原子質量

原子質量
様式化されたリチウム-7原子：陽子3個、中性子4個、電子3個（電子の総数は〜⁠1/4300⁠原子核の質量の1/3（約1.5 Da）です。その質量は7.016 Daです。希少なリチウム6（質量6.015 Da）は中性子が3個しかないため、リチウムの原子量（平均）は6.941になります。
一般的な記号
m a、m
SI単位キログラム（kg）
その他のユニット
ダルトン（Da）
集中的な？はい
座標変換における動作
スカラー

原子質量（m aまたはm）は、原子1個の質量です。原子質量は、主に原子核内の陽子と中性子の質量の合計から成り、電子と原子核の結合エネルギーもわずかに寄与します。[1]原子、イオン、または原子核の原子質量は、質量欠損（質量エネルギー等価性：E = mc 2で説明）により、それらを構成する陽子、中性子、および電子の質量の合計よりもわずかに小さくなります。

原子質量は、ダルトン（Da）または統一原子質量単位（u）で測定されることが多い。1ダルトンは⁠+1/12⁠自然状態の炭素12原子の質量は、原子質量定数 m u = m ( 12 C) / 12 = 1 Daで表されます。ここで、m ( 12 C)は炭素12の原子質量です。したがって、核種の原子質量をダルトンで表した数値は、その質量数に近くなります。

相対同位体質量（以下のセクションを参照）は、同位体の原子質量m aを原子質量定数m uで割ることによって得られ、無次元値となる。したがって、炭素12原子の原子質量m ( 12 C )は定義により12 Daですが、炭素12原子A r ( 12 C)の相対同位体質量は単に12です。分子内のすべての原子の相対同位体質量の合計が相対分子量です。

同位体の原子量と相対同位体質量は、元素の特定の同位体を指します。物質は通常、同位体的に純粋ではないため、元素の平均原子質量に同位体の存在比で重み付けした元素原子質量を用いるのが便利です。無次元（標準）原子量は、（典型的な天然に存在する）同位体混合物の加重平均相対同位体質量です。

相対同位体質量

相対同位体質量（単一原子の特性）は、化学元素の特定のサンプルに含まれる多数の原子の値の平均である 平均量である原子量（上記参照）と混同しないでください。

原子質量は絶対質量ですが、相対同位体質量は単位を持たない無次元数です。この単位の喪失は、炭素12標準物質に対するスケーリング比の使用に起因しており、「相対同位体質量」という用語における「相対」という言葉は、炭素12に対する このスケーリング比を指しています。

相対同位体質量とは、ある同位体（具体的には任意の単一核種）の質量を炭素12の質量でスケーリングした値であり、炭素12の質量は実験的に決定する必要がある。同様に、同位体または核種の相対同位体質量とは、その同位体の質量を⁠に対して相対的に表したものである。+1/12⁠炭素12原子の質量。

例えば、炭素12原子の相対同位体質量はちょうど12です。比較のために、炭素12原子の原子質量はちょうど12ダルトンです。あるいは、炭素12原子の原子質量は他の質量単位で表すこともできます。例えば、炭素12原子の原子質量は1.992 646 882 70 (62) × 10 −26  kg .

相対原子質量をダルトンで表した場合と同様に、炭素12以外の核種の相対同位体質量数は整数ではないものの、常に整数に近い値を示します。この点については以下で詳しく説明します。

異なる量を表す類似の用語

原子質量または相対同位体質量は、相対原子質量（原子量とも呼ばれる）または標準原子量（標準化された意味での原子量の特定の種類）と同義語として混同されたり、誤って使用されたりすることがあります。しかし、冒頭で述べたように、原子質量は絶対質量であるのに対し、他のすべての用語は無次元です。相対原子質量と標準原子量は、元素サンプル中の相対原子質量の（存在比加重）平均を表す用語であり、個々の核種を表す用語ではありません。そのため、相対原子質量と標準原子量は、相対同位体質量とは数値的に異なることがよくあります。

原子質量（相対同位体質量）は、単一原子の質量として定義され、一度に 1 つの同位体（核種）のみになることができ、相対原子質量/原子量の場合のように存在比で加重された平均ではありません。したがって、化学元素の各同位体および核種の原子質量または相対同位体質量は、そのような核種のすべての標本が他のすべての標本とまったく同一であると予想されるため、原理的には高精度に測定できる数値です。これは、同じエネルギー状態にある特定のタイプのすべての原子、および特定の核種のすべての標本の質量が、その核種の他のすべての標本とまったく同一であると予想されるためです。たとえば、酸素 16 のすべての原子は、酸素 16 の他のすべての原子とまったく同じ原子質量（相対同位体質量）を持つと予想されます。

天然に1つの同位体（一核種元素）または1つの優勢同位体を持つ多くの元素の場合、最も一般的な同位体の原子質量と（標準）相対原子質量または（標準）原子量との差は小さいか、あるいはゼロになることもあり、ほとんどのバルク計算には影響しません。しかし、一核種ではない元素の個々の原子を考慮する場合、このような誤差は存在し、場合によっては重要になることもあります。

