Чому для одиниці атомної маси вибрано вуглець-12?

Dieblitzen 05/13/2017. 3 answers, 13.143 views
conventions units definition history metrology

Атомна одиниця маси визначається як 1/12-ма маса вуглецю-12 атомів. Чи існувала фізична причина такого визначення? Чи намагалися вони включати електрони в блок атомної маси?

Чому б не визначити amu як масу одного протона чи нейтрона так, щоб при ядерних розрахунках принаймні одне з ядерних частинок (поза протонами та нейтронами) було б приємним цілим числом?

3 Answers


David Hammen 05/16/2017.

Чому був вибраний вуглець-12 для блоку атомної маси?

Як і в іншому місці в метрології, відповідь пов'язана з історією, вимірюваністю, практичністю, повторюваністю, колишніми неправильними уявленнями та послідовністю (незважаючи на ці минулі неправильні уявлення).

Історія атомної маси та моль (ці два взаємно зв'язані) сходять до початку 19 століття до Джона Далтона, батька теорії атомів [1]. Об'єднана одиниця атомної маси названа на честь нього. Вчені цієї епохи просто вивчали елементи; періодична таблиця була 60 років у майбутнє Далтона. Спочатку Дальтон запропонував використовувати водень як основу. Проблеми вимірюваності та повторюваності швидко виросли. Так робили помилки. Наприклад, Дальтон вважав, що вода була HO, а не H 2 O [2].

Ці проблеми призвели до того, що хіміки переходять на стандарт кисню на основі кисню, який знаходиться на Землі. (Те, що елементи можуть надходити в декілька ізотопів, на даний момент не було відомо.) Дослідження фізиків на атомному рівні змусили їх розвинути свій власний стандарт у 20-му столітті на основі 16 О, а не натурального поєднання О 16 О, 17 О, і 18 О (атомні маси: 15.994915, 16.999131 та 17.999161, відповідно номінальна суміш 379,9 м.д. на 17 O, 2005,20 ppm для 18 O, а решта 16 O), що використовуються хіміками.

Природна суміш різних ізотопів кисню не є постійною. Це залежить від часу, місця та клімату. Покращені вимірювання та більш широке використання повторюваності стали серйозною проблемою до середини 20 століття. Основна причина - природні коливання двох найпоширеніших ізотопів кисню, 16 О (домінуючий ізотоп) та 18 О (приблизно 2000 частин на мільйон). Технічний звіт IUPAC [4] щодо атомних ваг елементів перераховує атомну вагу природного кисню, коливається від 1599903 до 1599977.

Основною причиною цих природних коливань є переважне випаровування та осадження молекул води на основі різних ізотопів кисню. Вода на основі 16 O випаровується трохи легше, ніж вода на основі 18 O, що робить тропічні океани дещо концентрованими в 18 O порівняно з середнім. На зворотному боці вода на основі 18 О осаджується трохи легше, ніж вода на основі 16 О. Це робить опадів у тропіках трохи вище 18 О концентрацій в порівнянні з номінальною, і це робить опадів на високих широтах трохи нижче 18 О концентрації в порівнянні з номінальною.

Фізики мали рішення: перейти на їх ізотопічно чистий стандарт 16 О. Це означало б неприйнятно велику зміну (275 ppm [3]) в хімічному стандарті на основі кисню. Це вимагало б підручників, довідників та, що найголовніше, рецепти, що використовувались на переробних заводах та інших хімічних заводах, які були переписані. Комерційні витрати були б величезними. Важливо мати на увазі те, що метрологія існує насамперед для підтримки торгівлі. Тому хіміки висловлювалися за тією думкою фізиків.

Стандарт на основі вуглецю являв собою гарний компроміс. Випадково, визначаючи атомну масу як 1/16 маси молі кисню, що включає природну суміш О 16 О, 17 О і 18 О, дуже близька до стандарту, що визначає атомну масу як 1/12 маси моля 12 С [3]. Це становило 42 ppm змін від хіміків стандарт природного кисню в порівнянні з 275 ppm зміни, яка могла б стати результатом зміни до 1/16 від маси моля 16 O [3]. Цей новий стандарт базувався на чистому ізотопі, тим самим зберігаючи фізиків щасливим, і це являло собою прийнятно мале відхід від минулого, тим самим підтримуючи хіміків та комерцію щасливими.


