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⁶³ Cu（A _{r = 62.929）は地球上の}銅の69％を構成し、残りは⁶⁵ Cu（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量なので、この加重平均も無次元です。これをダルトン（原子質量定数とも呼ばれる ）で乗算することで、質量の測定値（次元 M）に変換できます。

科学者が使用する原子量( A _{r 、}相対原子質量とも呼ばれる)の概念のさまざまなバリエーションの中で、標準原子量( A _r °)が最も一般的で実用的です。各化学元素の標準原子量は、国際純正・応用化学連合(IUPAC) の同位体存在比と原子量に関する委員会(CIAAW)によって、元素の天然で安定した地球上の供給源に基づいて決定され、公表されます。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の使用が指定されているため、その値は、医薬品や科学研究など、実際に遭遇する物質の原子量として広く使用できます。元素の標準化されていない原子量は、特定の考古学的遺跡の特定の骨の炭素の原子量など、供給源とサンプルに固有のものです。標準原子量は、化学者が地球からの多くのランダムなサンプルから導き出すと予想される原子量の範囲にそのような値を平均化したものです。この範囲は、いくつかの標準的な原子量の値に与えられた 間隔表記の根拠となります。

118 の既知の化学元素のうち、80 は安定同位体を持ち、84 は地球環境に基づく値を持ちます。典型的には、そのような値は、例えばヘリウムです: A _r °(He) = 4.002 602 (2) . 「(2)」は、最後の数字の不確実性を示し、4.002 602 ± 0.000 002。IUPACは5桁の有効数字に丸めた短縮値も公表している。ヘリウムの場合、 A _r、短縮°(He) = 4.0026 .

14 種類の元素については、サンプルの起源が異なる崩壊履歴を持つため、サンプルはこの値にばらつきがあります。たとえば、堆積岩中のタリウム (Tl) は、火成岩や火山ガス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A _r °(Tl) = [204.38, 204.39]という間隔で示されています。このような間隔で、それほど厳しくない状況では、IUPAC は慣例的な値も公開しています。タリウムの場合、A _{r、慣例的な}°(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比委員会 (CIAAW) によって決定された、地球の地殻と大気の局所環境におけるソースの相対原子質量の「推奨値」として定義されます。[2] 一般に、異なるソースからの値は、ソースの異なる放射能履歴により自然に変動します。したがって、標準原子量は、さまざまなサンプルまたはソースからの原子量^の予想範囲です。ソース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、実際に世界の材料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、法的に要求されることもあります。値には不確実性（括弧内）があり、期待区間となります（上の図の例を参照）。この不確実性は、測定の不確実性（高品質の機器でははるかに小さくなります）ではなく、元素の同位体分布の自然変動を反映しています。^[3]

地球上の変動範囲を標準的な原子量の数値でカバーしようとする試みがあるが、標準的な原子量範囲から外れた原子量の元素を含む鉱物サンプルの例が知られている。^[2]

合成元素 の場合、形成される同位体は合成方法によって異なるため、天然同位体存在比の概念は意味を持ちません。したがって、合成元素の場合、標準原子量の代わりに、最も安定した同位体（つまり、半減期が最も長い同位体）の総核子数が括弧内に表示されます。

化学で「原子量」という用語が使用される場合、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参照で使用されるのは標準原子量です。

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サンプルであっても、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ことが判明した、特異なケースである。^{[要出典] [疑わしい–議論する]}

標準原子量の値を与える際に「従来の地上起源」を指定しなければならない理由の一例として、アルゴン元素が挙げられます。太陽系内の場所によって、同位体組成の極端な変動により、アルゴンの原子量は最大10%も異なります。アルゴンの主な発生源は、⁴⁰
岩石中のK 、⁴⁰
Ar が主要な同位体になります。そのような場所には、水星と火星、および衛星タイタンが含まれます。地球上では、³⁶ Ar :  ³⁸ Ar :  ⁴⁰ Ar の 3 つの同位体の比率はおよそ 5 : 1 : 1600 であり、地球上のアルゴンの標準原子量は 39.948(1) になります。

