なぜ炭素12は原子質量単位のために選ばれたのですか?

Dieblitzen 05/13/2017. 3 answers, 13.143 views
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原子質量単位は、炭素12 原子の質量の1/12と定義される。 そのような定義の物理的な理由はありましたか? 原子質量単位に電子を入れようとしていましたか?

原子核の計算で、少なくとも1つの核粒子(陽子と中性子のうちの1つ)が素敵な整数になるように、陽子を陽子または中性子の質量と定義するのはどうでしょうか?

3 Answers


David Hammen 05/16/2017.

なぜ炭素-12は原子質量単位に選ばれたのですか?

計量学の他の場所と同じように、答えは歴史、測定可能性、実用性、再現性、過去の誤解、一貫性(過去の誤解にもかかわらず)に結びついています。

原子の質量とモルの歴史は、19世紀初頭に原子理論の父であるジョン・ダルトン(John Dalton)に帰されている[1]。 統一された原子質量単位は、彼の名前を付けられています。 その時代の科学者たちは要素について学んでいました。 ダルトンの将来において、周期表は60年であった。 ダルトンは当初、水素を基礎として提案しました。 測定可能性と再現性の問題はすばやく切り詰めました。 だから間違いがありました。 例えば、ダルトンは水がH 2 OではなくHOであると考えた[2]。

これらの問題により、化学者は地球上の酸素に基づいて酸素ベースの基準に切り替わりました。 原子レベルでの物理学者の調査は、O 16 O、 17の自然な混合物ではなく、 16 Oに基づいて、20世紀に彼ら自身の標準を開発することを引き起こした(これは、複数の同位体で来ることができる。 O、および18 O(原子質量:15.994915,16.999131および17.999161、それぞれ17 Oに対して379.9 ppm、 18 Oに対して2005.20 ppm、および16 Oの残部)。

酸素の様々な同位体の天然混合物は一定ではない。 それは時間、場所、気候によって異なります。 測定の改善とより広範な使用が可能となり、20世紀半ばまでに重要な問題になっています。 主な原因は、酸素の2つの最も一般的な同位体、 16 O(主な同位体)および18 O(平均で約2000ppm)の自然変動である。 元素の原子量に関するIUPACテクニカルレポート[4]は、15.99903から15.99977まで変化する天然酸素の原子量を列挙している。

これらの自然変動の第一の原因は、酸素の様々な同位体に基づく水分子の優先的な蒸発および沈殿である。 16 Oに基づく水は18 Oに基づく水よりも容易に蒸発しやすく、熱帯性海洋を平均に比べて18 Oに集中させる。 裏返して、 18 Oに基づく水は、 16 Oに基づく水よりもわずかに容易に沈殿する。これにより、熱帯における降水量は公称と比較して18 O濃度がわずかに高くなり、高緯度の降水量は18 O濃度は公称値と比較して高い。

物理学者には解決策がありました:同位体的に純粋な16 O標準に切り替えます。 これは、化学物質の酸素ベースの基準で許容できない大きな変化(275ppm [3])を示していたであろう。 教科書、参考書、そしておそらく最も重要なのは製油所や他の化学工場で使われているレシピが書き直されていることでした。 商業的コストは膨大なものでした。 コマースをサポートするためには、メトロロジーが第一に存在することが重要です。 したがって、化学者たちは、物理学者が提案したことに落胆した。

カーボンベースの標準は素晴らしい妥協を示しました。 偶然、O 16 O、 17 O、および18 Oの天然混合物を含む酸素1モルの質量の1/16の原子質量を定義することは、原子質量を質量の1/12と定義する標準に非常に近い12モルのモルの[3]。 これは、 16 Oのモルの1/16に変化することから生じたであろう275ppmの変化と比較して、化学者の天然酸素標準から42ppmの変化を示した[3]。 この新しい標準は純粋な同位体に基づいており、それによって物理学者を幸せに保ちました。これは過去からの小さな出発点であり、それによって化学者と商取引を幸せにしています。


