Дальтон или единая атомная единица массы (обозначения: Da или u ) — это единица массы, не входящая в систему СИ , определяемая как1/12массы несвязанного нейтрального атома углерода-12 в его основном ядерном и электронном состоянии и в покое . [1] [2] Постоянная атомной массы , обозначаемая m u , определяется тождественно, что дает m u =1/12 м ( 12 Кл) = 1 Да . [3]
Эта единица обычно используется в физике и химии для выражения массы объектов атомного масштаба, таких как атомы , молекулы и элементарные частицы , как для дискретных случаев, так и для нескольких типов средних значений по ансамблю. Например, атом гелия-4 имеет массу4,0026 Да . Это внутреннее свойство изотопа, и все атомы гелия-4 имеют одинаковую массу. Ацетилсалициловая кислота ( аспирин ), С
9ЧАС
8О
4, имеет среднюю массу около180,157 Да . Однако молекул ацетилсалициловой кислоты с такой массой нет. Две наиболее распространенные массы отдельных молекул ацетилсалициловой кислоты:180,0423 Да , имеющий наиболее распространенные изотопы, и181,0456 Да , в котором один углерод — углерод-13.
Молекулярные массы белков , нуклеиновых кислот и других крупных полимеров часто выражаются в единицах кило- дальтон (кДа) и мега- дальтон (МДа) . [4] Титин , один из крупнейших известных белков, имеет молекулярную массу от 3 до 3,7 мегадальтон. [5] ДНК хромосомы 1 в геноме человека имеет около 249 миллионов пар оснований , каждая из которых имеет среднюю массу около 650 Да илиВсего 156 ГДа . [6]
Моль — это единица количества вещества , широко используемая в химии и физике, которая первоначально была определена таким образом, что масса одного моля вещества в граммах была численно равна средней массе одной из составляющих его частиц . в дальтонах. То есть молярная масса химического соединения должна была быть численно равна его средней молекулярной массе. Например, средняя масса одной молекулы воды составляет около 18,0153 дальтон, а один моль воды — около 18,0153 грамма. Белок, молекула которого имеет среднюю массу64 кДа будет иметь молярную массу64 кг/моль . Однако, хотя это равенство можно предположить практически для всех практических целей, теперь оно является лишь приблизительным из-за нового определения крота в 2019 году . [4] [1]
В общем, масса атома в дальтонах численно близка, но не совсем равна числу нуклонов в его ядре . Отсюда следует, что молярная масса соединения (граммы на моль) численно близка к среднему числу нуклонов, содержащихся в каждой молекуле. По определению масса атома углерода-12 равна 12 дальтон, что соответствует количеству имеющихся в нем нуклонов (6 протонов и 6 нейтронов ). Однако на массу объекта атомного масштаба влияет энергия связи нуклонов в его атомных ядрах, а также масса и энергия связи его электронов . Следовательно, это равенство справедливо только для атома углерода-12 в указанных условиях, а для других веществ будет варьироваться. Например, масса несвязанного атома обычного изотопа водорода ( водород-1 , протий) равна1,007 825 032 241 (94) Да , [а] масса протона равна1,007 276 466 621 (53) Да , [7] масса свободного нейтрона равна1,008 664 915 95 (49) Да , [8] а масса атома водорода-2 (дейтерия) равна2,014 101 778 114 (122) Да . [9] В целом разница (абсолютный избыток массы ) составляет менее 0,1%; исключения включают водород-1 (около 0,8%), гелий-3 (0,5%), литий-6 (0,25%) и бериллий (0,14%).
Дальтон отличается от единицы массы в атомных системах единиц , которой является масса покоя электрона ( м е ).
Постоянная атомной массы также может быть выражена как ее энергетический эквивалент m u c 2 . Рекомендуемые значения CODATA 2018:
Массовый эквивалент мегаэлектронвольта (МэВ/ c 2 ) обычно используется в качестве единицы массы в физике элементарных частиц , и эти значения также важны для практического определения относительных атомных масс.