しかし、宇宙の他の部分ではそうではない。恒星の元素合成によって直接生成されるアルゴンは、アルファ過程核種によって支配されている。³⁶
Ar。それに応じて、太陽のアルゴンには84.6％が含まれています³⁶
Ar （太陽風測定による）^[4]であり、外惑星の大気中の³⁶ Ar：  ³⁸ Ar：  ⁴⁰ Arの3つの同位体の比率は8400：1600：1である。 ^[5]したがって、太陽と宇宙の大部分におけるアルゴンの原子量は約36.3に過ぎない。^[6]

よく知られているように、公表されている原子量の値には不確実性が伴います。この不確実性 (および関連する精度) は、その定義、つまり「地上の安定した」情報源から生じます。不確実性の体系的な原因は次のとおりです。

1. 測定限界。いつものことながら、物理的な測定は有限ではありません。発見して読み取るべき詳細は常に存在します。これは、発見されたすべての純粋な同位体に当てはまります。たとえば、今日では、主要な天然フッ素同位体 (フッ素 19 )の質量は、小数点以下 11 桁の精度で測定できます。18.998 403 163 (6)しかし、さらに精密な測定システムが利用可能になり、より多くの小数点が生成されるようになるかもしれない。
2. 同位体の不完全な混合。採取され測定されたサンプルでは、​​それらの同位体の混合（相対的存在比）が変化する場合があります。たとえば、銅の場合、一般的に銅の 2 つの同位体は、検出された銅全体の 69.15% と 30.85% を占めますが、測定された天然サンプルは「攪拌」が不完全だった可能性があり、そのためパーセンテージが異なります。もちろん、より多くのサンプルを測定すると精度は向上しますが、この不確実性の原因は残ります。（例：鉛のサンプルは非常に変化するため、4 つの数字よりも正確な数値を示すことはできません。207.2 )
3. 異なる歴史を持つ地球上の源。源とは、調査対象となるより広い領域、たとえば「海水」や「火山岩」のことです (「サンプル」とは対照的に、調査対象となる単一の物質の塊)。一部の元素は、源ごとに同位体組成が異なるようです。たとえば、火成岩中のタリウムはより軽い同位体が多く、堆積岩中のタリウムはより重い同位体が多くなります。地球上の平均数はありません。これらの元素は、間隔表記法で示されます: A _r °(Tl) = [204.38、 204.39 ]。実用的な理由から、簡略化された「従来の」番号も公開されています（Tl：204.38の場合）。

これら 3 つの不確実性は累積します。公表された値はこれらすべての結果です。

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）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高精度の原子質量が利用可能です^{[7] [8]が、同位体組成は高精度で測定するのが難しく、サンプル間の変動の影響を受けやすいです。 [9] [10]}このため、22の単核元素の相対原子質量（これらの元素の個々の天然核種の同位体質量と同じ）は特に高精度であることが知られています。

この計算は、相対原子質量が計測学で特に重要なシリコンの例です。シリコンは、自然界では²⁸ Si、²⁹ Si、³⁰ Si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、 ²⁸ Siでは 140 億分の 1、その他の同位体では約 10 億分の 1 の精度で知られています。ただし、同位体の自然存在比の範囲は、標準存在比が約 ±0.001% にしかならないほどです (表を参照)。計算は次のように行われます。

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

不確実性の推定は複雑であり^[11]、特にサンプル分布が必ずしも対称的ではないため、IUPAC標準相対原子質量は推定対称不確実性とともに引用されており^[12]、シリコンの値は28.0855(3)である。この値の相対標準不確実性は1 ^×10-5または10ppmである。この自然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数ではなく間隔で記載することを決定した。^[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呼んでいる。^{[14]この名称に反対する人は通常、「}相対原子質量」という用語を好む（原子質量と混同しないように）。基本的な反対意見は、原子量は重量、つまりニュートンやポンドなどの単位で測定される重力場における物体に及ぼされる力ではないということである。^[15]