参考文献:

  1. Britannica.com on John-Dalton /アトミック理論エントリー
    私はウィキペディアを参照することに気をつけています。 ブリタニカはまだ基本的な事実のための公正なゲームです。

  2. クラス11:どのように原子を結合するか
    水が二原子であると仮定したダルトンの誤解は広く報告されている。 これは、ダルトンの間違いを主張する多くのサイトの1つです。

  3. ホールデン、ノーマンE. "原子量と国際委員会 - 歴史的レビュー。" Chemistry International 26.1(2004):4-7。
    エミリオ・ピサンティが私にいくつかの参考文献を探すように依頼した後、私は事実の後でこれを見つけました。 これは私が書いたすべてを、より詳細に、より詳細に、たくさんの参考文献で述べています。

  4. Meija、Juris、et al。 "要素2013の原子量(IUPACテクニカルレポート)。" Pure and Applied Chemistry 88.3(2016):265-291。
    表1および図6を参照してください。


Jirka Hanika 05/16/2017.

特定の核の質量は、構成粒子の質量の合計に等しくない。 この観点から、いずれの同位体(または同位体の混合物)が定義基準として選ばれるかは、他の同位体(または同位体の混合物)が素晴らしい整数に終わることはありません。

例えば、炭素-12が6つの陽子と6つの中性子を有する場合、水素-2(重水素、1つの陽子+ 1つの中性子)の原子量は正確に2であると予想されるが、実際の値は2.014である。 これを理解するためには、重水素から炭素12を最終的に生成する核融合反応を考慮する。 反応はエネルギーを放出し、放出されるエネルギーは「失われた」質量と正確に等しい($ E = mc ^ 2 $を介して)。 陽子や中性子を使ったクリーンなカウントゲームではありません。

電子はこれとはあまり関係がありません。 むしろ、同じ核内の核子間の強い相互作用の問題です。 強い相互作用は、核子の「快適さの程度」を決定し、したがって核融合または核分裂に関与する可能性のあるエネルギーを決定し、それによって核の質量を決定する。

このような観点からすれば、「良い」原子量を持つ同位体を1つ持つことができますが、他の原子は完全に「奇妙な」原子量で終わることになります。 この観点から、コミュニティがあなたの提案を受け入れる準備ができている限り、あなたが標準として使用する同位体はそれほど重要ではありません。


Vera K 07/02/2017.

あなたの質問にはすでに2つの良い答えがありますが、私はまだあなたの質問をより具体的に補完して答えたいと思います:

原子質量単位は、炭素12原子の質量の1/12と定義される。

これは正しくありません。 unified原子質量単位uは、炭素12原子の質量の1/12と定義される。 原子質量単位(amu)は、oxigen-16同位体(物理)の質量の1/16または酸素原子(化学者)の(平均)質量の1/16と定義されます。

そのような定義の物理的な理由はありましたか?

いいえ、しかし化学的な理由があります。 化学者は、統一原子質量単位の「原子量」の数値がモル質量の数値と同じであることを望んでいます。 例えば、Cの分子量(原子の同位体質量の存在量加重平均)は12.0107uであり、そのモル質量は12.0107g / molである。 これにより、化学者はマクロとミクロの世界の間で容易にジャンプすることができます。

原子質量単位に電子を入れようとしていましたか?

はい、化学者が元素や物質の質量を測定すると、これらは本質的に中性であるからです。 ダイヤモンドとも呼ばれる炭素の塊について考えてみましょう。

原子核の計算で、少なくとも1つの核粒子(陽子と中性子のうちの1つ)が素敵な整数になるように、陽子を陽子または中性子の質量と定義するのはどうでしょうか?

化学者は核粒子には興味がないからです。 彼らは通常、物質(分子)を測定します。

物理学者は、通常、他の質量単位を使用する:$ m_e $ =電子質量、$ m_P $ =プランク質量など。

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