Далтон (единица)

Не путать с атомными единицами .

Далтон (единая атомная единица массы)
Единица	масса
Символ	Да или ты
Назван в честь	Джон Далтон
Конверсии
1 Да или ты в...	... равно...
кг	1.660 539 068 92 (52) × 10 −27
м ты	1
МэВ/ с 2	931.494 103 72 (29)

Дальтон определяемая или единая атомная единица массы (обозначения: Da или u ) — это входящая в систему СИ, единица массы, не как ⁠ 1/12 в ⁠ в массы несвязанного нейтрального атома углерода-12 его основном ядерном и электронном состоянии и состоянии покоя . Постоянная атомной массы , обозначаемая m _u , определяется тождественно, что дает m _u = ⁠ 1 / 12 ⁠ m ( ¹² В) = 1 Да .

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 массу 4,0026 Да . Это внутреннее свойство изотопа, и все атомы гелия-4 имеют одинаковую массу. Ацетилсалициловая кислота ( аспирин ), С
₉9Ч
₈ О
₄ , имеет среднюю массу около 180,157 Да . Однако молекул ацетилсалициловой кислоты с такой массой нет. Две наиболее распространенные массы отдельных молекул ацетилсалициловой кислоты составляют 180,0423 Да , имеющие наиболее распространенные изотопы, и 181,0456 Да , в которых один углерод представляет собой углерод-13.

Молекулярные массы белков дальтон , нуклеиновых кислот и других крупных полимеров часто выражаются в единицах кило -дальтон (кДа) и мега- (МДа). Титин , один из крупнейших известных белков, имеет молекулярную массу от 3 до 3,7 мегадальтон. ДНК хромосомы 1 в геноме человека имеет около 249 миллионов пар оснований , каждая со средней массой около 650 Да , или 156 ГДа . всего

Моль — единица количества вещества, используемая в химии и физике, определяющая 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 дальтон, а один моль воды — около 18,0153 грамма. Белок, молекула которого имеет среднюю массу 64 кДа, будет иметь молярную массу 64 кг/моль . Однако, хотя это равенство и можно предположить для практических целей, оно является лишь приблизительным из-за нового определения крота в 2019 году .

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 водорода изотопа ( водород-1 , протий) равна 1,007 825 032 241 (94) Да , масса протона 1,007 276 466 5789 (83) Да , масса свободного нейтрона 1,008 664 916 06 (40) Да , а масса атома водорода-2 (дейтерия) равна 2,014 101 778 114 (122) Да . 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 ).

Энергетические эквиваленты

Постоянная атомной массы также может быть выражена как ее энергетический эквивалент m _u c ² . Рекомендуемые значения CODATA:

м _ты с ²  =  1.492 418 087 68 (46) × 10 ⁻¹⁰  J Дж = 931,494 103 72 (29) МэВ

Массовый эквивалент обычно используется вместо единицы массы в физике элементарных частиц , и эти значения также важны для практического определения относительных атомных масс.

История

Происхождение концепции

Жан Перрен в 1926 году

Интерпретация закона определенных пропорций в терминах 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 .

По техническим причинам в 1898 году химик Вильгельм Оствальд и другие предложили переопределить единицу атомной массы как ⁠ 1/16 ⁠ . кислорода масса атома Это предложение было официально принято Международным комитетом по атомным весам (ICAW) в 1903 году. Это примерно равна массе одного атома водорода, но кислород более поддается экспериментальному определению. Это предположение было сделано до открытия изотопов в 1912 году. Физик Жан Перрен принял то же определение в 1909 году во время своих экспериментов по определению атомных масс и постоянной Авогадро . Это определение оставалось неизменным до 1961 года. Перрен также определил «моль» как количество соединения, которое содержит столько же молекул, сколько 32 грамма кислорода ( O
₂ ). Он назвал это число числом Авогадро в честь физика Амедео Авогадро .

Изотопная вариация

Открытие изотопов кислорода в 1929 году потребовало более точного определения этой единицы. В употребление вошли два различных определения. Химики предпочитают определять AMU как ⁠ 1/16 природе ⁠ ; средней массы атома кислорода, встречающегося в то есть среднее значение масс известных изотопов, взвешенное по их естественному содержанию. Физики же определили его как ⁠ 1/16 ⁠ ( 16 массы атома изотопа кислорода- ¹⁶ ТЕМ).