これに対して、「原子量」という用語の支持者は（他の議論の中でも）次のように指摘している^[14]。

• この名前は1808年に初めて概念化されて以来、同じ量を表すために継続的に使用されてきた。^[16]
• そのほとんどの期間、原子量は実際には計量（つまり重量分析）によって測定されており、物理量の決定方法が変わったからといってその物理量の名前が変わるべきではない。
• 「相対原子質量」という用語は特定の核種（または同位体）の質量に使用し、「原子量」はサンプル内のすべての原子の原子質量の加重平均に使用します。
• 歴史的な理由から、誤解を招くような物理量の名前が残されていることは珍しくありません。例えば、
  • 起電力は力ではない
  • 分解能は電力量ではない
  • モル濃度。これはモル量（物質の単位量あたりで表される量）ではありません。

原子量は個々の原子の特性に対応していないため、実際には「原子的」ではないことも付け加えておきます。この意味での「相対原子質量」に対しても同じ議論が成り立ちます。

IUPACは、各安定した化学元素に対して標準原子量と呼ばれる正式な値を1つ公表している。^{[17] [1] ：表1}更新は2年ごと（奇数年）に公表される。2015年には、イッテルビウムの原子量が更新された。^[17] 2017年までに、14の原子量が変更され、アルゴンは単一の数字から間隔値に変更された。^{[18] [19]}

公開された値には、ネオンの場合のように不確実性が含まれる場合があります。20.1797(6)、またはホウ素の場合のように区間となることもあります: [10.806, 10.821]。

IUPAC は、これらの 84 個の値の他に、短縮値 (数値ごとに最大 5 桁まで) も公開しており、12 個の間隔値については、従来の値 (単一の数値) も公開しています。

記号A _{r は}、例えば特定のサンプルからの相対的な原子質量です。具体的には、標準原子量はA _r °(E)と表記されます。ここで、(E) は元素記号です。

同じく CIAAW が発行する短縮原子量は、標準原子量から派生したもので、数値を 5 桁 (有効数字 5 桁) に減らしたものです。名前に「丸められた」とは書かれていません。

区間の境界は、最初の（最も低い）境界では下方に丸められ、上（最も高い）境界では上方に丸められる。これにより、より正確な元の区間が完全にカバーされる。^{[1] ：表2}

例:

• カルシウム: A _r °(Ca) = 40.078(4) → A _r、短縮°(Ca) = 40.078
• ヘリウム: A _r °(He) = 4.002602(2) → A _{r、短縮形}°(He) = 4.0026
• 水素: A _r °(H) = [1.00784, 1.00811] → A _r、短縮°(H) = [1.0078, 1.0082]

14 種類の化学元素 (水素、リチウム、ホウ素、炭素、窒素、酸素、マグネシウム、ケイ素、硫黄、塩素、アルゴン、臭素、タリウム、鉛) には標準原子量があり、これは単一の数値ではなく間隔として定義されます。たとえば、水素の原子量はA _r °(H) = [1.00 784, 1.00811]です。この表記は、地球上のさまざまな発生源が実質的に異なる同位体構成を持ち、そのすべての不確実性が 2 つの数値でちょうどカバーされることを示しています。これらの元素には「地球平均」の構成はなく、「正しい」値はその中央値ではありません (水素の場合、1.007975 で、不確実性は (±0.000135) で、ちょうど間隔をカバーします)。ただし、貿易など、それほど正確でない値が許容される状況では、CIAAW は単一の数値の従来の原子量を公表しています。水素の場合、A _r、従来°(H) = 1.008。^{[1] ：表3}

短縮値と14の間隔値に対する慣例値を使用することで、すべての安定元素に対して短いIUPAC定義値（5桁プラス不確実性）を与えることができます。多くの場合、周期表ではこれで十分詳細です。^{[1] ：表2と表3}

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

• IUPAC 同位体存在比と原子量に関する委員会
• 元素の原子量 2011