Атомная единица массы это в физике определение кратко
Обновлено: 04.07.2024
А́томная едини́ца ма́ссы (обозначение а. е. м.), она же дальтон, — внесистемная единица массы, применяемая для масс молекул, атомов, атомных ядер и элементарных частиц. Рекомендована к применению 1960 и ИЮПАК в 1961 годах. Официально рекомендованными являются англоязычные термины atomic mass unit (a.m.u.) и более точный — unified atomic mass unit (u.a.m.u.) (универсальная атомная единица массы, но в русскоязычных научных и технических источниках он употребляется реже).
Атомная единица массы выражается через массу углерода 12 C. 1 а. е. м. равна одной двенадцатой части от массы этого нуклида в ядерном и атомном природном состоянии. Установленное в 1997 году во 2-ом издании справочника терминов ИЮПАК численное значение 1 а. е. м. ≈ 1,6605402(10) ∙ 10 −27 кг ≈ 1,6605402(10) ∙ 10 −24 г.
С другой стороны, 1 а. е. м. — это величина, обратная молярная масса данного элемента, выраженная в граммах на моль, в точности совпадает с массой атома этого элемента, выраженной в а. е. м.
История
Понятие атомной массы ввёл Джон Дальтон в 1803 году, единицей измерения атомной массы сначала служила масса атома водорода (так называемая водородная шкала). В 1818 кислорода, принятой равной 103. Система атомных масс Берцелиуса господствовала до 1860-х годов, когда химики опять приняли водородную шкалу. Но в 1906 они перешли на кислородную шкалу, по которой за единицу атомной массы принимали 1/16 часть атомной массы кислорода. После открытия изотопов кислорода ( 16 O, 17 O, 18 O) атомные массы стали указывать по двум шкалам: химической, в основе которой лежала 1/16 часть средней массы атома природного кислорода, и физической с единицей массы, равной 1/16 массы атома нуклида 16 O. Использование двух шкал имело ряд недостатков, вследствие чего с 1961 перешли к единой, углеродной шкале.
В атомная масса - количество вещества, присутствующего в атоме, которое может быть выражено в обычных физических единицах или в единицах атомной массы (ума или u). Атом пуст почти во всей своей структуре; электроны, которые рассеиваются в областях, называемых орбиталями, где есть определенная вероятность найти их и их ядра.
В ядре атома находятся протоны и нейтроны; первый с положительным зарядом, а второй с нейтральным зарядом. Эти две субатомные частицы имеют массу, намного превышающую массу электрона; следовательно, масса атома определяется его ядром, а не вакуумом или электронами.
Из-за этого обычно предполагается, что масса атома или атомная масса зависит только от массы ядра; который, в свою очередь, состоит из суммы нейтронов и протонов. Из этого рассуждения вытекают две концепции: массовое число и атомная масса, оба тесно связаны.
Если мы удалим указанную пустоту из любого тела или объекта, его размеры резко уменьшатся. Кроме того, если бы мы могли построить небольшой объект на основе атомных ядер (без электронов), то он имел бы массу в миллионы тонн.
С другой стороны, атомные массы помогают различать разные атомы одного и того же элемента; это изотопы. Поскольку изотопов больше, чем других, необходимо оценить среднюю массу атомов для данного элемента; среднее значение, которое может варьироваться от планеты к планете или от одного космического региона к другому.
Определение и понятие
По определению, атомная масса - это сумма масс протонов и нейтронов, выраженная через uma или u. Полученное число (также иногда называемое массовым числом) помещается безразмерным в левый верхний угол в обозначениях, используемых для нуклидов. Например, для элемента 15 X его атомная масса 15uma или 15u.
Атомная масса не может многое сказать об истинной идентичности этого элемента X. Вместо этого используется атомный номер, который соответствует протонам в ядре X. Если это число равно 7, то разница ( 15-7) будет равно 8; то есть X имеет 7 протонов и 8 нейтронов, сумма которых равна 15.