Интерпретация закона определенных пропорций в рамках атомной теории материи предполагала, что массы атомов различных элементов имеют определенные соотношения, зависящие от элементов. Хотя действительные массы были неизвестны, относительные массы можно было вывести из этого закона. В 1803 году Джон Дальтон предложил использовать (еще неизвестную) атомную массу самого легкого атома, водорода, в качестве естественной единицы атомной массы. Это было основой шкалы атомного веса . [12]
По техническим причинам в 1898 году химик Вильгельм Оствальд и другие предложили переопределить единицу атомной массы как1/16масса атома кислорода. [13] Это предложение было официально принято Международным комитетом по атомным весам (ICAW) в 1903 году. Это была примерно масса одного атома водорода, но кислород более поддавался экспериментальному определению. Это предположение было сделано до открытия изотопов в 1912 году. [12] Физик Жан Перрен принял такое же определение в 1909 году во время своих экспериментов по определению атомных масс и постоянной Авогадро . [14] Это определение оставалось неизменным до 1961 года. [15] [16] Перрен также определял «моль» как количество соединения, которое содержало столько же молекул, сколько 32 грамма кислорода ( O
2). Он назвал это число числом Авогадро в честь физика Амедео Авогадро .
Открытие изотопов кислорода в 1929 году потребовало более точного определения этой единицы. В употребление вошли два различных определения. Химики предпочитают определять AMU как1/16средней массы атома кислорода, встречающейся в природе; то есть среднее значение масс известных изотопов, взвешенное по их естественному содержанию. Физики же определили его как1/16массы атома изотопа кислорода-16 ( 16 О). [13]
Существование двух отдельных единиц с одинаковым названием сбивало с толку, а разница (около1.000 282 в относительном выражении) было достаточно большим, чтобы повлиять на высокоточные измерения. Более того, было обнаружено, что изотопы кислорода имеют разное естественное содержание в воде и воздухе. По этим и другим причинам в 1961 году Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC), поглотивший ICAW, принял новое определение единицы атомной массы для использования как в физике, так и в химии; а именно,1/12массы атома углерода-12. Это новое значение было промежуточным между двумя предыдущими определениями, но ближе к тому, которое использовали химики (на которых изменение повлияет больше всего). [12] [13]
Новая единица была названа «единой единицей атомной массы» и получила новый символ «у», чтобы заменить старый «аму», который использовался для единиц на основе кислорода. [17] Однако после 1961 года старый символ «аму» иногда использовался для обозначения новой единицы, особенно в непрофессиональном и подготовительном контексте.
Согласно этому новому определению, стандартный атомный вес углерода составляет около12,011 Да , а у кислорода около15,999 Да . Эти значения, обычно используемые в химии, основаны на средних значениях многих образцов земной коры , ее атмосферы и органических материалов .
Определение единой атомной единицы массы ИЮПАК 1961 года с таким названием и символом «u» было принято Международным бюро мер и весов (BIPM) в 1971 году как единица, не входящая в систему СИ, принятая для использования с СИ . [18]
В 1993 году ИЮПАК предложил более короткое название «дальтон» (с символом «Да») для единой атомной единицы массы. [19] [20] Как и другие названия единиц измерения, такие как ватт и ньютон, «дальтон» не пишется с заглавной буквы в английском языке, но его символ «Да» пишется с заглавной буквы. Название было одобрено Международным союзом теоретической и прикладной физики (IUPAP) в 2005 году. [21]
В 2003 году это название было рекомендовано BIPM Консультативным комитетом по единицам измерения , входящим в состав CIPM , поскольку оно «короче и лучше работает с префиксами [SI]». [22] В 2006 году BIPM включил дальтон в свое 8-е издание брошюры формальных определений СИ как единицу, не входящую в систему СИ, принятую для использования с СИ . [23] Это название также было включено в список альтернативы «единой атомной единице массы» Международной организацией по стандартизации в 2009 году. [24] [25] В настоящее время его рекомендуют несколько научных издателей, [26] и некоторые из них считают, что «атомная единица массы» и «аму» устарели. [27] В 2019 году МБМВ сохранил дальтон в своем 9-м издании брошюры СИ , исключив при этом единую атомную единицу массы из своей таблицы единиц, не входящих в систему СИ, принятых для использования с СИ , но во вторую очередь отмечает, что дальтон (Да ) и единая атомная единица массы (u) являются альтернативными названиями (и символами) одной и той же единицы. [1]
На определение дальтона не повлияло переопределение основных единиц СИ в 2019 году , [28] [29] [1] , то есть 1 Да в системе СИ по-прежнему1/12массы атома углерода-12, величины, которую необходимо определить экспериментально в единицах СИ. Однако определение моля было изменено на количество вещества, состоящего ровно из6,022 140 76 × 10 23 единиц, а также было изменено определение килограмма. Как следствие, константа молярной массы остается близкой, но уже не точно равной 1 г/моль, а это означает, что масса в граммах одного моля любого вещества остается почти, но уже не точно, численно равной его средней молекулярной массе в дальтонах [30]. ] хотя относительная стандартная неопределенность4,5 × 10–10 на момент переопределения несущественна для всех практических целей . [1]
Хотя относительные атомные массы определены для нейтральных атомов, они измеряются (методом масс-спектрометрии ) для ионов: следовательно, измеренные значения должны быть скорректированы на массу электронов, которые были удалены для образования ионов, а также на массовый эквивалент энергия связи электрона , E b / m u c 2 . Полная энергия связи шести электронов в атоме углерода-12 равна1 030 .1089 эВ =1,650 4163 × 10 −16 Дж : E b / m u c 2 =1,105 8674 × 10 −6 , или примерно одна часть на 10 миллионов массы атома. [31]
До переопределения единиц СИ в 2019 году эксперименты были направлены на определение значения константы Авогадро для определения значения единой атомной единицы массы.
