Дальтон или унифицированная атомная единица массы (символы: Da или u ) — это единица массы, определяемая как 1/12 массы несвязанного нейтрального атома углерода-12 в его ядерном и электронном основном состоянии и в состоянии покоя . [1] [2] Это внесистемная единица, принятая для использования с СИ . Атомная массовая константа , обозначаемая m u , определяется идентично, давая m u = 1/12 m ( 12 C) = 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 множественных типов ансамблевых средних. Например, атом гелия-4 имеет массу4,0026 Да . Это внутреннее свойство изотопа, и все атомы гелия-4 имеют одинаковую массу. Ацетилсалициловая кислота ( аспирин ), C
9ЧАС
8О
4, имеет среднюю массу около180,157 Да . Однако молекул ацетилсалициловой кислоты с такой массой не существует. Две наиболее распространенные массы отдельных молекул ацетилсалициловой кислоты:180,0423 Да , имеющий наиболее распространенные изотопы, и181,0456 Да , в котором один углерод — это углерод-13.
Молекулярные массы белков , нуклеиновых кислот и других крупных полимеров часто выражаются единицами килодальтон (кДа) и мегадальтон (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 со средней массой около 650 Да , илиВсего 156 ГДа . [6]
Моль — единица измерения количества вещества, используемая в химии и физике, которая определяет массу одного моля вещества в граммах как численно равную средней массе одной из его частиц в дальтонах. То есть молярная масса химического соединения должна быть численно равна его средней молекулярной массе. Например, средняя масса одной молекулы воды составляет около 18,0153 дальтонов, а один моль воды составляет около 18,0153 грамма. Белок, молекула которого имеет среднюю массу64 кДа будет иметь молярную массу64 кг/моль . Однако, хотя это равенство можно принять для практических целей, оно является лишь приблизительным из-за переопределения моля в 2019 году . [4] [1]
В общем случае масса атома в дальтонах численно близка, но не равна числу нуклонов в его ядре . Из этого следует, что молярная масса соединения (граммы на моль) численно близка к среднему числу нуклонов, содержащихся в каждой молекуле. По определению масса атома углерода-12 составляет 12 дальтон, что соответствует числу нуклонов, которые он имеет (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 . Поэтому это равенство справедливо только для атома углерода-12 в указанных условиях и будет варьироваться для других веществ. Например, масса несвязанного атома обычного изотопа водорода ( водород-1 , протий) равна1,007 825 032 241 (94) Да , [а] масса протона равна1,007 276 466 5789 (83) Да , [7] масса свободного нейтрона равна1,008 664 916 06 (40) 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 системе атомных единиц , которой является масса покоя электрона ( m e ).
Атомная массовая константа может быть также выражена как ее энергетический эквивалент , m u c 2 . Рекомендуемые значения CODATA:
Массовый эквивалент обычно используется вместо единицы массы в физике элементарных частиц , и эти значения также важны для практического определения относительных атомных масс.
Интерпретация закона определенных пропорций в терминах атомной теории материи подразумевала, что массы атомов различных элементов имели определенные соотношения, которые зависели от элементов. В то время как фактические массы были неизвестны, относительные массы могли быть выведены из этого закона. В 1803 году Джон Дальтон предложил использовать (все еще неизвестную) атомную массу самого легкого атома, водорода, в качестве естественной единицы атомной массы. Это было основой атомной шкалы веса . [12]
По техническим причинам в 1898 году химик Вильгельм Оствальд и другие предложили переопределить единицу атомной массы как 1/16 масса атома кислорода. [13] Это предложение было официально принято Международным комитетом по атомным весам (ICAW) в 1903 году. Это было приблизительно равно массе одного атома водорода, но кислород был более податлив экспериментальному определению. Это предложение было сделано до открытия изотопов в 1912 году. [12] Физик Жан Перрен принял то же самое 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 определил «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 единицы. В употребление вошли два различных определения. Химики решили определить АМУ как 1/16 средней массы атома кислорода, как он найден в природе; то есть, среднее значение масс известных изотопов, взвешенное по их естественному распространению. Физики, с другой стороны, определили его как 1/16 массы атома изотопа кислорода-16 ( 16 O). [13]
Существование двух отдельных подразделений 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 имели различное естественное содержание в воде и в воздухе. По этим и другим причинам в 1961 году Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК), который поглотил ICAW, принял новое определение атомной единицы массы для использования как в физике, так и в химии; а именно, 1/12 массы атома углерода-12. Это новое значение было промежуточным между двумя более ранними определениями, но ближе к тому, которое использовали химики (на которых это изменение повлияло бы больше всего). [12] [13]
Новая единица была названа «единой атомной единицей массы» и получила новый символ «u», чтобы заменить старый «amu», который использовался для кислородной единицы. [17] Однако старый символ «amu» иногда использовался после 1961 года для обозначения новой единицы, особенно в непрофессиональной и подготовительной среде.
