Atom kütlesi

Stilize lityum-7 atomu: 3 proton, 4 nötron ve 3 elektron (toplam elektronlar, çekirdek kütlesinin ~  1⁄4300'üdür). 7.016 Da'lık bir kütleye sahiptir. Nadir lityum-6 (6.015 Da'lık kütle), lityumun atom ağırlığını (ortalama) 6.941'e düşüren yalnızca 3 nötron içerir.

Atom kütlesi (ma veya m sembolü), bir atomun kütlesidir. SI kütle birimi kilogram (sembol: kg) olmasına rağmen, atomik kütle genellikle SI olmayan birim Dalton (sembol: Da veya u) olarak ifade edilir; burada 1 Dalton, hareketsiz haldeki tek bir karbon-12 atomunun kütlesinin  ¹⁄₁₂'si olarak tanımlanır. Çekirdeğin protonları ve nötronları, elektronların ve nükleer bağlanma enerjisinin küçük katkılarla neredeyse tüm atom kütlesinin tamamını oluşturur. Bu nedenle, Dalton cinsinden ifade edildiğinde atomik kütlenin sayısal değeri, kütle numarasıyla hemen hemen aynı değere sahiptir. Kilogram cinsinden kütle ile Dalton cinsinden kütle arasındaki dönüşüm, atomik kütle sabiti $m_{\rm {u}}={{m({\rm {^{12}C}})} \over {12}}=1\ {\rm {Da}}$ kullanılarak yapılabilir.

Dönüşüm için kullanılan formül:

$1\ {\rm {Da}}=m_{\rm {u}}={M_{\rm {u}} \over {N_{\rm {A}}}}={M(^{12}C) \over {12\ N_{\rm {A}}}}=1.660\ 539\ 066\ 60(50)\times 10^{-27}\ \mathrm {kg} ,$

burada $M_{\rm {u}}$, molar kütle sabiti, $N_{\rm {A}}$, Avogadro sabiti ve $M(^{12}\mathrm {C} )$, deneysel olarak belirlenen karbon-12 molar kütlesidir.

Bağıl izotopik kütle (aşağıdaki bölüme bakınız), bir izotopun atomik kütlesini m_a'nın boyutsuz bir değer veren atomik kütle sabiti m_u'ya bölerek elde edilebilir. Dolayısıyla, bir karbon-12 atomunun atomik kütlesi 12 Da'dır, ancak bir karbon-12 atomunun göreli izotopik kütlesi basitçe 12'dir. Bir moleküldeki tüm atomların göreli izotopik kütlelerinin toplamı, göreli moleküler kütledir.

Bir izotopun atomik kütlesi ve göreli izotopik kütle, bir elementin belirli bir spesifik izotopunu ifade eder. Genellikle maddeler izotopik olarak saf olmadıklarından, bir elementin ortalama atomik kütlesi olan, izotopların bolluğu ile ağırlıklandırılan elemental atom kütlesini kullanmak uygundur. Boyutsuz (standart) atom ağırlığı, bir (tipik doğal olarak oluşan) izotop karışımının ağırlıklı ortalama izotopik kütlesidir.

Bağıl izotopik kütle

Bağıl izotopik kütle (tek bir atomun özelliği), bir kimyasal elementin belirli bir örneğindeki birçok atom için değerlerin ortalaması olan ortalama atom ağırlığı (yukarıya bakın) ile karıştırılmamalıdır.

Atomik kütle mutlak bir kütle iken, göreli izotopik kütle, birimi olmayan boyutsuz bir sayıdır. Bu birim kaybı, bir karbon-12 standardına göre bir ölçeklendirme oranının kullanılmasından kaynaklanır ve "nispi izotopik kütle" terimindeki "göreceli" kelimesi, karbon-12'ye göre bu ölçeklendirmeyi belirtir.

Göreli izotopik kütle, bu durumda, bu değerin deneysel olarak belirlenmesi gereken karbon-12 kütlesi ile ölçeklendiğinde, belirli bir izotopun (özellikle herhangi bir tek çekirdek) kütlesidir. Eşdeğer olarak, bir izotop veya nüklidin nispi izotopik kütlesi, bir karbon-12 atomunun kütlesinin 1/12'sine göre izotop kütlesidir.