Список літератури:

  1. Britannica.com на John-Dalton / Atomic-theory entry
    Я перекладаю посилання на вікіпедію. Британіка все ще є чесною грою за основними фактами.

  2. Клас 11: як об'єднують атоми
    Широко повідомляється, що помилка Дальтона при прийнятті води була двоатомною. Це одна з багатьох сайтів, які роблять цю претензію помилкою Дальтона.

  3. Холден, Норман Е. "Атомна вага та міжнародний комітет - історичний огляд". Chemistry International 26.1 (2004): 4-7.
    Я знайшов це після того, як Еміліо Пізанті попросив мене знайти деякі посилання. Це говорить про все, що я написав, лише краще, більш детально і з великою кількістю посилань.

  4. Мейя, Юріс та ін. "Атомні ваги елементів 2013 року (Технічний звіт IUPAC)". Pure and Applied Chemistry 88,3 (2016): 265-291.
    Див. Таблицю 1, а також малюнок 6.


Jirka Hanika 05/16/2017.

Маса конкретного ядра не дорівнює сумі масс складових частинок. З цієї точки зору будь-який ізотоп (або суміш ізотопів) буде обраний як стандарт визначення, жоден інший ізотоп (або суміш ізотопів) не перетвориться на приємне ціле число.

Наприклад, якщо вуглець-12 має шість протонів і шість нейтронів, можна очікувати, що водень-2 (дейтерій, один протон + один нейтрон) матиме атомну вагу рівно 2, але фактична величина становить 2,014. Щоб зрозуміти це, розглянемо реакції ядерного синтезу, які в кінцевому підсумку утворюють вуглець-12 із дейтерію. Реакції, що вивільняють енергію та виділену енергію, точно дорівнюють "втраченій" масі (через $ E = mc ^ 2 $). Це не чиста гра підрахунку з протонами та нейтронами.

Електрони не мають особливого відношення до цього. Це скоріше питання сильної взаємодії між нуклонами всередині одного ядра. Сильна взаємодія визначає "рівень комфорту" нуклонів і, отже, потенційну енергію, пов'язану з плавленням або поділом, і тому визначає масу ядра.

З цієї точки зору, ви можете мати один ізотоп з "хорошим" атомним вагою, але будь-який інший призведе до абсолютно "дивних" атомних ваг. З цієї точки зору не дуже важливо, який ізотоп ви використовуєте як стандарт, якщо громади готові прийняти вашу пропозицію.


Vera K 07/02/2017.

У вас вже є два хороших відповіді на ваше запитання, але я все ще хотів би доповнити і відповісти більш конкретно на ваші питання:

Атомна одиниця маси визначається як 1/12-ма маса вуглецю-12 атомів.

Це не правильно. unified одиниця атомної маси u визначається як 1 / 12th маса вуглецю-12 атомів. Атомна маса (ам) визначається як 1/16 маса ізотопу оксигену-16 (фізика) або 1/16 частина (середньої) маси атома оксигену (хіміка).

Чи існувала фізична причина такого визначення?

Ні, але є хімічні причини. Хіміки хочуть, щоб числова вартість "атомної ваги" в одиницях одиниць атомної маси була такою ж, як чисельне значення молярної маси. Наприклад: молекулярна маса (яка є величиною зваженого середнього розміру ізотопних мас атома) становить 12,0107 т, а її молярна маса становить 12,0107 г / моль. Це дозволяє хімікам легко перейти між макросом і мікросвітом.

Чи намагалися вони включати електрони в блок атомної маси?

Так, оскільки хіміки вимірюють масу елементів або речовин, вони практично нейтральні. Подумайте про частину вуглецю, наприклад, алмаз.

Чому б не визначити amu як масу одного протона чи нейтрона так, щоб при ядерних розрахунках принаймні одне з ядерних частинок (поза протонами та нейтронами) було б приємним цілим числом?

Оскільки хіміки не цікавляться ядерними частинками. Вони зазвичай вимірюють речовини (молекули).

Фізики зазвичай використовують інші маси одиниць: $ m_e $ = маса електрона, $ m_P $ = маса Планка і т. Д.

Related questions

Hot questions

Language

Popular Tags