Достаточно точное значение единицы атомной массы было впервые получено косвенным путем Йозефом Лошмидтом в 1865 году путем оценки количества частиц в данном объеме газа. [32]
Перрен оценил число Авогадро различными методами на рубеже 20-го века. Он был удостоен Нобелевской премии по физике 1926 года , главным образом за эту работу. [33]
Электрический заряд, приходящийся на моль элементарных зарядов, представляет собой константу, называемую постоянной Фарадея F , значение которой было практически известно с 1834 года, когда Майкл Фарадей опубликовал свои работы по электролизу . В 1910 году Роберт Милликен впервые измерил заряд электрона — e . Фактор F / e дал оценку постоянной Авогадро. [34]
Классический эксперимент Бауэра и Дэвиса из НИСТ [ 35 ] основан на растворении металлического серебра вдали от анода электролизера при пропускании постоянного электрического тока I в течение известного времени t . Если m — масса серебра, потерянная с анода, а Ar — атомный вес серебра, то константа Фарадея определяется выражением:
Ученые НИСТ разработали метод компенсации потери серебра с анода по механическим причинам и провели изотопный анализ серебра, используемый для определения его атомного веса. Их значение для условной постоянной Фарадея составило F 90 =96 485,39 (13) Кл/моль , что соответствует значению константы Авогадро6,022 1449 (78) × 10 23 моль -1 : оба значения имеют относительную стандартную неопределенность1,3 × 10 -6 .
На практике константа атомной массы определяется из массы покоя электрона m e и относительной атомной массы электрона A r (e) (т. е. массы электрона, разделенной на атомную константу массы). [36] Относительная атомная масса электрона может быть измерена в циклотронных экспериментах, тогда как масса покоя электрона может быть получена из других физических констант.
где c — скорость света , h — постоянная Планка , α — постоянная тонкой структуры , а R ∞ — постоянная Ридберга .
Как видно из старых значений (CODATA 2014 г.) в таблице ниже, основным ограничивающим фактором точности постоянной Авогадро была неопределенность значения постоянной Планка , поскольку все другие константы, которые участвовали в расчете, были известно точнее.
Силу определенных в настоящее время значений универсальных констант можно понять из таблицы ниже (2018 CODATA).
Монокристаллы кремния сегодня можно производить на промышленных предприятиях с чрезвычайно высокой чистотой и небольшим количеством дефектов решетки. Этот метод определял постоянную Авогадро как отношение молярного объема V m к атомному объему V атома :
Элементарная ячейка кремния имеет кубическую упаковку из 8 атомов, и объем элементарной ячейки можно измерить, определив единственный параметр элементарной ячейки - длину a одной из сторон куба. [38] Значение CODATA a для кремния в 2018 году составляет5,431 020 511 ( 89 ) × 10-10 м . [39]
На практике измерения проводятся на расстоянии, известном как d 220 (Si), которое представляет собой расстояние между плоскостями, обозначаемое индексами Миллера {220}, и равно a / √ 8 .
Изотопный пропорциональный состав используемой пробы должен быть измерен и учтен. Кремний встречается в трех стабильных изотопах ( 28 Si, 29 Si, 30 Si), и естественное изменение их пропорций больше, чем другие неопределенности в измерениях. Атомный вес Ar для кристалла образца можно рассчитать, поскольку стандартные атомные веса трех нуклидов известны с большой точностью. Это вместе с измеренной плотностью ρ образца позволяет определить молярный объем V м :