Örneğin, bir karbon-12 atomunun bağıl izotopik kütlesi tam olarak 12'dir. Karşılaştırma için, bir karbon-12 atomunun atomik kütlesi tam olarak 12 daltondur. Alternatif olarak, bir karbon-12 atomunun atomik kütlesi başka herhangi bir kütle birimiyle ifade edilebilir: örneğin, bir karbon-12 atomunun atomik kütlesi yaklaşık 6974199846705200000♠1.998467052×10⁻²⁶ kg'dır.

Dalton cinsinden ifade edildiğinde ilgili atomik kütle için olduğu gibi, karbon-12 dışındaki çekirdeklerin nispi izotopik kütle sayıları tam sayı değildir, ancak her zaman tam sayılara yakındır. Bu, aşağıda daha ayrıntılı olarak tartışılmaktadır.

Farklı miktarlar için benzer terimler

Atomik kütle veya izotopik kütle bazen bağıl atomik kütlenin (atom ağırlığı olarak da bilinir) veya standart atom ağırlığının (standartlaştırılmış olması anlamında belirli bir atom ağırlığı çeşidi) eşanlamlıları olarak karıştırılır veya yanlış kullanılır. Bununla birlikte, girişte belirtildiği gibi, atomik kütle mutlak bir kütle iken diğer tüm terimler boyutsuzdur. Bağıl atomik kütle ve standart atom ağırlığı, tek çekirdekler için değil, temel örneklerdeki bağıl atom kütlelerinin (bolluk ağırlıklı) ortalamaları için terimleri temsil eder. Bu nedenle, bağıl atomik kütle ve standart atom ağırlığı, genellikle bağıl izotopik kütleden sayısal olarak farklıdır.

Atomik kütle (göreli izotopik kütle), bir seferde yalnızca bir izotop (çekirdek) olabilen ve bağıl atom kütlesi / atomik durumunda olduğu gibi bolluk ağırlıklı bir ortalama olmayan tek bir atomun ağırlık kütlesi olarak tanımlanır. Bu nedenle, bir kimyasal elementin her izotopunun ve nüklidinin atomik kütlesi veya nispi izotopik kütlesi, prensipte çok büyük bir hassasiyetle ölçülebilen bir sayıdır, çünkü böyle bir nüklidin her numunesinin diğer numunelerle tam olarak aynı olması beklenir, aynı enerji durumundaki belirli bir türdeki tüm atomların ve belirli bir çekirdek parçasının her örneğinin, kütle olarak bu çekirdekin diğer her örneğiyle tam olarak özdeş olması beklenir. Örneğin, oksijen-16'nın her atomunun, diğer oksijen-16 atomlarının tam olarak aynı atom kütlesine (görece izotopik kütle) sahip olması beklenir.

Doğal olarak oluşan bir izotop (mononüklidik elementler) veya bir baskın izotop içeren birçok element durumunda, en yaygın izotopun atomik kütlesi ile (standart) bağıl atomik kütle veya (standart) atomik kütle arasındaki gerçek sayısal benzerlik / fark ağırlık küçük veya sıfır olabilir ve çoğu toplu hesaplamayı etkilemez. Bununla birlikte, böyle bir hata var olabilir ve hatta tek tek atomlar için mononüklidik olmayan elementler düşünüldüğünde önemli olabilir.

Birden fazla ortak izotopu olan mononüklidik olmayan elementler için, bağıl atomik kütlenin (atom ağırlığı) en yaygın izotopik kütleden bile sayısal farkı yarım kütle birimi veya daha fazla olabilir (örneğin, atomik olan klor durumuna bakın) ağırlık ve standart atom ağırlığı yaklaşık 35.45'tir). Yaygın olmayan bir izotopun atomik kütlesi (göreli izotopik kütle), bağıl atomik kütleden, atom ağırlığından veya standart atom ağırlığından birkaç kütle birimi ile farklılık gösterebilir.

Göreli izotopik kütleler her zaman tam sayı değerlerine yakındır, ancak iki nedenden ötürü hiçbir zaman (karbon-12 dışında) tam olarak bir tam sayıdır:

• protonlar ve nötronlar farklı kütlelere sahiptir ve farklı çekirdeklerin farklı proton ve nötron oranları vardır.
• atomik kütleler, bağlanma enerjileri ile farklı boyutlara indirgenir.

Nükleer bağlanma enerjisine bağlı herhangi bir kütle kusuru, deneysel olarak eşit sayıda serbest nükleonun kütlesinin küçük bir kısmıdır (% 1'den az).