Определение ИЮПАК

Существование двух отдельных единиц с одинаковым названием сбивало с толку, а разница (около 1000 282 в относительном выражении) была достаточно велика, 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 атомной единицы массы для использования как в физике, так и в химии; а именно, ⁠ 1/12 ⁠ . 12 массы атома углерода- Это новое значение было промежуточным между двумя предыдущими определениями, но ближе к тому, которое использовали химики (на которых изменение повлияет больше всего).

Новая единица была названа «единой единицей атомной массы» и получила новый символ «у», чтобы заменить старый «аму», который использовался для единиц на основе кислорода. Однако после 1961 года старый символ «аму» иногда использовался для обозначения новой единицы, особенно в непрофессиональном и подготовительном контексте.

новому определению, стандартный атомный вес углерода Согласно этому составляет около 12,011 Да , а кислорода — около 15,999 Да . Эти значения, обычно используемые в химии, основаны на средних значениях многих образцов земной коры , ее атмосферы и органических материалов .

Принятие МБМВ

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 .

Название подразделения

В 1993 году ИЮПАК предложил более короткое название «дальтон» (с символом «Да») для единой атомной единицы массы. Как и в других названиях единиц, таких как ватт и ньютон, «дальтон» в английском языке пишется не с заглавной буквы, а его символ «Да». Название было одобрено Международным союзом теоретической и прикладной физики (IUPAP) в 2005 году.

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]». В 2006 году BIPM включил дальтон в свое 8-е издание СИ брошюры формальных определений как единицу, не входящую в систему СИ, принятую для использования с СИ . в 2009 году в список альтернативы «единой атомной единице массы» Это название также было включено Международной организацией по стандартизации . В настоящее время его рекомендуют несколько научных издателей, и некоторые из них считают «атомную единицу массы» и «аму» устаревшими. В 2019 году МБМВ сохранил дальтон в своем 9-м издании брошюры СИ , исключив при этом единую атомную единицу массы из таблицы единиц, не входящих в СИ, принятых для использования с СИ , но во вторую очередь отмечает, что дальтон (Да) и единая единица атомной массы (u) — это альтернативные названия (и символы) одной и той же единицы.

2019 новое определение базовых единиц СИ

На определение дальтона не повлияло переопределение базовых единиц СИ в 2019 году . то есть 1 Да в СИ по-прежнему ⁠ 1/12 . ⁠ СИ массы атома углерода-12, величина, которую необходимо определить экспериментально в единицах Однако определение моля было изменено на количество вещества, состоящее ровно из 6,022 140 76 × 10 ²³ сущностей и определение килограмма также было изменено. Как следствие, константа молярной массы остается близкой к 1 г/моль, но уже не точно, 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. хотя относительная стандартная неопределенность 4,5 × 10 ⁻¹⁰ на момент переопределения несущественна для всех практических целей.

Измерение

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 равна 1030,1089 эВ = 1,6504163 . × 10 ⁻¹⁶ Дж : Е _б / м _у с ²  = 1.105 8674 × 10 ⁻⁶ , или примерно одна часть на 10 миллионов массы атома.

До переопределения единиц СИ в 2019 году эксперименты были направлены на определение значения константы Авогадро для определения значения единой атомной единицы массы.

Йозеф Лошмидт

Йозеф Лошмидт

Достаточно точное значение единицы атомной массы было впервые получено косвенным путем Йозефом Лошмидтом в 1865 году путем оценки количества частиц в данном объеме газа.

Жан Перрен

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.

Кулонометрия

Основная статья: Кулонометрия

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.

Классический эксперимент — это эксперимент Бауэра и Дэвиса в НИСТ . и 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 как:

$F={\frac {A_{\rm {r}}M_{\rm {u}}It}{m}}.$

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 константы Фарадея составило F ₉₀ = 96 485,39 (13) Кл/моль , что соответствует значению константы Авогадро 6,022 1449 (78) × 10. ²³ моль ⁻¹ : оба значения имеют относительную стандартную неопределенность 1,3 × 10. ⁻⁶ .

Измерение массы электронов

практике константа атомной массы определяется из массы покоя электрона m _e и относительной атомной массы электрона Ar _На (e) (т. е. массы электрона, разделенной на атомную константу массы). Относительная атомная масса электрона может быть измерена в циклотронных экспериментах, тогда как масса покоя электрона может быть получена из других физических констант.

