Ατομική μάζα

Ατομική μάζα (Atomic mass) (ma ή m) είναι η μάζα ενός μόνο ατόμου. Η ατομική μάζα προέρχεται κυρίως από τη συνδυασμένη μάζα των πρωτονίων και των νετρονίων στον πυρήνα, με μικρές συνεισφορές από τα ηλεκτρόνια και την ενέργεια σύνδεσης του πυρήνα (nuclear binding energy). Η ατομική μάζα των ατόμων, ιόντων ή ατομικών πυρήνων είναι ελαφρώς μικρότερη από το άθροισμα των μαζών των πρωτονίων, των νετρονίων και των ηλεκτρονίων που τα αποτελούν, λόγω του ().

Η ατομική μάζα μετριέται συχνά σε dalton (Da) ή ενοποιημένη ατομική μονάδα μάζας (u). Ένα dalton ισούται με  της μάζας ενός ατόμου άνθρακα-12 στη φυσική του κατάσταση. Έτσι, η αριθμητική τιμή της ατομικής μάζας όταν εκφράζεται σε daltons έχει σχεδόν την ίδια τιμή με τον μαζικό αριθμό. Η τιμή 1 της ενοποιημένης ατομικής μονάδας μάζας σε κιλά είναι . 
Η μετατροπή μεταξύ μάζας σε κιλά και μάζας σε ντάλτον μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας τη σταθερά ατομικής μάζας .

Ο τύπος που χρησιμοποιείται για τη μετατροπή είναι:

όπου  είναι η σταθερά μολαρικής μάζας,  είναι η σταθερά Αβογκάντρο, και  είναι η πειραματικά προσδιορισμένη μολαρική μάζα του άνθρακα-12.
Η σχετική ισοτοπική μάζα (βλ. ενότητα παρακάτω) μπορεί να ληφθεί διαιρώντας την ατομική μάζα ma ενός ισοτόπου με τη σταθερά ατομικής μάζας mu, αποδίδοντας μια αδιάστατη τιμή. Έτσι, η ατομική μάζα ενός ατόμου άνθρακα-12 είναι  εξ ορισμού, αλλά η σχετική ισοτοπική μάζα ενός ατόμου άνθρακα-12 είναι απλώς 12. Το άθροισμα των σχετικών ισοτοπικών μαζών όλων των ατόμων σε ένα μόριο είναι η σχετική μοριακή μάζα.

Η ατομική μάζα ενός ισότοπου και η σχετική ισοτοπική μάζα αναφέρονται σε ένα συγκεκριμένο ισότοπο ενός στοιχείου. Επειδή οι ουσίες συνήθως δεν είναι ισοτοπικά καθαρές, είναι βολικό να χρησιμοποιείται η στοιχειακή ατομική μάζα, η οποία είναι η μέση ατομική μάζα ενός στοιχείου, σταθμισμένη με την αφθονία των ισοτόπων. Το αδιάστατο τυπικό ατομικό βάρος είναι η σταθμισμένη μέση σχετική ισοτοπική μάζα ενός (τυπικού φυσικώς απαντώμενου) μείγματος ισοτόπων.

Η αναθεώρηση του Διεθνούς Συστήματος (SI) του 2019 επαναπροσδιόρισε το χιλιόγραμμο χρησιμοποιώντας τη σταθερά του Πλανκ (), βελτιώνοντας την ακρίβεια της σταθεράς ατομικής μάζας αγκυρώνοντάς την σε σταθερές φυσικές σταθερές. Παρόλο που το ντάλτον παραμένει ορισμένο μέσω του άνθρακα-12, η αναθεώρηση βελτιώνει την ιχνηλασιμότητα και την ακρίβεια στις μετρήσεις ατομικής μάζας.

 Σχετική ισοτοπική μάζα  
Η σχετική ισοτοπική μάζα (μια ιδιότητα ενός μεμονωμένου ατόμου) δεν πρέπει να συγχέεται με τo μέσο μέγεθος ατομικό βάρος (βλ. παραπάνω), η οποία είναι ένας μέσος όρος τιμών για πολλά άτομα σε ένα δεδομένο δείγμα ενός χημικού στοιχείου.

Ενώ η ατομική μάζα είναι απόλυτη μάζα, η σχετική ισοτοπική μάζα είναι ένας αδιάστατος αριθμός χωρίς μονάδες. Αυτή η απώλεια μονάδων προκύπτει από τη χρήση ενός λόγου κλιμάκωσης σε σχέση με ένα πρότυπο άνθρακα-12, και η λέξη σχετική στον όρο σχετική ισοτοπική μάζα αναφέρεται σε αυτήν την κλιμάκωση σχετική προς τον άνθρακα-12.

Η σχετική ισοτοπική μάζα, λοιπόν, είναι η μάζα ενός δεδομένου ισοτόπου (συγκεκριμένα, οποιουδήποτε μεμονωμένου νουκλιδίου), όταν αυτή η τιμή κλιμακώνεται με τη μάζα του άνθρακα-12, όπου η τελευταία πρέπει να προσδιοριστεί πειραματικά. Ισοδύναμα, η σχετική ισοτοπική μάζα ενός ισοτόπου ή νουκλιδίου είναι η μάζα του ισοτόπου σε σχέση με το 1/12 της μάζας ενός ατόμου άνθρακα-12.