Возвращаясь к изображению, в ядре 5 нейтронов и 4 протона, поэтому его массовое число равно 9; и, в свою очередь, 9 а.е.м. - это масса его атома. Имея 4 протона и сверившись с периодической таблицей, можно увидеть, что это ядро соответствует ядру элемента бериллия, Be (или 9 Быть).
Атомная единица массы
Атомы слишком малы, чтобы можно было измерить их массы обычными методами или обычными весами. Именно по этой причине были изобретены ума, у или да (дальтоник). Эти единицы, разработанные для атомов, позволяют вам понять, насколько массивны атомы элемента по отношению друг к другу.
Но что именно представляет собой ума? Должна быть ссылка на установление массовых отношений. Для этого в качестве эталона использовался атом. 12 C, который является наиболее распространенным и стабильным изотопом углерода. Имея 6 протонов (его атомный номер Z) и 6 нейтронов, его атомная масса равна 12.
Предполагается, что протоны и нейтроны имеют одинаковые массы, так что каждый дает 1 а.е.м. Тогда атомная единица массы определяется как одна двенадцатая (1/12) массы атома углерода-12; это масса протона или нейтрона.
Эквивалентность в граммах
И теперь возникает вопрос: сколько граммов равна 1 а.е.м.? Поскольку поначалу не было достаточно продвинутых методов для его измерения, химики должны были довольствоваться выражением всех масс с помощью amu; однако это было преимуществом, а не недостатком.
Зачем? Поскольку субатомные частицы настолько малы, их масса, выраженная в граммах, должна быть такой же малой. Фактически, 1 а.е.м. равняется 1,6605 · 10. -24 граммы. Более того, с использованием концепции моля не было проблемой работать с массами элементов и их изотопов с аму, зная, что такие единицы могут быть изменены до г / моль.
Средняя атомная масса
Не все атомы одного и того же элемента имеют одинаковую массу. Это означает, что у них должно быть больше субатомных частиц в ядре. Поскольку это один и тот же элемент, атомный номер или количество протонов должны оставаться постоянными; следовательно, существует только изменение количества нейтронов, которыми они обладают.
Вот как это следует из определения изотопов: атомы одного и того же элемента, но с разными атомными массами. Например, бериллий почти полностью состоит из изотопа 9 Быть, со следовыми количествами 10 Быть. Однако этот пример не очень полезен для понимания концепции средней атомной массы; нам нужен один с большим количеством изотопов.
пример
Предположим, элемент существует 88 J, являющийся основным изотопом J с содержанием 60%. J также имеет два других изотопа: 86 J, с содержанием 20%, и 90 J, с содержанием также 20%. Это означает, что из 100 Дж атомов, которые мы собираем на Земле, 60 из них 88 J, а остальные 40 - смесь 86 J и 90 Дж.
Каждый из трех изотопов J имеет свою атомную массу; то есть их сумма нейтронов и протонов. Однако эти массы необходимо усреднить, чтобы иметь под рукой атомную массу для J; здесь, на Земле, так как могут быть другие регионы Вселенной, где изобилие 86 J составляет 56%, а не 60%.
Чтобы вычислить среднюю атомную массу J, необходимо получить средневзвешенное значение масс его изотопов; то есть с учетом процента численности для каждого из них. Таким образом, мы имеем:
Средняя масса (Дж) = (86 а.е.м.) (0,60) + (88 а.е.м.) (0,20) + (90 а.е.м.) (0,20)
То есть средняя атомная масса (также известная как атомная масса) J составляет 87,2 а.е.м. Между тем его молярная масса составляет 87,2 г / моль. Обратите внимание, что 87,2 ближе к 88, чем к 86, и это также далеко от 90.