Diğer atomlara kıyasla orta derecede güçlü bir şekilde bağlanan karbon-12'deki nükleon başına ortalama kütle ile karşılaştırıldığında, çoğu atom için bağlanmanın kütle kusuru, Dalton'un daha da küçük bir fraksiyonudur (karbon-12 dayalı birleşik atomik kütle birimi). Serbest protonlar ve nötronlar kütle olarak küçük bir dalton fraksiyonu (yaklaşık 0,0014 Da) kadar birbirinden farklı olduğundan, göreli izotopik kütleyi yuvarlayarak veya Dalton cinsinden verilen herhangi bir nüklidin atomik kütlesi en yakın tam sayıya her zaman nükleonu verir. Ek olarak, nötron sayısı (nötron sayısı) daha sonra proton sayısının (atom numarası) kütle numarasından (nükleon sayısı) çıkarılmasıyla türetilebilir.

Atomik kütlelerde kütle kusurları

Atomik kütlelerin kütle numarasına oranının 1'den saptığı miktar şu şekildedir: Sapma hidrojen-1'de pozitif başlar, sonra helyum-4'te yerel bir minimuma ulaşana kadar azalır. Artan kütle-kütle sayı oranlarının gösterdiği gibi, lityum, berilyum ve bor izotopları helyumdan daha az güçlü bir şekilde bağlanır.

Karbonda, kütlenin (Dalton cinsinden) kütle sayısına oranı 1 olarak tanımlanır ve karbondan sonra demir-56'da minimuma ulaşılana kadar birden az olur (demir-58 ve nikel-62 için sadece biraz daha yüksek değerlerle), daha sonra atom numarası arttıkça ağır izotoplarda pozitif değerlere yükselir. Bu, zirkonyumdan daha ağır bir elementteki nükleer fisyonun enerji ürettiği ve niyobyumdan daha hafif herhangi bir elementte fisyonun enerji gerektirdiği gerçeğine karşılık gelir. Öte yandan, skandiyumdan daha hafif bir elementin iki atomunun nükleer füzyonu (helyum hariç) enerji üretirken, kalsiyumdan daha ağır elementlerdeki füzyon enerji gerektirir. Berilyum-8 veren iki ⁴He atomunun füzyonu enerji gerektirecek ve berilyum hızla yeniden parçalanacaktır. ⁴H Trityum (³H) veya ³He ile kaynaşabilir; bu süreçler Big Bang nükleosentezi sırasında meydana geldi. Yedi nükleonlu elementlerin oluşumu, karbon-12 üretmek için lityum, berilyum ve bor atlayarak üçlü alfa sürecinde üç ⁴He atomunun füzyonunu gerektirir.

Atomik kütlenin kütle numarasına oranının bazı değerleri şunlardır:

Nuklid	Atomik kütlenin kütle sayısına oranı
1H	1.00782505
2H	1.0070508885
3H	1.0053497592
3He	1.0053431064
4He	1.0006508135
6Li	1.0025204658
12C	1
14N	1.0002195718
16O	0.9996821637
56Fe	0.9988381696
210Po	0.9999184462
232Th	1.0001640315
238U	1.0002133958

Atomik ve moleküler kütleler arasındaki ilişki

Moleküller için de benzer tanımlar geçerlidir. Bir bileşiğin moleküler kütlesi, bileşen atomlarının (çekirdeklerin) atomik veya çekirdek kütlelerini (standart atom ağırlıkları değil) ekleyerek hesaplanabilir. Tersine, molar kütle genellikle standart atom ağırlıklarından (atomik veya çekirdek kütlelerinden değil) hesaplanır. Bu nedenle, moleküler kütle ve molar kütle, sayısal değerde biraz farklılık gösterir ve farklı kavramları temsil eder. Moleküler kütle, atomik kütlelerinin toplamı olan bir molekülün kütlesidir. Molar kütle, kimyasal olarak saf ancak izotopik olarak heterojen bir topluluktaki kurucu moleküllerin kütlelerinin ortalamasıdır. Her iki durumda da, atomların çokluğu (oluşma sayısı), genellikle her benzersiz kütlenin çokluğuyla çarpılmasıyla hesaba katılmalıdır.