複数の共通同位体を持つ非一核種元素の場合、相対原子質量（原子量）は、最も一般的な相対同位体質量との数値的な差が、質量単位の半分以上になることがあります（例えば、塩素の場合、原子量と標準原子量は約35.45です）。珍しい同位体の原子質量（相対同位体質量）は、相対原子質量、原子量、または標準原子量から数質量単位異なることがあります。

相対同位体質量は常に整数値に近くなりますが、次の 2 つの理由により、(炭素 12 の場合を除いて) 厳密に整数になることはありません。

  • 陽子と中性子は質量が異なり[2] [3]、核種によって陽子と中性子の比率も異なります。
  • 原子質量は結合エネルギーによって、程度は異なるものの減少します。

原子質量と質量数（核子数）の比は、0.998 838 1346 (51) 56 Feの場合1Hにつき1.007 825 031 898 (14)

原子核の結合エネルギーによる質量欠損は、実験的に同数の自由核子の質量のごく一部（1%未満）です。他の原子に比べて中程度に強く結合している炭素12の核子あたりの平均質量と比較すると、ほとんどの原子の結合による質量欠損は1ダルトン（炭素12を基準とした統一原子質量単位）のさらに小さな割合です。自由陽子と中性子の質量は1ダルトンのごく一部しか違わないため（1.388 449 33 (49) × 10 −3  Da )、[4]相対同位体質量、つまりダルトンで表された任意の核種の原子質量を最も近い整数に丸めると、常に核子数、つまり質量数が得られます。さらに、中性子数（中性子数）は、質量数 （核子数）から陽子数（原子番号）を引くことで算出できます。

質量欠陥

一般的な同位体の核子あたりの結合エネルギー。質量数と原子質量の比のグラフも同様のグラフになる。

原子質量と質量数の比が1からどれだけずれているかは、水素の質量が-1のときから正の値となり、その後減少し、ヘリウム4で極小値に達します。リチウム、ベリリウム、ホウ素の同位体は、質量数比が増加することからわかるように、ヘリウムよりも結合力が弱いです。

炭素では、質量（ダルトン単位）と質量数の比は 1 と定義され、炭素の後は 1 未満となり、鉄 56で最小値に達し（鉄 58 とニッケル 62ではわずかに高い値）、その後、原子番号の増加とともに、重い同位体では正の値に増加します。これは、ジルコニウムより重い元素の核分裂でエネルギーが生成され、ニオブより軽い元素の核分裂にはエネルギーが必要であるという事実に対応しています。一方、スカンジウムより軽い元素（ヘリウムを除く）の 2 つの原子の核融合ではエネルギーが生成されますが、カルシウムより重い元素の核融合にはエネルギーが必要です。 4 Heの 2 つの原子の融合でベリリウム 8が生成されるとエネルギーが必要になり、ベリリウムはすぐに再び崩壊します。4 He はトリチウム（3 H）または3 He と融合することができ、これらのプロセスはビッグバン元素合成中に発生しました。 7 個を超える核子を持つ元素の形成には、トリプルアルファ過程で4 He の 3 つの原子が融合し、リチウム、ベリリウム、ホウ素を飛ばして炭素 12 が生成される必要がある。

原子質量と質量数の比の値は以下のとおりです。[5]

核種原子質量と質量数の比
1時間1.007 825 031 898 (14)
2時間1.007 050 888 9220 (75)
3時間1.005 349 760 440 (27)
3彼1.005 343 107 322 (20)
4彼1.000 650 813 533 (40)
6李1.002 520 481 24 (26)
12 ℃1
14北1.000 219 571 732 (17)
16 O0.999 682 163 704 (20)
56鉄0.998 838 1346 (51)
210ポ0.999 918 4461 (59)
232番目1.000 164 0242 (66)
238ウ1.000 213 3905 (67)

原子質量の測定

原子の質量を直接比較および測定するには、質量分析法を使用します。

原子質量と分子量の関係

同様の定義が分子にも当てはまります。化合物の分子量は、その構成原子の原子質量（標準原子量ではありません）を加算することで計算できます。逆に、モル質量は通常、標準原子量（原子質量や核種質量ではなく）から計算されます。したがって、分子量とモル質量は数値がわずかに異なり、異なる概念を表します。分子量は分子の質量であり、その構成原子質量の合計です。モル質量は、化学的には純粋だが同位体的には不均一な集団における構成分子の質量の平均です。どちらの場合も、原子の多重度（出現回数）を考慮する必要があり、通常は各固有の質量にその多重度を掛けます。

CH 4のモル質量
標準原子量番号総モル質量（g/mol）
または分子量（単位なし）
C12.011112.011
H1.00844.032
CH 416.043
分子量12C1H4​​​
核種の質量（Daまたはu）番号総分子量（Daまたはu）
12 ℃12.0000112.0000
1時間1.00782544.0313
CH 416.0313