Абсолютная атомная масса
Абсолютная атомная масса - это атомная масса, выраженная в граммах. Исходя из примера гипотетического элемента J, мы можем вычислить его абсолютную атомную массу (среднюю), зная, что каждая а.е.м. эквивалентна 1,6605 · 10 -24 граммы:
Абсолютная атомная масса (Дж) = 87,2 а.е.м. * (1,6605 · 10 -24 г / м)
= 1,447956·10 -22 г / атом Дж
Это означает, что в среднем атомы J имеют абсолютную массу 1,447956 · 10 -22 грамм.
Относительная атомная масса
Относительная атомная масса численно идентична средней атомной массе для данного элемента; Однако, в отличие от второго, первому недостает единства. Следовательно, он безразмерен. Например, средняя атомная масса бериллия 9,012182 ед. в то время как его относительная атомная масса просто 9,012182.
Вот почему эти понятия иногда неверно интерпретируются как синонимы, поскольку они очень похожи, а различия между ними неуловимы. Но к чему эти массы относительно? Относительно одной двенадцатой массы 12 С.
Таким образом, элемент с относительной атомной массой 77 означает, что он имеет массу в 77 раз больше, чем 1/12 12 С.
Те, кто смотрел на элементы в периодической таблице, увидят, что их массы относительно выражены. У них нет единиц а.е.м., и они интерпретируются так: атомная масса железа составляет 55 846, что означает, что оно в 55 846 раз больше массы, чем масса 1/12 части тела. 12 C, который также может быть выражен как 55,846 а.е.м. или 55,846 г / моль.
Как рассчитать атомную массу
Математически был приведен пример того, как рассчитать это на примере элемента J. В общих чертах, должна применяться формула средневзвешенного значения, которая будет:
P = Σ (атомная масса изотопа) (содержание в десятичных дробях)
То есть, имея атомные массы (нейтроны + протоны) каждого изотопа (обычно естественного) для данного элемента, а также их соответствующие земные содержания (или любой другой рассматриваемый регион), можно рассчитать указанное средневзвешенное значение.
И почему не только среднее арифметическое? Например, средняя атомная масса J составляет 87,2 а.е.м. Если мы снова вычислим эту массу, но арифметически, мы получим:
Средняя масса (Дж) = (88 а.е.м. + 86 а.е.м. + 90 а.е.м.) / 3
Обратите внимание, что между 88 и 87 есть важное различие. Это потому, что среднее арифметическое предполагает, что содержание всех изотопов одинаково; Поскольку существует три изотопа J, каждый должен иметь содержание 100/3 (33,33%). Но на самом деле это не так: изотопов гораздо больше, чем других.
Вот почему рассчитывается средневзвешенное значение, поскольку оно учитывает, насколько распространен один изотоп по отношению к другому.
Примеры
Углерод
Чтобы вычислить среднюю атомную массу углерода, нам нужны его природные изотопы с их соответствующим содержанием. В случае углерода это: 12 С (98,89%) и 13 С (1,11%). Их относительные атомные массы равны 12 и 13 соответственно, которые, в свою очередь, равны 12 а.е.м. и 13 а.е.м. Решение:
Средняя атомная масса (C) = (12 а.е.м.) (0,9889) + (13 а.е.м.) (0,0111)
Следовательно, масса атома углерода в среднем составляет 12,01 а.е.м. Поскольку есть следовые количества 14 C практически не влияет на это среднее значение.
Натрий
Все земные атомы натрия состоят из изотопа 23 Na, поэтому его содержание составляет 100%. Поэтому в обычных расчетах его массу можно принять просто равной 23 а.е.м. или 23 г / моль. Однако его точная масса составляет 22,98976928 а.е.м.
Кислород
Три изотопа кислорода с их соответствующими содержаниями: 16 О (99,762%), 17 О (0,038%) и 18 О (0,2%). У нас есть все, чтобы рассчитать его среднюю атомную массу:
Средняя атомная масса (O) = (16 а.е.м.) (0,99762) + (17 а.е.м.) (0,00038) + (18 а.е.м.) (0,002)
Хотя его заявленная точная масса на самом деле составляет 15,9994 а.е.м.
