Atomimassayksikkö

Atomimassayksikkö (tunnus u) eli dalton (tunnus: Da) on massan yksikkö, jota käytetään atomien ja molekyylien massojen ilmoittamiseen. Nykyisen määritelmän mukainen, yhtenäistetty atomimassayksikkö () on määritelty 1/12-osaksi kemiallisesti sitoutumattoman hiili-12-atomin massasta perustilassa, ja SI-yksikköinä se on noin 1,660 539 040 · 10−27 kg. Molempien nukleonien, sekä protonin että neutronin massat, ovat lähellä yhtä atomimassayksikköä. Kansainvälinen mittojen ja painojen komitea (Comité International des Poids et Mesures, CIPM) on luokitellut sen yksiköksi, joka ei kuulu SI-järjestelmään, mutta joka kuitenkin on hyväksytty käytettäväksi SI-yksiköiden ohella ja jonka suuruus SI-yksikköinä on määritettävä kokeellisesti.

Ennen vuotta 1961 atomimassayksikön määritelmä perustui happeen. Tällöin sen lyhenteenä oli amu. Toisinaan lyhennettä ”amu” käytetään uudemmassakin kirjallisuudessa, jossa se kuitenkin määritellään samoin kuin nykyinen, yhtenäistetty atomimassayksikkö u, siis hiili-12:n avulla. Nykyisin atomimassayksiköstä puhuttaessa tarkoitetaankin säännöllisesti yhtenäistettyä yksikköä. Standardointia varten oli määritelmän pohjaksi kuitenkin valittava jokin tietty nuklidi, sillä vaikka kaikkien ytimien massat atomi­massa­yksikköinä ovatkin lähellä kokonaislukuja (ytimen massalukua), ytimen massaylijäämän vuoksi ne kuitenkin poikkeavat kokonais­luvuista jonkin verran, eikä keskimääräinen poikkeama nuklidia kohti ole kaikilla nuklideilla yhtä suuri. Samasta syystä myöskään protonin tai neutronin massa ei ole tasan 1 u, vaan hieman enemmän.

Atomimassayksikkö ei ole sama kuin atomiyksiköiden massayksikkö, joka on määritelty elektronin massaksi (me).

Mooli on määritelty ainemääräksi, joka sisältää 6,022 140 76·1023 atomia, molekyyliä tai muuta hiukkasta. Tätä lukua sanotaan Avogadron luvuksi, ja se on suurella tarkkuudella yhtä suuri kuin atomien lukumäärä 12 grammassa hiili-isotooppia C-12 on atomeja. Näin ollen gramman ja atomimassayksikön suhde on suurella tarkkuudella yhtä suuri kuin Avogadron luku.

Historia
Kemiassa alkuaineiden atomipainot on vanhastaan ilmoitettu suhteessa jonkin valitun alkuaineen atomiin, jolloin mittayksikköä ei niiden yhteydessä mainita. Alun perin ne otti käyttöön John Dalton vuonna 1803. Hän valitsi yksiköksi vetyatomin massan, joka sai arvon 1. Vielä 1900-luvun alussakaan ei atomien massoja tavanomaisina yksikköinä edes tunnettu kuin hyvin karkeina likiarvoina, mutta eri atomien massojen suhteet toisiinsa oli pystytty osittain kemiallisten reaktioiden, mutta myös alkuaineiden ominaislämpöjen ja niitä koskevan Dulongin ja Petit’n lain avulla kemiallisten reaktioiden avulla määrittämään paljon tarkemmin. Vaikka vetyatomi kevyimpänä atomina saattoi tuntua luonnolliselta valinnalta asteikon perustaksi, Wilhelm Ostwald ehdotti myöhemmin käytännöllisistä syistä, että suhteelliset atomimassat olisi ilmoitettava happiatomin avulla, jonka massalle annettaisiin arvo 16.