歴史

相対原子質量を決定した最初の科学者は、1803年から1805年のジョン・ドルトンとトーマス・トムソン、および1808年から1826年のイェンス・ヤコブ・ベルセリウスでした。相対原子質量（原子量）はもともと最も軽い元素である水素の原子質量を 1.00 として定義され、1820 年代にはプラウトの仮説により、すべての元素の原子質量は水素の原子質量の正確な倍数になることが示されました。しかし、ベルセリウスはすぐにこれは近似値ですらないことを証明し、塩素などの一部の元素では、相対原子質量は約 35.5 で、水素の原子質量の 2 つの整数倍のほぼ中間になります。さらに後に、これは主に同位体の混合によるものであり、純粋な同位体、つまり核種の原子質量は、約 1% 以内で水素質量の倍数であることが示されました。

1860年代、スタニスラオ・カニザロはアボガドロの法則を応用して相対原子質量を精密化しました（特に1860年のカールスルーエ会議において）。彼は、元素の相対原子質量を決定するための法則を定式化しました。異なる分子に含まれる同じ元素の異なる量はすべて原子量の整数倍であるという法則です。そして、対象となる化学元素を1つ以上含む分子を含む気体集合体の蒸気密度を比較することで、相対原子質量と分子質量を決定しました。 [6]

20世紀、1960年代まで、化学者と物理学者は2つの異なる原子質量尺度を用いていました。化学者は「原子質量単位」（amu）尺度を用いており、天然の酸素同位体の混合物は原子質量16でした。一方、物理学者は最も一般的な酸素同位体（陽子8個と中性子8個を含む16 O）の原子質量のみに同じ数値16を割り当てていました。しかし、天然酸素には酸素17と酸素18も含まれているため、このため2つの異なる原子質量表が存在していました。炭素12（12 C）に基づく統一尺度は、純粋な同位体に基づく尺度を求める物理学者のニーズを満たしつつ、化学者の尺度に数値的に近似していました。これが「統一原子質量単位」として採用されました。現在の国際単位系（SI）では、この単位の名称としてダルトンと記号「Da」が主に推奨されています。 「統一原子質量単位」という名称と記号「u」は、同じ単位を表す公認の名称と記号である。[7]

「原子量」という用語は徐々に廃止されつつあり、現在では主に「相対原子質量」という用語に置き換えられつつあります。この用語体系の転換は1960年代に遡り、統一原子質量単位の採用と「質量」という用語がいくつかの点で不適切であるという認識をきっかけに、科学界で多くの議論を巻き起こしてきました。「原子量」という用語を維持すべきとする主張は、主に、この用語が当該分野の研究者にとってよく理解されていること、「原子質量」という用語が既に使用されていたこと（現在の定義の通り）、そして「相対原子質量」という用語が相対同位体質量（ある核種の単一原子の質量を、炭素12の質量の1/12を基準として無次元的に表したもの。上記セクション参照）と混同されやすいという点にありました。

1979年、妥協案として「相対原子質量」という用語が原子量の副次的な同義語として導入されました。20年後、これらの同義語の優位性は逆転し、現在では「相対原子質量」という用語が主流となっています。

しかし、「標準原子量」（異なるサンプルの標準化された期待原子量を指す）という用語は変更されていない。 [8]なぜなら、「原子量」を「相対原子質量」に単純に置き換えると、「標準相対原子質量」という用語になるからである。

参照

参考文献

  1. ^ 「DOEが説明する…核」Energy.gov . 2023年4月13日閲覧。
  2. ^ “Proton mass in u”. NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty . 2019年5月. 2000年12月7日時点のオリジナルよりアーカイブ。2021年6月24日閲覧。
  3. ^ "neutron mass in u". NIST 定数、単位、不確かさに関する参考資料. 2019年5月. 2000年12月7日時点のオリジナルよりアーカイブ。2021年6月24日閲覧。
  4. ^ 「uにおける中性子–陽子質量差」. NIST定数、単位、不確かさに関する参考資料. 2019年5月. 2012年9月5日時点のオリジナルよりアーカイブ。2021年6月24日閲覧。
  5. ^ Wang, Meng; Huang, WJ; Kondev, FG; Audi, G.; Naimi, S. (2021年3月). 「AME 2020 原子質量評価 (II). 表、グラフ、参考文献」. Chinese Physics C . 45 (3): 030003. doi :10.1088/1674-1137/abddaf. hdl : 11858/00-001M-0000-0010-23E8-5 . ISSN  1674-1137. S2CID  235282522.
  6. ^ ウィリアムズ、アンドリュー (2007). 「二水素およびその他の単純分子の式の起源」. J. Chem. Educ. 84 (11): 1779. Bibcode :2007JChEd..84.1779W. doi :10.1021/ed084p1779.
  7. ^ Bureau International des Poids et Mesures (2019): The International System of Units (SI)、第9版、英語版、134ページ。BIPMウェブサイトで入手可能。
  8. ^ De Bievre, P.; Peiser, HS (1992). 「『原子量』：名称、歴史、定義、単位」（PDF） . Pure Appl. Chem . 64 (10): 1535. doi :10.1351/pac199264101535. S2CID  96317287.
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