wenyewe kwa vipeo kadhaa. Ndiyo maana jedwali la uzito wa nuklidi lililoelezwa kwa dalton ni sahihi zaidi kuliko uzito wowote kati ya hao ukielezwa kwa kilogramu: ndani ya mizani yake lenyewe hushikilia tarakimu ya kumi na ya kumi na moja, wakati uhusiano wa mizani hiyo na kilogramu unajulikana hadi tarakimu ya kumi tu. Kutokana na hapo hutokea kanuni rahisi ya kivitendo: tofauti za uzito — kwa mfano upungufu katika mwitiko wa nyuklia — huhesabiwa kwa dalton au moja kwa moja kwa elektronivolti, na kamwe hazibadilishwi kwenda kilogramu kama hatua ya katikati, la sivyo kwenye tofauti iliyoko kwenye tarakimu ya kumi kutaongezeka kutokuwa na uhakika kwa ubadilishaji. Na kutokana na hapo pia hutokea hitimisho zuri la marekebisho ya 2019: kwa kutangaza namba ya Avogadro kuwa sahihi, wataalamu wa vipimo waliliacha dalton upande wa vipimo vinavyopimwa — yaani walikubali kuwa uhusiano wa ulimwengu wa atomi na ulimwengu wa vipimo vya uzani unabaki kuwa jambo la majaribio, si la makubaliano.
Orodha · vizio vya kupimia
Karatasi moja kwa kila kipimo
Vizio saba vya msingi vya SI, vizio ishirini na viwili vitokanavyo vyenye majina yake, na vile vizio vya nje ya SI ambavyo teknolojia wala maisha ya kila siku haviwezi kuvikosa. Kila kimoja kina karatasi yake: fasili, ubadilishaji, vifaa, kanuni za uandishi. Kwa lugha 36.
Atomi na kiini: vizio vya kipimo hiki
uzito, nishati, eneo mkatoVitu tunavyovifahamu vina uzito gani
kwa daltonVizio vya msingi vya SI
kilogramu na moliLugha ya karatasi hii
Lugha 36. Alama u na Da ni za kimataifa; kinachotafsiriwa ni majina ya vifaa, nuklidi na maelezo ya mizani.