Happeen pohjautuva asteikko otettiin käyttöön ennen kuin vuonna 1912 havaittiin, että eräillä alkuaineilla on useita isotooppeja, joiden atomeilla on eri suuret massat.. Sen jälkeen kun vuonna 1929 havaittiin, että hapellakin on eri isotooppeja, alettiin eri yhteyksissä käyttää toisistaan poikkeavia suhteellisten atomimassojen järjestelmää. Kemiassa alkuaineen atomipainolla alettiin tarkoittaa sen luonnossa olevan isotooppiseoksen atomien massojen keskiarvoa. Sen mukaisesti käytettiin asteikkoa, jossa hapen näin määritelty atomipaino oli edelleen tasan 16. Sen sijaan fysiikassa käytettiin tästä hieman poikkeavaa asteikkoa, jossa happi-16-atomin (16O) massa oli tasan 16 amu. Koska luonnon happi sisältää jonkin verran myös isotooppeja 17O and 18O, seurasi tästä, että kemiassa käytetty atomimassayksikkö oli noin 1,000282 kertaa niin suuri kuin fysiikassa käytetty.  Tilannetta pidettiin kuitenkin epätyydyttävänä, ja tarkoissa laskuissa, erityisesti atomien massaylijäämää tai ydinreaktioissa vapautuvaa energiaa laskettaessa, se saattoi aiheuttaa sekaannusta.

Näistä ja muista syistä vuonna 1961 vahvistettiin uusi hiili-12-atomiin perustuva standardi, joka koskee sekä fysiikkaa että kemiaa. Hiili-12 valittiin perustaksi, jotta atomimassojen lukuarvot poikkeaisivat kirjallisuudessa siihen saakka esiintyneistä arvoista mahdollisimman vähän. Uusi, nykyisinkin käytetty yksikkö sai nimen ”yhtenäistetty atomimassayksikkö” () ja samalla myös uuden tunnuksen u, joka korvasi aikaisemmin happeen perustuneessa järjestelmässä käytetyn tunnuksen amu.  Myöhemmin yksiköstä on  varsinkin biokemiassa ja molekyylibiologiassa alettu käyttää myös nimeä dalton (Da).

Vaikka termiä ”amu” ei enää suositella käytettäväksi, se esiintyy usein uudemmassakin kirjallisuudessa, jossa sillä kuitenkin tarkoitetaan nykyistä hiili-12-atomin avulla määriteltyä yksikköä. 

Yhtenäistetty atomimassayksikkö määritellään siis seuraavasti:

Termistö
Yhtenäistetty atomimassayksikkö ja dalton ovat saman mittayksikön kaksi eri nimeä. Vaikka dalton johtuu henkilön nimestä (John Dalton), se kirjoitetaan pienellä alkukirjaimella samoin kuin muutkin henkilöiden mukaan nimensä saaneet yksiköt, esimerkiksi newton ja watti, mutta sen tunnus Da kirjoitetaan isolla alkukirjaimella. Sen jälkeen kun nimi dalton otettiin käyttöön, sitä on vähitellen yhä yleisemmin alettu käyttää atomimassayksikön sijasta:
 Vuonna 1993 kansainvälinen puhtaan ja sovelletun kemian unioni (IUPAC) hyväksyi termin dalton, mutta huomautti, ettei nimi ollut vielä saanut yleinen paino- ja mittakonferenssin (CGPM) hyväksyntää.
 Vuonna 2003 CIPM:n yksiköistä neuvotteleva komitea suositteli dalton-nimen käyttämistä ”yhtenäistetyn atomimassayksikön” sijasta, koska se on lyhempi ja etuliitteet on siihen luontevammin yhdistettävissä.
Vuonna 2005 kansainvälinen puhtaan ja sovelletun fysiikan unioni asettui kannattamaan daltonin käyttöä vaihtoehtona yhtenäistetylle atomimassayksikölle.
Vuonna 2006 CIPM julkaisu 8. laitoksen SI-järjestelmän virallisesta määritelmästä. Siinä dalton ja yhtenäistetty atomimassayksikkö luokiteltiin ”SI-järjestelmään kuulumattomiksi yksiköiksi, jotka on hyväksytty käytettäväksi SI-yksiköiden ohella ja joiden arvot SI-yksikköinä on määritettävä kokeellisesti”. Määritelmässä mainittiin myös että daltonin yhteydessä käytetään usein SI-etuliitteitä.
Vuonna 2009 kansainvälinen standardointijärjestö ISO julkaisi päivitetyn version standardista ISO 80000. Sen eri kohdissa annettiin toisistaan poikkeavia suosituksia siitä, olisiko nimi yhtenäistetty atomimassayksikkö poistettava käytöstä. Standardin yleisessä osassa ISO 80000-1:2009 mainitaan, että daltonia on ennen sanottu yhtenäistetyksi atomimassayksiköksi u,, mutta atomi- ja ydinfysiikkaa koskevassa osassa ISO 80000-10:2009 molemmat nimet luetellaan keskenään vaihtoehtoisina.
Oxford University Pressin biologisia tieteitä käsittelevän tyylioppaan vuoden 2010 versiossa suositellaan käyttämään SI-yksiköitä mikäli mahdollista. Dalton (Da) tai mukavammin kilodalton kDa on sen mukaan kuitenkin hyväksytty SI-järjestelmään kuulumaton yksikkö molekyylimassoille. Samaan aikaan ”Rapid Communications in Mass Spectrometry” -julkaisun toimitus totesi: ”Dalton (Da) on molekyylipainoille normaalisti käytetty yksikkö – – Da:n käyttö u:n sijasta on jo vakiintunut massaspektroskopiaa käsittelevässä kirjallisuudessa – – ”Atomimassayksikkö”, lyhennettynä ”amu”, on vanhahtava yksikkö.”
Aikaisemmin mooli määriteltiin ainemääräksi, joka sisältää yhtä monta perusosasta (atomia, molekyyliä, ionia, elektronia tms.) kuin 12 grammassa hiili-isotooppia C-12 on atomeja. Tällöin yksi mooli ainetta oli tarkalleen yhtä suuri kuin kyseisen aineen atomi- tai molekyylipaino atomimassayksikköinä. Kun SI-järjestelmän perusyksiköille kuten kilogrammalle ja moolille suunniteltiin uusia määritelmiä, vuonna 2012 ehdotettiin, että myös dalton määriteltäisiin uudestaan niin, että se olisi 0,001/NA kg, missä Na on Avogadron vakion lukuarvo. Tämä olisi katkaissut yksikön ja hiili-12:n välisen yhteyden, mutta säilyttänyt yhteyden aineen moolimassan ja daltoneina ilmaistun atomi- tai molekyylimassan välillä. Nimi atomimassayksikkö olisi jäänyt hiili-12:n avulla määritellylle yksikölle, jolloin olisi ollut mahdollista, että yhä tarkemmiksi kehittyvät mittaukset osoittaisivat sen poikkeavan suuruudeltaan hieman daltonista. Kuitenkin oletettiin, että olisi vähitellen ”uudella” deltonilla.
 Suomessa dalton vahvistettiin valtioneuvoston asetuksella atomimassayksikön rinnakkaisnimeksi vuonna 2014.

