標準原子量

化学元素の標準原子量（元素「E」の記号はA _r °(E) ）は、その元素のすべての同位体の相対同位体質量を、地球上での各同位体の存在量で重み付けした加重算術平均です。たとえば、同位体^63Cu（A _{r = 62.929）は地球上の}銅の69%を占め、残りは^65Cu（A _r = 64.927）です。 $${\displaystyle A_{\text{r}}{\text{°}}(_{\text{29}}{\text{Cu}})=0.69\times 62.929+0.31\times 64.927=63.55.}$$ 相対同位体質量は無次元であり、加重平均も同様です。原子質量定数ダルトンを乗じることで、質量（次元M ）の尺度に変換できます。

科学者が用いる原子量（A _{r 、}相対原子質量とも呼ばれる）の概念には様々なバリエーションがあるが、標準原子量（A _r °）が最も一般的で実用的である。各化学元素の標準原子量は、国際純正・応用化学連合（IUPAC ）の同位体存在比・原子量委員会（CIAAW）によって、その元素の自然界に存在する安定した地球上の供給源に基づいて決定され、公表されている。この定義では、地球上の多くの代表的な供給源からのサンプルを使用することが規定されているため、医薬品や科学研究など、現実世界で遭遇する物質の原子量として広く使用できる。元素の非標準化原子量は、特定の考古学的遺跡から出土した特定の骨に含まれる炭素の原子量など、供給源やサンプルに固有のものである。標準原子量は、このような値を平均化して、化学者が地球上の多くのランダムなサンプルから得られると予想される原子量の範囲に収める。この範囲は、一部の標準原子量値に用いられる区間表記の根拠となっている。

既知の118の化学元素のうち、84の元素が地球環境に基づくこの値を持ち、そのうち4つを除くすべての元素が安定同位体を持つ。典型的な例として、ヘリウムの値はA _r °(He) =4.002 602 (2)。「(2)」は、表示されている最後の桁の不確かさを示し、次のように読みます。4.002 602 ± 0.000 002。IUPAC は、5 桁の有効数字に丸めた簡略値も公表しています。ヘリウムの場合、A _r、簡略°(He) =4.0026。

14元素については、試料の起源となる元素の崩壊履歴が異なるため、試料間でこの値にばらつきが生じます。例えば、堆積岩中のタリウム（Tl）は、火成岩や火山ガス中のタリウムとは異なる同位体組成を持っています。これらの元素については、標準原子量は区間として表されます。A r _° (Tl) = [204.38, 204.39]。このような区間では、それほど厳密でない状況では、IUPACは慣用値も公表しています。タリウムの場合、A _r、慣用値 °(Tl) =204.38。

標準原子量は、相対原子質量の特別な値です。これは、IUPAC原子量および同位体存在量委員会（CIAAW）によって決定された、地球の地殻および大気の局所環境における供給源の相対原子質量の「推奨値」として定義されます。^{[ 2 ]}一般に、異なる供給源からの値は、供給源の放射性履歴の違いにより自然な変動を受けます。したがって、標準原子量は、さまざまなサンプルまたは供給源からの原子量の期待範囲です。供給源を地球起源のみに限定することにより、CIAAWによって決定された値は変動が少なくなり、実際に世界の物質で発見され使用されている相対原子質量（原子量）のより正確な値になります。

CIAAWが公表した値は質量計算に使用され、場合によっては法的に要求されます。これらの値には不確かさ（括弧内に記載）があるか、または期待区間です（すぐ上の図の例を参照）。この不確かさは、測定の不確かさ（高品質の機器でははるかに小さい）ではなく、元素の同位体分布の自然な変動を反映しています。^{[ 3 ]}

地球上の変動範囲を標準原子量でカバーしようとする試みはあるものの、標準原子量範囲から外れた原子量を持つ元素を含む鉱物サンプルの事例が知られている。^{[ 2 ]}

合成元素 の場合、生成される同位体は合成方法によって異なるため、天然同位体存在比という概念は意味をなさない。したがって、合成元素については、標準原子量の代わりに、最も安定な同位体（すなわち、半減期が最も長い同位体）の総核子数が括弧内に記載される。

化学において「原子量」という用語を用いる場合、通常はより具体的な標準原子量を指します。周期表や、一般的な地球化学における多くの標準的な参考文献で使用されているのは、この標準原子量です。

リチウムは、同位体の自然存在比が、河川などの自然源から採取された試料であっても、人間の同位体分離活動によって乱され、標準原子量の不確実性に影響を与えるほどになっている場合があるという、特異な事例である。

現代の相対原子質量（特定の元素サンプルに固有の用語）は、サンプルの原子質量（各核種について）と同位体組成の測定値から計算されます。ほぼすべての非放射性核種について非常に正確な原子質量が利用可能ですが^{[ 7 ] [ 8 ] 、同位体組成は高精度で測定するのが難しく、サンプル間で変動しやすいです[ 9 ] [ 10 ]} 。このため、22の単核種元素（これらの元素の自然界に存在する単一の核種の同位体質量と同じ）の相対原子質量は、特に高い精度で知られています。

計算はシリコンを例に説明します。シリコンの相対原子質量は計測学において特に重要です。シリコンは自然界では^28Si、^29Si、^30Siの3つの同位体の混合物として存在します。これらの核種の原子質量は、^28Si については140億分の1、その他の同位体については約10億分の1の精度で知られています。しかし、同位体の自然存在比の範囲は、標準存在比を約±0.001%の精度でしか与えることができないほどです（表を参照）。計算は

A _r (Si) = (27.97693 × 0.922297) + (28.97649 × 0.046832) + (29.97377 × 0.030872) = 28.0854

不確かさの推定は複雑で、^{[ 11 ]}特にサンプル分布が必ずしも対称ではないため、IUPAC標準相対原子質量は推定対称不確かさとともに引用されており、^{[ 12 ]}シリコンの値は 28.0855(3) です。この値の相対標準不確かさは 1 × 10 ^–5または 10  ppm です。この自然な変動をさらに反映するために、2010 年に IUPAC は 10 元素の相対原子質量を固定値ではなく区間としてリストすることを決定しました。^{[ 13 ]}

「原子量」という名称の使用は、科学者の間で大きな論争を巻き起こしてきた。^{[ 14 ]}この名称に反対する人々は通常、「相対原子質量」（原子質量と混同しないように）という用語を好む。基本的な反対理由は、原子量は重さ、つまり重力場にある物体に及ぼされる力ではなく、ニュートンやポンドなどの力の単位で測定されるものではないということである。^{[ 15 ]}

これに対し、「原子量」という用語の支持者は（他の論拠の中でも特に）^{[ 14 ]}次のように指摘している。

• この名称は1808年に初めて概念化されて以来、同じ量に対して継続的に使用されている。^{[ 16 ]}
• その期間のほとんどにおいて、原子量は実際に秤量（すなわち重量分析）によって測定されており、物理量の名称は、その測定方法が変わったという理由だけで変更されるべきではない。
• 「相対原子質量」という用語は特定の核種（または同位体）の質量に限定して使用し、「原子量」は試料中のすべての原子の原子質量の加重平均に使用するものとする。
• 歴史的な理由から、次のような誤解を招くような物理量の名称が残されていることは珍しくありません。
  • 起電力は力ではない
  • 分解能は電力量ではない
  • モル濃度は、モル量（物質の単位量あたりで表される量）ではありません。

付け加えておくと、原子量も必ずしも真の意味で「原子的」とは言えない場合が多い。なぜなら、原子量は個々の原子の性質に対応するものではないからである。同様の議論は、この意味で用いられる「相対原子質量」にも当てはまる。

IUPAC は、同位体存在量および原子量委員会(CIAAW) を通じて、少なくとも 1 つの安定同位体または十分に特徴付けられた地球上の同位体組成を持つ各元素の標準原子量と呼ばれる正式な値を公表しています。^{[ 17 ] :表 1}更新は、新しい高精度測定によって正当化された場合にのみ行われ、固定された 2 年ごとのスケジュールで発行されることはなくなりました。^{[ 18 ]}最新の改訂 (2025 年 1 月) は、ガドリニウム、ルテチウム、ジルコニウムの 3 つの元素に影響を与えました。^{[ 18 ] [ 19 ]}

公表値は不確かさとともに示される場合がある。例：ネオン：20.1797(6)、または区間として、例えばホウ素: [10.806、 10.821 ]。

現在、83の元素に標準原子量が割り当てられています。^{[ 17 ]} CIAAWは、完全な精度の値に加えて、簡略化された標準原子量（有効数字5桁まで）と、原子量が区間として表される12の元素については、同位体変動が重要でない場合に使用するための単一数値の慣用原子量値を公表しています。^{[ 20 ]}

記号A _r (E) は、元素 E の特定のサンプルの相対原子質量を表し、標準原子量はA _r °(E)で表されます(円 ° は定義された標準状態の組成を示します)。^{[ 21 ]}

• 国際純正・応用化学連合（IUPAC）
• 同位体存在比及び原子量に関する委員会（CIAAW）

• IUPAC同位体存在比および原子量委員会
• 元素の原子量 2011