Азот
Повторяя те же шаги с кислородом, мы получаем: 14 N (99,634%) и 15 N (0,366%). Так:
Средняя атомная масса (N) = (14 а.е.м.) (0,99634) + (15 а.е.м.) (0,00366)
Обратите внимание, что заявленная масса азота составляет 14,0067 а.е.м., что немного выше, чем мы рассчитали.
Хлор
Изотопы хлора с их соответствующими содержаниями: 35 Cl (75,77%) и 37 Cl (24,23%). Рассчитав его среднюю атомную массу, мы имеем:
Средняя атомная масса (Cl) = (35 а.е.м.) (0,7577) + (37 а.е.м.) (0,2423)
Очень похоже на сообщенный (35 453 а.е.м.).
Диспрозий
И, наконец, будет рассчитана средняя масса элемента с множеством природных изотопов: диспрозия. Вот эти и их соответствующие количества: 156 Dy (0,06%), 158 Dy (0,10%), 160 Dy (2,34%), 161 Dy (18,91%), 162 Dy (25,51%), 163 Dy (24,90%) и 164 Dy (28,18%).
Действуем, как в предыдущих примерах, чтобы вычислить атомную массу этого металла:
Средняя атомная масса (Dy) = (156 а.е.м.) (0,0006%) + (158 а.е.м.) (0,0010) + (160 а.е.м.) (0,0234) + (161 а.е.м.) (0,1891) + (162 а.е.м.) (0,2551) + (163 а.е.м.) (0,2490) + (164 а.е.м.) (0,2818)
Сообщенная масса составляет 162 500 а.е.м. Обратите внимание, что это среднее значение составляет от 162 до 163, поскольку изотопы 156 Ды, 158 Дай и 160 Dy немногочисленны; в то время как преобладающие 162 Ды, 163 Дай и 164 Dy.
Для характеристики массы атомов и молекул используют понятие атомной массы М.
Атомная масса — относительная величина. Она определяется по отношению к массе атома углерода| 12 |
|---|
| 6 |
| 12 |
|---|
| 6 |
Для абсолютного определения атомной массы была введена атомная единица массы (а. е. м.).
Атомная единица массы (а. е. м.) равна 1/12 массы атома углерода| 12 |
|---|
| 6 |
Отсюда следует, что углерод обладает относительной атомной массой М = 12.000 и абсолютной атомной массой m = 12.000 а. е. м. Атомную единицу массы можно перевести в единицу массы СИ — килограмм.
\[ 1 \enspace а. е. м. = \frac<1> m_
Отсюда следует для массы атома
Последняя формула используется также для ядер, элементарных частиц, частиц — продуктов радиоактивных превращений и т. д.
Справочная таблица
Массы некоторых элементарных частиц и атомов
АТОМНАЯ МАССА. Понятие об этой величине претерпевало длительные изменения в соответствии с изменением представления об атомах. Согласно теории Дальтона (1803), все атомы одного и того же химического элемента идентичны и его атомная масса – это число, равное отношению их массы к массе атома некоего стандартного элемента. Однако примерно к 1920 стало ясно, что элементы, встречающиеся в природе, бывают двух типов: одни действительно представлены идентичными атомами, а у других атомы имеют одинаковый заряд ядра, но разную массу; такие разновидности атомов были названы изотопами. Определение Дальтона, таким образом, справедливо только для элементов первого типа. Атомная масса элемента, представленного несколькими изотопами, есть средняя величина из массовых чисел всех его изотопов, взятых в процентном отношении, отвечающем их распространенности в природе.
