Atom ağırlığı

Atom ağırlığı (sembol: A) ya da bağıl atom kütlesi, belirli bir örnekteki bir elementin atomlarının ortalama kütlesinin atomik kütle sabitine oranı olarak tanımlanan boyutsuz bir fiziksel niceliktir. Atomik kütle sabiti (sembol: m), bir karbon-12 atomunun kütlesinin 'si olarak tanımlanır. Orandaki her iki miktar da kütle olduğundan, ortaya çıkan değer boyutsuzdur; dolayısıyla değerin göreceli (bağıl) olduğu ifade edilir.

Verilen tek bir örnek için, belirli bir elementin bağıl atom kütlesi, örnekte bulunan her bir atomun (izotopları dahil) kütlelerinin ağırlıklı aritmetik ortalamasıdır. Bu miktar, örnekler arasında önemli ölçüde değişkenlik gösterebilir çünkü örneğin kaynağı (ve dolayısıyla radyoaktif geçmişi veya difüzyon geçmişi) benzersiz izotopik bolluk kombinasyonları üretmiş olabilir. Örneğin, kararlı karbon-12 ve karbon-13 izotoplarının farklı bir karışımı nedeniyle, volkanik metandan elde edilen bir karbon elementi örneği, bitki veya hayvan dokularından toplanan karbon elementinden farklı bir nispi atomik kütleye sahip olacaktır.

Standart atom ağırlığı (A) olarak bilinen daha yaygın ve daha spesifik miktar, birçok farklı örnekten elde edilen bağıl atomik kütle değerlerinin bir uygulamasıdır. Bazen, tüm karasal kaynaklardan belirli bir elementin atomları için göreceli atomik kütle değerlerinin beklenen aralığı olarak yorumlanır ve çeşitli kaynaklar Dünya'dan alınır. "Atom ağırlığı" genellikle esnek ve yanlış bir şekilde standart atom ağırlığının eş anlamlısı olarak kullanılır (yanlıştır, çünkü standart atomik ağırlıklar tek bir örnekten oluşmaz). Standart atom ağırlığı yine de en çok yayınlanan bağıl atomik kütle çeşididir.

Buna ek olarak, "atom ağırlığı" teriminin (herhangi bir element için) "bağıl atom kütlesi" yerine sürekli kullanımı, en azından 1960'lardan beri, esas olarak fizikteki ağırlık ve kütle arasındaki teknik farklılık nedeniyle, önemli tartışmalara yol açtı. Yine de, her iki terim de IUPAC tarafından resmi olarak onaylanmıştır. "Bağıl atom kütlesi" terimi, "standart atom ağırlığı" terimi (daha doğrusu "standart bağıl atom kütlesinin" aksine) kullanılmaya devam etmesine rağmen, artık tercih edilen terim olarak "atom ağırlığı"nın yerini alıyor gibi görünmektedir.

Bağıl atom kütlesi, ortalama atom kütlesi veya belirli bir örnekte bulunan belirli bir kimyasal elementin tüm atomlarının atomik kütlelerinin ağırlıklı ortalaması ile belirlenir ve daha sonra karbon-12'nin atomik kütlesi ile karşılaştırılır. Bu karşılaştırma, değeri boyutsuz hale getiren (birim eklenmemiş) iki ağırlığın bölümüdür. Bu bölüm aynı zamanda bağıl kelimesini de açıklar: örnek kütle değeri karbon-12'ye göre kabul edilir.

Bağıl izotopik kütle ile karıştırılmamasına rağmen, atom ağırlığı ile eş anlamlıdır. Bağıl atom kütlesi de sıklıkla standart atom ağırlığının eş anlamlısı olarak kullanılır ve kullanılan bağıl atom kütlesi, bu miktarlar, belirli koşullar altında Dünya'dan gelen bir element için kullanılan göreceli atomik kütle ise, örtüşen değerlere sahip olabilir. Bununla birlikte, bağıl atomik kütle (atom ağırlığı), yalnızca tek bir örnekten elde edilen atomlara uygulanması nedeniyle hala teknik olarak standart atom ağırlığından farklıdır; aynı zamanda karasal örneklerle sınırlı değildir, oysa standart atom ağırlığı birden fazla örneğin ortalamasını alır, ancak yalnızca karasal kaynaklardan alınır. Dolayısıyla bağıl atom kütlesi, Dünya ortalamasından önemli ölçüde farklı olabilen veya farklı kesinlik derecelerini yansıtan (örneğin önemli rakamların sayısı) karasal olmayan ortamlardan veya oldukça spesifik karasal ortamlardan alınan örnekleri daha geniş bir şekilde ifade edebilen daha genel bir terimdir.

Belirli bir kaynaktan bir elementin atom ağırlığı (bağıl atom kütlesi), elementin atom başına ortalama kütlesinin C'lik bir atomun kütlesinin 1/12'sine oranıdır.