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 ИЮПАК 1961 года единой атомной единицы массы с этим названием и символом «u» было принято Международным бюро мер и весов (МБМВ) в 1971 году в качестве внесистемной единицы, принятой для использования вместе 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, такие как ватт и ньютон, «дальтон» в английском языке пишется не заглавной буквой, но его символ «Да» пишется с заглавной буквы. Название было одобрено Международным союзом чистой и прикладной физики (ИЮПАП) в 2005 году. [21]
В 2003 году название было рекомендовано BIPM Консультативным комитетом по единицам , частью CIPM , поскольку оно «короче и лучше работает с префиксами [SI]». [22] В 2006 году BIPM включило дальтон в свою 8-ю редакцию брошюры SI формальных определений как единицу, не входящую в систему SI, принятую для использования с SI . [23] Название также было указано в качестве альтернативы «унифицированной атомной единице массы» Международной организацией по стандартизации в 2009 году. [24] [25] В настоящее время оно рекомендуется несколькими научными издательствами, [26] и некоторые из них считают «атомную единицу массы» и «а.е.м.» устаревшими. [27] В 2019 году BIPM сохранило дальтон в своей 9-й редакции 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 отметило, что дальтон (Да) и единая атомная единица массы (u) являются альтернативными названиями (и символами) для одной и той же единицы. [1]
Определение дальтона не было затронуто пересмотром СИ 2019 года , [28] [29] [1], то есть 1 Да в СИ по-прежнему 1/12 массы атома углерода-12, величина, которая должна быть определена экспериментально в единицах СИ. Однако определение моля было изменено, чтобы быть количеством вещества, состоящего из точно6,022 140 76 × 10 23 сущностей, а также было изменено определение килограмма. В результате константа молярной массы остается близкой, но больше не точно равной 1 г/моль, что означает, что масса в граммах одного моля любого вещества остается почти, но больше не точно численно равной его средней молекулярной массе в дальтонах, [30] хотя относительная стандартная неопределенность4,5 × 10−10 на момент переопределения не имеет значения для всех практических целей. [ 1]
Хотя относительные атомные массы определены для нейтральных атомов, они измеряются (с помощью масс-спектрометрии ) для ионов: следовательно, измеренные значения должны быть скорректированы с учетом массы электронов, которые были удалены для образования ионов, а также с учетом эквивалента массы энергии связи электрона , Eb / muc2 . Общая энергия связи шести электронов в атоме углерода-12 равна1 030 .1089 эВ =1,650 4163 × 10−16 Дж : Eb / muc 2 =1,105 8674 × 10 −6 , или около одной части на 10 миллионов массы атома. [31]
До пересмотра СИ в 2019 году эксперименты были направлены на определение значения постоянной Авогадро для нахождения значения единой атомной единицы массы.
Достаточно точное значение атомной единицы массы впервые было получено косвенным путем Йозефом Лошмидтом в 1865 году путем оценки числа частиц в заданном объеме газа. [32]
Перрен оценил число Авогадро различными методами на рубеже 20-го века. Он был удостоен Нобелевской премии по физике 1926 года , в основном за эту работу. [33]
Электрический заряд на моль элементарных зарядов — это константа, называемая постоянной Фарадея , F , значение которой было известно с 1834 года, когда Майкл Фарадей опубликовал свои работы по электролизу . В 1910 году Роберт Милликен получил первое измерение заряда электрона, − e . Частное F / e дало оценку постоянной Авогадро. [34]
Классический эксперимент — эксперимент Боуэра и Дэвиса в NIST [ 35] , основанный на растворении серебряного металла вдали от анода электролизной ячейки при пропускании постоянного электрического тока I в течение известного времени t . Если m — масса серебра, потерянная с анода, а Ar — атомный вес серебра, то постоянная Фарадея определяется по формуле:
Ученые NIST разработали метод компенсации потерь серебра из анода по механическим причинам и провели изотопный анализ серебра, использованного для определения его атомного веса. Их значение для обычной постоянной Фарадея было F 90 =96 485 .39(13) Кл/моль , что соответствует значению постоянной Авогадро6,022 1449 (78) × 10 23 моль −1 : оба значения имеют относительную стандартную неопределенность1,3 × 10−6 .
На практике атомная массовая константа определяется из массы покоя электрона m e и относительной атомной массы электрона A r (e) (то есть массы электрона, деленной на атомную массовую константу). [36] Относительную атомную массу электрона можно измерить в циклотронных экспериментах, в то время как массу покоя электрона можно вывести из других физических констант.
где c — скорость света , h — постоянная Планка , α — постоянная тонкой структуры , а R∞ — постоянная Ридберга .
Как можно заметить из старых значений (2014 CODATA) в таблице ниже, основным ограничивающим фактором точности постоянной Авогадро была неопределенность значения постоянной Планка , поскольку все остальные константы, участвующие в расчетах, были известны более точно.
Эффективность определения значений универсальных констант в том виде, в котором они существуют в настоящее время, можно оценить из приведенной ниже таблицы (CODATA 2018).
Сегодня монокристаллы кремния можно производить на коммерческих предприятиях с чрезвычайно высокой чистотой и небольшим количеством дефектов решетки. Этот метод определил постоянную Авогадро как отношение молярного объема , V m , к атомному объему V atom : где V atom = V- ячейка/н и n — число атомов в элементарной ячейке объема V cell .
Элементарная ячейка кремния имеет кубическую упаковку из 8 атомов, а объем элементарной ячейки может быть измерен путем определения одного параметра элементарной ячейки, длины a одной из сторон куба. [38] Значение CODATA для a для кремния равно5,431 020 511 (89) × 10 −10 м . [39]
На практике измерения проводятся на расстоянии, известном как d 220 (Si), которое представляет собой расстояние между плоскостями, обозначенными индексами Миллера {220}, и равно a / √ 8 .
Изотопный пропорциональный состав используемого образца должен быть измерен и принят во внимание. 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 может быть рассчитан, поскольку стандартные атомные веса трех нуклидов известны с большой точностью. Это, вместе с измеренной плотностью ρ образца, позволяет определить молярный объем V m : где M u - константа молярной массы. Значение CODATA для молярного объема кремния равно 1,205 883 199 (60) × 10−5 м 3 ⋅моль −1 , с относительной стандартной неопределенностью4,9 × 10−8 . [ 40 ]