$m_{\rm {u}}={\frac {m_{\rm {e}}}{A_{\rm {r}}({\rm {e}})}}={\frac {2R_{\infty }h}{A_{\rm {r}}({\rm {e}})c\alpha ^{2}}},$

$m_{\rm {u}}={\frac {M_{\rm {u}}}{N_{\rm {A}}}},$

$N_{\rm {A}}={\frac {M_{\rm {u}}A_{\rm {r}}({\rm {e}})}{m_{\rm {e}}}}={\frac {M_{\rm {u}}A_{\rm {r}}({\rm {e}})c\alpha ^{2}}{2R_{\infty }h}},$

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.

Постоянный	Символ	2014 г. CODATA Значения	Родственник стандартный неопределенность	Корреляция коэффициент с Н А
Отношение масс протона и электрона	м п / м е	1 836 .152 673 89 (17)	9.5 × 10 −11	−0.0003
Константа молярной массы	М ты	1 g/mol	0 (определено)	—
постоянная Ридберга	R ∞	10 973 731 , 568 508 (65) м −1	5.9 × 10 −12	−0.0002
Постоянная Планка	час	6.626 070 040 (81) × 10 −34  J⋅s	1.2 × 10 −8	−0.9993
Скорость света	с	299 792 458 м/с	0 (определено)	—
Постоянная тонкой структуры	а	7.297 352 5664 (17) × 10 −3	2.3 × 10 −10	0.0193
постоянная Авогадро	Н. А.	6.022 140 857 (74) × 10 23 моль −1	1.2 × 10 −8	1

Силу определения значений универсальных констант , как это имеет место в настоящее время, можно понять из таблицы ниже (2018 CODATA).

Постоянный	Символ	2018 г. CODATA Значения	Родственник стандартный неопределенность	Корреляция коэффициент с Н А
Отношение масс протона и электрона	м п / м е	1 836 .152 673 43 (11)	6.0 × 10 −11	—
Константа молярной массы	М ты	0.999 999 999 65 (30) g/mol	3.0 × 10 −10	—
постоянная Ридберга	R ∞	10 973 731 , 568 160 (21) м −1	1.9 × 10 −12	—
Постоянная Планка	час	6.626 070 15 × 10 −34  J⋅s	0 (определено)	—
Скорость света	с	299 792 458 м/с	0 (определено)	—
Постоянная тонкой структуры	а	7.297 352 5693 (11) × 10 −3	1.5 × 10 −10	—
постоянная Авогадро	Н. А.	6.022 140 76 × 10 23 моль −1	0 (определено)	—

Рентгеновские методы определения плотности кристаллов

Шаростержневая элементарной ячейки кремния . модель Рентгеновская дифракция измеряет параметр ячейки a , который используется для расчета значения постоянной Авогадро.

Монокристаллы кремния сегодня можно производить на промышленных предприятиях с чрезвычайно высокой чистотой и небольшим количеством дефектов решетки. метод определял постоянную Авогадро как отношение молярного объема m V _Этот к атомному объему V _атома : $$N_{\rm {A}}={\frac {V_{\rm {m}}}{V_{\rm {atom}}}},$$где V _атом = ⁠ V _cell / n ⁠ и n — количество атомов на элементарную ячейку объема V _cell .

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. Значение CODATA a для кремния составляет 5,431 020 511 (89) × 10. ⁻¹⁰ м . ‍

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 И, ²⁹ И, ³⁰ Si), и естественное изменение их пропорций больше, чем другие погрешности измерений. 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 молярный объем V _m определить : $$V_{\rm {m}}={\frac {A_{\rm {r}}M_{\rm {u}}}{\rho }},$$где M _u — константа молярной массы. Значение CODATA для молярного объема кремния составляет 1,205 883 199 (60) × 10. ⁻⁵ м ³ ⋅mol ⁻¹ , с относительной стандартной неопределенностью 4,9 × 10 ⁻⁸ . ‍

См. также

• Масс (масс-спектрометрия)
  • Кендрик Масса
  • Моноизотопная масса
• Соотношение массы к заряду

Внешние ссылки

• «Атомные массы и изотопный состав» . физика.nist.gov . Физические справочные данные. Национальный институт стандартов и технологий . 23 августа 2009 г.
• «Атомная единица массы» . Размеры.com . Архивировано из оригинала 15 января 2008 г.