Tanım, bir elementin kaynağa bağlı olarak farklı bağıl atom kütlelerine sahip olacağından, kasıtlı olarak "Bir atom ağırlığı..." şeklinde ifade edilmiştir. Örneğin, Türkiye'de elde edilen bor farklı izotopik bileşimi nedeniyle Kaliforniya'da elde edilen gelen bor kütlesinden daha düşük bir bağıl atom kütlesine sahiptir. Bununla birlikte, izotop analizinin maliyeti ve zorluğu göz önüne alındığında, bunun yerine, kimyasal laboratuvarlarda yaygın bir şekilde bulunan ve IUPAC'ın İzotopik Çokluklar ve Atom Ağırlıkları Komisyonu (CIAAW) tarafından iki yılda bir revize edilen standart atom ağırlıklarının tablolanmış değerlerinin yerine kullanılması yaygın bir uygulamadır.

Atomik kütle birimine (sembol: a.m.u veya amu) dayalı eski (1961 öncesi) tarihsel bağıl ölçekler, referans için oksijen-16 bağıl izotop kütlesini veya oksijen göreli atom kütlesini (yani atom ağırlığını) kullandı.

IUPAC komisyonu CIAAW, Dünya üzerindeki göreli atomik kütle (veya atom ağırlığı) için standart atom ağırlığı olarak adlandırılan bir beklenti aralığı değeri belirlemiştir. Standart atom ağırlığı, kaynakların radyoaktivite açısından karasal, doğal ve kararlı olmasını gerektirir. Ayrıca araştırma süreci için gereklilikler vardır. 84 kararlı element için CIAAW bu standart atom ağırlığını belirlemiştir. Bu değerler geniş çapta yayınlanır ve genel olarak farmasötik ve ticari amaçlar için gerçek hayatta kullanılan maddeler için elementlerin atom ağırlığı olarak adlandırılır.

Atom kütlesi (ma), Da veya u (dalton) birimi ile ifade edilir ve tek bir atomun kütlesidir. Bağıl atom kütlesinin belirlenmesi için bir girdi değeri olan belirli bir izotopun kütlesini tanımlar. Üç silisyum izotopu için bir örnek aşağıda verilmiştir.

Bağıl izotopik kütle, özellikle tek bir atomun kütlesinin birleşik bir atomik kütle biriminin kütlesine oranıdır. Bu değer de görecelidir ve bu nedenle boyutsuzdur.

Modern bağıl atomik kütleler (belirli bir element örneğine özgü bir terim) ölçülen atomik kütle değerlerinden (her nüklit için) ve bir örneğin izotopik bileşiminden hesaplanır. Neredeyse tüm radyoaktif olmayan nüklitler için son derece hassas atomik kütleler mevcuttur, ancak izotopik bileşimlerin yüksek hassasiyette ölçülmesi daha zordur ve daha çok örnekler arasında varyasyona tabidir. Bu nedenle, 22 mononüklidik elementin nispi atomik kütlelerinin (bu elementlerin doğal olarak oluşan tekli çekirdeklerin her biri için izotopik kütlelerle aynıdır) özellikle yüksek doğrulukta olduğu bilinmektedir. Örneğin, bağıl atomik flor kütlesi için 38 milyonda bir belirsizlik vardır, bu kesinlik Avogadro sabiti için mevcut en iyi değerden (20 milyonda bir) daha büyüktür.

Hesaplama, bağıl atomik kütlesi metrolojide özellikle önemli olan silisyum için örneklenmiştir. Silisyum, doğada üç izotopun bir karışımı olarak bulunur: Si, Si ve Si. Bu çekirdeklerin atomik kütleleri, Si için 14 milyarda bir kısım ve diğerleri için bir milyarda yaklaşık bir kısım kesin olarak bilinir. Bununla birlikte, izotoplar için doğal bolluk aralığı, standart bolluğun yalnızca yaklaşık %0,001 olarak verilebileceği şekildedir (tabloya bakınız).

Belirsizliğin tahmini karmaşıktır, özellikle örnek dağılımı mutlaka simetrik olmadığından: IUPAC standart bağıl atom kütleleri tahmini simetrik belirsizliklerle kote edilmiştir ve silisyumun değeri 28.0855'tir(3). Bu değerdeki bağıl standart belirsizlik 1 veya 10 ppm'dir.

Bu ölçüm belirsizliğinin dışında, bazı unsurların kaynaklar üzerinde farklılıkları vardır. Yani, farklı kaynaklar (okyanus suyu, kayalar) farklı bir radyoaktif geçmişe ve çok farklı izotopik bileşime sahiptir. Bu doğal değişkenliği yansıtmak için IUPAC, 2010 yılında 10 elementin standart bağıl atom kütlelerini sabit bir sayı yerine bir aralık olarak listeleme kararını verdi.