Suhde SI-yksikköihin

CGPM hyväksyi vuonna 1971 moolin yhdeksi SI-järjestelmän perusyksiköistä ja määritteli sen seuraavasti:
 Mooli on sellaisen systeemin ainemäärä, jossa on yhtä monta perusosasta kuin 0,012 kilogrammassa hiiltä on atomeja; sen tunnus on ”mol”.
 Kun moolia käytetään, on ilmoitettava, mitä pidetään perusosasina, ja ne voivat olla atomeja, molekyylejä, ioneja, elektroneja, muita hiukkasia tai sellaisten hiukkasten määriteltyjä ryhmiä.

Moolin määritelmästä seuraa, että mooleina ilmoitetun ainemäärän suhde hiukkasten lukumäärään tietyssä näytteessä on yleinen vakio. Tätä vakiota sanotaan Avogadron vakioksi, sille käytetään symbolia NA tai L, ja sen arvo on 6,022140857(74) · 1023 mol−1.

Koska atomimassayksikkö on kahdestoistaosa hiili-12-atomin massasta, tällaisen atomin massa on tasan 12 u, ja 12 grammassa hiili-12:ta on NA atomia. Suoraan määritelmästä seuraa myös, että gramman ja atomimassayksikön suhde on sama kuin Avogadron vakion lukuarvo, ja jokaisen alkuaineen tai yhdisteen moolimassa grammoina on lukuarvoltaan yhtä suuri kuin sen atomin tai molekyylin massa atomimassayksikköinä.

Daltonin kerrannaisia käytetään varsinkin suurimolekyylisten orgaanisten yhdisteiden molekyylimassoja ilmoitettaessa. Esimerkiksi joidenkin proteiinien moolimassa saattaa olla noin 64 000 g/mol, jolloin molekyylin massa on noin 64 kDa.

Esimerkkejä
 Vety-1-atomin massa on 1,0078250 u (1,0078250 Da).
 Hiili-12-atomin massa on määritelmän mukaan tasan 12 u (12 Da).
 Aspiriinin eli asetyylisalisyylihapon molekyylimassa on 180,16 u (180,16 Da).
 Titiini on suurimolekyylisin tunnettu proteiini. Sen molekyylimassa on noin 3–3,7 megadaltonia (3 000 000 Da).

Lähteet

Aiheesta muualla 

 

Kemia
Massan yksiköt