В 19 в. в качестве стандарта при определении атомных масс химики использовали водород или кислород. В 1904 за стандарт была принята 1/16 средней массы атома природного кислорода (кислородная единица) и соответствующая шкала получила название химической. Масс-спектрографическое определение атомных масс проводилось на основе 1/16 массы изотопа 16 О, и соответствующая шкала называлась физической. В 1920-х годах было установлено, что природный кислород состоит из смеси трех изотопов: 16 О, 17 О и 18 О. В связи с этим возникли две проблемы. Во-первых, оказалось, что относительная распространенность природных изотопов кислорода немного варьирует, а значит, в основе химической шкалы лежит величина, не являющаяся абсолютной константой. Во-вторых, у физиков и химиков получались разные значения таких производных констант, как молярные объемы, число Авогадро и др. Решение вопроса было найдено в 1961, когда за атомную единицу массы (а.е.м.) была принята 1/12 массы изотопа углерода 12 С (углеродная единица). (1 а.е.м., или 1D (дальтон), в СИ-единицах массы составляет 1,66057Ч10 –27 кг.) Природный углерод также состоит из двух изотопов: 12 С – 99% и 13 С – 1%, но новые величины атомных масс элементов связаны только с первым из них. В результате была получена универсальная таблица относительных атомных масс. Изотоп 12 С оказался удобным и для физических измерений.
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Атомную массу можно определить либо физическими, либо химическими методами. Химические методы отличаются тем, что на одном из этапов в них фигурируют не сами атомы, а их комбинации.
Химические методы.
Согласно атомной теории, числа атомов элементов в соединениях относятся между собой как небольшие целые числа (закон кратных отношений, который открыт Дальтоном). Поэтому для соединения известного состава можно определить массу одного из элементов, зная массы всех других. В некоторых случаях массу соединения можно измерить непосредственно, но обычно ее находят косвенными методами. Рассмотрим оба этих подхода.
Атомную массу Al недавно определили следующим образом. Известные количества Al были превращены в нитрат, сульфат или гидроксид и затем прокалены до оксида алюминия (Al2O3), количество которого точно определяли. Из соотношения между двумя известными массами и атомными массами алюминия и кислорода (15,9)
нашли атомную массу Al. Однако прямым сравнением с атомной массой кислорода можно определить атомные массы лишь немногих элементов. Для большинства элементов их определяли косвенным путем, анализируя хлориды и бромиды. Во-первых, эти соединения для многих элементов можно получить в чистом виде, во-вторых, для их точных количественных определений в распоряжении химиков имеется чувствительный аналитический метод, основанный на сравнении их масс с массой серебра. Для этого точно определяют массу анализируемых соединений и массу серебра, необходимого для взаимодействия с ними. Атомную массу нужного элемента рассчитывают исходя из атомной массы серебра – эталонной величины в подобных определениях. Атомную массу серебра (107,870) в углеродных единицах определяли косвенным химическим методом.
Физические методы.
В середине 20 в. существовал только один физический метод определения атомных масс, сегодня наиболее широко применяют четыре.
Плотность газа.
Самый первый физический метод основывался на определении плотности газа и на том, что в соответствии с законом Авогадро равные объемы газов при одинаковых температуре и давлении содержат одинаковое число молекул. Следовательно, если определенный объем чистого СО2 имеет массу, в 1,3753 большую, чем такой же объем кислорода в тех же условиях, то молекула СО2 должна быть в 1,3753 раза тяжелее молекулы кислорода (мол. масса О2 = 31,998), т.е. масса молекулы СО2 по химической шкале равна 44,008. Если из этой величины вычесть массу двух атомов кислорода, равную 31,998, мы получим атомную массу углерода – 12,01. Чтобы получить более точное значение, необходимо ввести ряд поправок, что усложняет этот метод. Тем не менее с его помощью были получены некоторые весьма ценные данные. Так, после открытия благородных газов (He, Ne, Ar, Kr, Xe) метод, основанный на измерении плотности, оказался единственно пригодным для определения их атомных масс.
Масс-спектроскопия.
