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原子質量単位とは?
括弧内は拡張不確かさ。
定義より、厳密に- m(12C) = 12 u = 12 Da
である。
炭素12の質量数(陽子数と中性子数の合計)は12なので、核子(陽子と中性子)の質量はほぼ 1 u である。
ただし実際はわずかに重く、- mp = 1.0073 u
- mn = 1.0085 u
である。
これは、自由な核子が高い核エネルギーを質量の形で持っているからである。
しかしこの程度の差異を誤差として許容するなら、質量数 A の原子の質量はおよそ A u であるといえる。
統一原子質量単位(あるいはダルトン)の定義は、「12 g の炭素12の物質量」とされるモルの定義の裏返しになっており、- 1 g = NA u·mol ≒ 6.022 141 29(27)×1023 u (2010CODA)
である。
つまり、ある分子等の質量を統一原子質量単位で表した数値は、その分子からなる純物質 1 mol(アボガドロ定数個の分子)の質量をグラムで表した数値に等しい。
統一原子質量単位やダルトンは「原子量を表す単位」と誤解されることがある。
しかし、u や Da が表すのが質量であるのに対し、原子量は質量ではなく、原子の質量と 1 u との比であり、無次元量である。
したがって、原子量を u や Da で表すことはできない。
例えば「炭素12の原子量は12」「炭素12の質量は 12 u」「炭素12の質量は 12 Da」は正しいが、「炭素12の原子量は 12 u」「炭素12の原子量は 12 Da」は間違いである。
ダルトンにはSI接頭辞を付けることができる。
通常使われるのはミリダルトン (mDa)、キロダルトン (kDa)、ギガダルトン (GDa) である。
統一原子質量単位にSI接頭辞を付けることは、禁止されている訳ではないが、実際にはほとんどない。
ミリマスユニット (milli mass unit, mmu) という非公式の単位もあり、1 mmu = 1/1000 u = 1 mDa とされるが、SI接頭辞のシステムと整合性がなく、使用は推奨されない。
20世紀初頭、酸素 O 原子の質量の 1/16 が(「統一」のない)原子質量単位と定義されていた。
しかし1929年、酸素の同位体 17O と 18O が発見されると、「酸素」と呼ばれているものは各種同位体の混合であり、「酸素原子の質量」とは、各同位体原子の質量の、同位体比に応じた平均であることが明らかになった。
そしてまもなく、その同位体比も一定ではないことが明らかになり、原子質量単位の定義は不確実になった。
物理学の世界ではこれに対し、酸素16 16O の質量の 1/16 と定義された新しい原子質量単位 (physical amu) を使うようになった(これにより、従来の値は変更しなくてはならないという問題も出てきた)。
一方、化学の世界では従来の定義の原子質量単位 (chemical amu) を使った。
こうして2つの定義が混在することとなった。
これらを現在の統一原子質量単位で表すと- 1 physical amu ≒ 0.999 6882 u
- 1 chemical amu ≒ 0.999 96 u(同位体比のばらつきにより高い精度では定まらない)
となり、約 1/3600 の差がある。
この混乱を解消するため、国際純粋・応用物理学連合 (IUPAP) と国際純正・応用化学連合 (IUPAC) が協議し、1960年、炭素12 12C 原子の質量の 1/12 である統一原子質量単位が定められた。
この定義は、核種を特定することで同位体比の問題をなくしつつ、化学系 amu に最も近く従来の数値を変更する必要がないように選ばれた。
このとき、単位記号も新しく、統一 (unified) から u と定められた。
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