CH4'ün molar kütlesi
	Standart atom ağırlığı	Sayı	Toplam molar kütle (g/mol) veya moleküler ağırlık (Da veya g/mol)
C	12.011	1	12.011
H	1.008	4	4.032
CH4			16.043
12C1H4'in moleküler kütlesi
	Çekirdek kütlesi	Sayı	Toplam moleküler kütle (Da veya u)
12C	12.00	1	12.00
1H	1.007825	4	4.0313
CH4			16.0313

Tarihçe

Bağıl atom kütlelerini belirleyen ilk bilim adamları, 1803 ile 1805 arasında John Dalton ve Thomas Thomson ve 1808 ile 1826 arasında Jöns Jakob Berzelius idi. Bağıl atom kütlesi (Atom ağırlığı) başlangıçta 1.00 olarak alınan en hafif element olan hidrojene göre tanımlanmıştı ve 1820'lerde Prout'un hipotezi, tüm elementlerin atomik kütlelerinin hidrojenin tam katları olduğunu kanıtlayacağını belirtti. Bununla birlikte Berzelius, kısa süre sonra bunun yaklaşık olarak bile doğru olmadığını kanıtladı ve klor gibi bazı elementler için nispi atomik kütle yaklaşık 35.5, hidrojenin iki integral katı arasında neredeyse tam olarak yarı yarıya düştü. Yine daha sonra, bunun büyük ölçüde bir izotop karışımından kaynaklandığı ve saf izotopların veya çekirdeklerin atomik kütlelerinin hidrojen kütlesinin katları, yaklaşık %1 dahilinde olduğu gösterildi.

1860'larda Stanislao Cannizzaro, Avogadro yasasını uygulayarak (özellikle 1860 Karlsruhe Kongresi'nde) göreceli atom kütlelerini rafine etti. Elementlerin göreceli atomik kütlelerini belirlemek için bir yasa formüle etti: Farklı moleküllerde bulunan aynı elementin farklı miktarlarının hepsi atom ağırlığının tam katlarıdır ve bir gazlar koleksiyonunun buhar yoğunluğunu söz konusu kimyasal elementi içeren moleküllerle karşılaştırarak nispi atomik kütleleri ve moleküler kütleleri belirler.

20. yüzyılda, 1960'lara kadar kimyagerler ve fizikçiler iki farklı atomik kütle ölçeği kullandılar. Kimyagerler, oksijen izotoplarının doğal karışımı bir atomik kütleye 16 sahip olacak şekilde bir "atomik kütle birimi" (amu) ölçeği kullandılar, fizikçiler ise aynı sayıyı 16'yı yalnızca en yaygın oksijen izotopunun atom kütlesine atadı (¹⁶O, sekiz proton ve sekiz nötron içerir). Bununla birlikte, oksijen-17 ve oksijen-18 de doğal oksijende bulunduğundan, bu iki farklı atomik kütle tablosuna yol açtı. Karbon-12, ¹²C'ye dayanan birleşik ölçek, kimyagerlerin ölçeğine sayısal olarak yakınken, fizikçilerin ölçeği saf bir izotop üzerine oturtma ihtiyacını karşıladı. Bu, 'birleşik atomik kütle birimi' olarak kabul edildi. Bu birimin adı için mevcut Uluslararası Birimler Sistemi (SI) birincil öneri Dalton 'Da' sembolüdür. 'Birleşik atomik kütle birimi' adı ve 'u' sembolü, aynı birim için tanınan isimler ve sembollerdir.

Atom ağırlığı terimi yavaş yavaş aşamalı olarak kaldırılıyor ve güncel kullanımın çoğunda göreceli atomik kütle ile değiştiriliyor. İsimlendirmedeki bu değişim 1960'lara kadar uzanıyor ve birleşik atomik kütle biriminin benimsenmesi ve ağırlığın bazı açılardan uygunsuz bir terim olduğunun farkına varılmasıyla tetiklenen bilim camiasında birçok tartışmanın kaynağı oldu. "Atom ağırlığı" terimini korumaya yönelik argüman, öncelikle, sahadakiler için iyi anlaşılmış bir terim olduğu, "atomik kütle" teriminin halihazırda kullanımda olduğu (şu anda tanımlandığı gibi) ve "bağıl atomik kütle "göreceli izotopik kütle ile kolayca karıştırılabilir (belirli bir çekirdek içindeki tek bir atomun kütlesi, karbon-12 kütlesinin 1/12'sine göre boyutsuz olarak ifade edilir; yukarıdaki bölüme bakınız).

1979'da, bir uzlaşma olarak, "bağıl atomik kütle" terimi, atom ağırlığının ikincil eşanlamlısı olarak tanıtıldı. Yirmi yıl sonra bu eşanlamlıların önceliği tersine çevrildi ve "göreceli atomik kütle" terimi artık tercih edilen terimdir.