Вскоре после Первой мировой войны Ф.Астон создал первый масс-спектроскоп для точного определения массовых чисел различных изотопов и тем самым открыл новую эру в истории определения атомных масс. Сегодня существует два основных типа масс-спектроскопов: масс-спектрометры и масс-спектрографы (последним является, например, прибор Астона). Масс-спектрограф предназначен для изучения поведения потока электрически заряженных атомов или молекул в сильном магнитном поле. Отклонение заряженных частиц в этом поле пропорционально отношению их масс к заряду, а регистрируют их в виде линий на фотопластинке. Сравнивая положения линий, отвечающих определенным частицам, с положением линии для элемента с известной атомной массой, можно с достаточной точностью определить атомную массу нужного элемента. Хорошей иллюстрацией метода является сравнение массы молекулы СН4 (метана) с массовым числом самого легкого изотопа кислорода 16 О. Одинаково заряженные ионы метана и 16 О одновременно впускают в камеру масс-спектрографа и регистрируют их положение на фотопластинке. Различие в положении их линий отвечает разности масс 0,036406 (по физической шкале). Это значительно более высокая точность, чем может дать любой химический метод.
Если исследуемый элемент не имеет изотопов, то определение его атомной массы не составляет особого труда. В противном случае необходимо определить не только массу каждого изотопа, но и их относительное содержание в смеси. Эту величину не удается определить с достаточной точностью, что ограничивает применение масс-спектрографического метода для нахождения атомных масс изотопических элементов, особенно тяжелых. Недавно с помощью масс-спектрометрии удалось установить с высокой точностью относительное содержание двух изотопов серебра, 107 Ag и 109 Ag. Измерения были выполнены в Национальном бюро стандартов США. Используя эти новые данные и более ранние измерения масс изотопов серебра, уточнили значение атомной массы природного серебра. Теперь эта величина считается равной 107,8731 (химическая шкала).
Ядерные реакции.
Для определения атомных масс некоторых элементов можно использовать соотношение между массой и энергией, полученное Эйнштейном. Рассмотрим реакцию бомбардировки ядер 14 N быстрыми ядрами дейтерия с образованием изотопа 15 N и обычного водорода 1 Н:
14 N + 2 H = 15 N + 1 H + Q
В результате реакции выделяется энергия Q = 8 615 000 эВ, которая в соответствии с уравнением Эйнштейна эквивалентна 0,00948 а.е.м. Значит, масса 14 N + 2 H превышает массу 15 N + 1 H на 0,00948 а.е.м., и если мы знаем массовые числа трех любых изотопов – участников реакции, то можем найти массу четвертого. Метод позволяет определить разность массовых чисел двух изотопов с большей точностью, чем масс-спектрографический.
Рентгенография.
Этим физическим методом можно определять атомные массы веществ, которые при обычной температуре образуют регулярную кристаллическую решетку. Метод основан на связи между атомной (или молекулярной) массой кристаллического вещества, его плотностью, числом Авогадро и неким коэффициентом, который определяют из расстояний между атомами в кристаллической решетке. Необходимо провести прецизионные измерения двух величин: постоянной решетки рентгенографическими методами и плотности методом пикнометрии. Применение метода ограничивается трудностями получения чистых совершенных кристаллов (без вакансий и дефектов любого рода).
Уточнение атомных масс.
Все измерения атомных масс, которые были выполнены более 20 лет назад, проводились химическими методами или методом, основанным на определении плотности газов. В последнее же время данные, получаемые масс-спектрометрическими и изотопными методами, совпадают с такой высокой точностью, что Международная комиссия по атомным массам решила скорректировать атомные массы 36 элементов, причем 18 из них не имеют изотопов.
См. также АВОГАДРО ЧИСЛО.
Кравцов В.А. Массы атомов и энергии связи. М., 1965
Воронцова Е.Р. Атомный вес. М., 1984
Эмсли Дж. Элементы (справочник). М., 1993
Читайте также: