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 (電子の総量は原子核の質量の約1/4300 )。質量は7.016 Daです。希少なリチウム-6 (質量6.015 Da) には中性子が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、単一の原子の質量です。原子質量は、主に原子核内の陽子と中性子の合計質量から成り、電子と原子核結合エネルギーからの寄与はわずかです。^[1]原子、イオン、または原子核の原子質量は、（ E = mc ²あたり）のため、それらを構成する陽子、中性子、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、 自然状態の炭素12原子の質量の1 ⁄ 12に等しい。したがって、ダルトンで表された原子質量の数値は、質量数とほぼ同じ値になります。1統一原子質量単位のキログラム単位の値は です。^[2] キログラム単位の質量とダルトン単位の質量の変換は、原子質量定数を使用して行うことができます。 ${\displaystyle m_{\rm {u}}=1.660539066\times 10^{-27}\ \mathrm {kg} }$${\displaystyle m_{\rm {u}}={{m({\rm {^{12}C}})} \over {12}}=1\ {\rm {Da}}}$

変換に使用される式は次のとおりです: ^{[3] [4]}

${\displaystyle 1\ {\rm {Da}}=m_{\rm {u}}={M_{\rm {u}} \over {N_{\rm {A}}}}={M(^{12}\mathrm {C} ) \over {12\ N_{\rm {A}}}}=1.660\ 539\ 068\ 92(52)\times 10^{-27}\ \mathrm {kg} ,}$

ここではモル質量定数、はアボガドロ定数、^[5]、 は実験的に決定された炭素12のモル質量です。 ^[6]${\displaystyle M_{\rm {u}}}$${\displaystyle N_{\rm {A}}}$${\displaystyle M(^{12}\mathrm {C} )}$

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で割ることで得られ、無次元値が得られます。したがって、炭素12原子の原子質量は定義により12 Daですが、炭素 12 原子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。

同位体の原子質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、同位体の存在量によって重み付けされた元素の平均（平均）原子質量である元素原子質量を使用すると便利です。無次元（標準）原子量は、（典型的な自然発生）同位体混合物の 重み付けされた平均相対同位体質量です。

2019 年の SI 改訂では、キログラムをプランク定数( h ) を使って再定義し、原子質量定数を固定された物理定数に固定することで精度を向上させました。ダルトンは炭素 12 によって定義されたままですが、改訂により原子質量測定のトレーサビリティと精度が向上しました。

相対同位体質量（単一原子の特性）を、平均量である原子量（上記参照）と混同しないでください。平均量である原子量は、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す。

原子質量は絶対質量ですが、相対同位体質量は単位のない無次元数です。この単位の喪失は、炭素 12 標準に対するスケーリング比の使用によって生じ、用語「相対同位体質量」の「相対」という言葉は、炭素 12 に対する このスケーリングを指します。

相対同位体質量とは、与えられた同位体（具体的には、任意の単一核種）の質量を炭素 12の質量でスケール化したものになります。炭素 12 の質量は実験的に決定する必要があります。同様に、同位体または核種の相対同位体質量とは、炭素 12 原子の質量の 1/12 に対する同位体の質量です。

例えば、炭素12原子の相対同位体質量はちょうど12です。比較すると、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 .

関連する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ありませんが、常に整数に近くなります。これについては以下で詳しく説明します。

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（標準化されているという意味での原子量の特定の種類）の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。ただし、序文で述べたように、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、元素サンプルの相対原子質量の（存在量加重）平均を表す用語であり、単一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、1 つの原子の質量として定義され、一度に 1 つの同位体（核種）のみであり、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、原理的には高精度で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が、その核種の他のすべての標本と質量が正確に同一であると予想されるため、そのような核種のすべての標本が他のすべての標本と正確に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。

1 つの天然同位体 (単核元素) または 1 つの主要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ゼロになる可能性があり、ほとんどのバルク計算には影響しません。ただし、単核ではない元素の個々の原子を考慮する場合、このような誤差が存在する可能性があり、重要になることもあります。

共通同位体を複数持つ非一核元素の場合、相対原子質量（原子量）の数値差は、最も一般的な相対同位体質量からでも、質量単位の半分以上になることがあります（例えば、原子量と標準原子量が約 35.45 である塩素の場合を参照）。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、質量単位数だけ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^{[7] [8]}、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、さまざまな程度に減少します。

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

核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）である。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 に基づく統一原子質量単位）のさらに小さな一部である。自由陽子と中性子の質量は、1 ダルトンのごく一部だけ異なるため（1.388 449 33 (49) × 10 ⁻³  Da )、^[9]相対同位体質量、またはダルトンで与えら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、または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）を引くことによって導くことができます。

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、次のとおりです。ずれは水素-1 で正から始まり、その後減少していき、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、質量数に対する質量数の比が増加することからわかるように、ヘリウムほど強く結合していません。

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分解します。^{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 を生成する必要があります。

原子質量と質量数の比の値は以下の通りである: ^[10]

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。

分子にも同様の定義が適用されます。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（原子または核種の質量ではなく）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、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。

相対原子質量を決定した最初の科学者は、1803年から1805年の間のジョン・ドルトンとトーマス・トムソン、および1808年から1826年の間のイェンス・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、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であることが証明されるというプラウトの仮説が提唱されました。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、塩素などの一部の元素の相対原子質量が約 35.5 で、水素の原子質量の 2 つの整数倍のほぼ中間に該当することを証明しました。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改良した（特に1860年のカールスルーエ会議で）。彼は元素の相対原子質量を決定する法則を定式化した。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り、問​​題の化学元素を1つ以上含む分子を含むガスの集合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た。^[11]

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スケールを使用していました。化学者は「原子質量単位」(amu) スケールを使用しており、酸素同位体の天然混合物の原子質量は 16 でした。一方、物理学者は、最も一般的な酸素同位体 ( 8 個の陽子と 8 個の中性子を含む¹⁶ O) の原子質量のみに同じ数値 16 を割り当てました。ただし、天然酸素には酸素 17と酸素 18も含まれているため、2 つの異なる原子質量表が作成されました。炭素 12 ( ¹² C)に基づく統一スケールは、純粋な同位体に基づくスケールという物理学者のニーズを満たし、数値的には化学者のスケールに近いものでした。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、この単位の名前として主にダルトンと記号「Da」が推奨されています。 「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名称と記号である。^[12]

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ています。この命名法の移行は 1960 年代にまで遡り、統一原子質量単位の採用と、重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に端を発し、科学界で多くの議論を呼んでいます。「原子量」という用語を維持すべきだという主張は、主に、この用語が当該分野の人々にはよく理解されていること、「原子質量」という用語がすでに使用されていたこと (現在の定義どおり)、「相対原子質量」という用語が相対同位体質量(特定の核種の単一原子の質量を炭素 12 の質量の 1/12 に対する無次元で表したもの。上記セクションを参照) と混同されやすいというものでした。

1979 年、妥協案として「相対原子質量」という用語が原子量の二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」という用語が推奨される用語となっています。

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。^[13]「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」という用語になるためである。

• 原子番号
• ダルトン（単位）
• アイソトープ
• 同位体地球化学
• 分子量
• ジャン・スタス

• NISTの全同位体の相対原子質量と元素の標準原子量
• AME2003 原子質量評価国立核データセンターのWayback Machineに 2019-01-11 にアーカイブされました