Παραδείγματος χάρη, η σχετική ισοτοπική μάζα ενός ατόμου άνθρακα-12 είναι ακριβώς 12. Για λόγους σύγκρισης, η ατομική μάζα ενός ατόμου άνθρακα-12 είναι ακριβώς 12 ντάλτον. Εναλλακτικά, η ατομική μάζα ενός ατόμου άνθρακα-12 μπορεί να εκφραστεί σε οποιεσδήποτε άλλες μονάδες μάζας: για παράδειγμα, η ατομική μάζα ενός ατόμου άνθρακα-12 είναι .

Όπως συμβαίνει και με τη σχετική ατομική μάζα όταν εκφράζεται σε ντάλτον, οι σχετικοί ισοτοπικοί αριθμοί μάζας των νουκλεϊδίων εκτός του άνθρακα-12 δεν είναι ακέραιοι αριθμοί, αλλά είναι πάντα κοντά στους ακέραιους αριθμούς. Αυτό συζητείται πλήρως παρακάτω.

 Παρόμοιοι όροι για διαφορετικά μεγέθη 
Η ατομική μάζα ή η σχετική ισοτοπική μάζα μερικές φορές συγχέονται ή χρησιμοποιούνται λανθασμένα ως συνώνυμα της σχετικής ατομικής μάζας (γνωστής και ως ατομικό βάρος) ή του τυπικού ατομικού βάρους (ενός ιδιαίτερου είδους ατομικού βάρους, με την έννοια ότι είναι τυποποιημένο). Ωστόσο, όπως σημειώνεται στην εισαγωγή, η ατομική μάζα είναι απόλυτη μάζα, ενώ όλοι οι άλλοι όροι είναι αδιάστατοι. Η σχετική ατομική μάζα και το τυπικό ατομικό βάρος αντιπροσωπεύουν μεγέθη για  μέσους όρους (σταθμισμένης αφθονίας) σχετικών ατομικών μαζών σε στοιχειακά δείγματα, όχι για μεμονωμένα νουκλίδια. Ως εκ τούτου, η σχετική ατομική μάζα και το τυπικό ατομικό βάρος διαφέρουν συχνά αριθμητικά από τη σχετική ισοτοπική μάζα.

Η ατομική μάζα (σχετική ισοτοπική μάζα) ορίζεται ως η μάζα ενός μόνο ατόμου, το οποίο μπορεί να είναι μόνο ένα ισότοπο (νουκλίδιο) κάθε φορά, και δεν είναι ένας μέσος όρος σταθμισμένης αφθονίας, όπως στην περίπτωση της σχετικής ατομικής μάζας/ατομικού βάρους. Η ατομική μάζα ή η σχετική ισοτοπική μάζα κάθε ισοτόπου και νουκλιδίου ενός χημικού στοιχείου είναι, επομένως, ένας αριθμός που μπορεί κατ' αρχήν να μετρηθεί με υψηλή ακρίβεια, καθώς κάθε δείγμα ενός τέτοιου νουκλιδίου αναμένεται να είναι ακριβώς ταυτόσημο με κάθε άλλο δείγμα, καθώς όλα τα άτομα ενός δεδομένου τύπου στην ίδια ενεργειακή κατάσταση και κάθε δείγμα ενός συγκεκριμένου νουκλιδίου αναμένεται να είναι ακριβώς ταυτόσημα σε μάζα με κάθε άλλο δείγμα αυτού του νουκλιδίου. Παραδείγματος χάρη, κάθε άτομο οξυγόνου-16 αναμένεται να έχει ακριβώς την ίδια ατομική μάζα (σχετική ισοτοπική μάζα) με κάθε άλλο άτομο οξυγόνου-16.

Στην περίπτωση πολλών στοιχείων που έχουν ένα φυσικώς απαντώμενο ισότοπο (μονονουκλεϊδικά στοιχεία) ή ένα κυρίαρχο ισότοπο, η διαφορά μεταξύ της ατομικής μάζας του πιο κοινού ισοτόπου και της (τυπικής) σχετικής ατομικής μάζας ή του (τυπικού) ατομικού βάρους μπορεί να είναι μικρή ή ακόμη και μηδενική και δεν επηρεάζει τους περισσότερους υπολογισμούς χύδην. Ωστόσο, ένα τέτοιο σφάλμα μπορεί να υπάρχει και μάλιστα να είναι σημαντικό όταν εξετάζονται μεμονωμένα άτομα για στοιχεία που δεν είναι μονονουκλεϊδικά.

Για μη μονονουκλιδικά στοιχεία που έχουν περισσότερα από ένα κοινό ισότοπο, η αριθμητική διαφορά στη σχετική ατομική μάζα (ατομικό βάρος) ακόμη και από την πιο κοινή σχετική ισοτοπική μάζα μπορεί να είναι μισή μονάδα μάζας ή και περισσότερο (π.χ. βλέπε την περίπτωση του χλωρίου όπου το ατομικό βάρος και το τυπικό ατομικό βάρος είναι περίπου 35,45). Η ατομική μάζα (σχετική ισοτοπική μάζα) ενός ασυνήθιστου ισοτόπου μπορεί να διαφέρει από τη σχετική ατομική μάζα, το ατομικό βάρος ή το τυπικό ατομικό βάρος κατά αρκετές μονάδες μάζας.

Οι σχετικές ισοτοπικές μάζες είναι πάντα κοντά σε τιμές ακέραιου αριθμού, αλλά ποτέ (εκτός από την περίπτωση του άνθρακα-12) ακριβώς ακέραιος αριθμός, για δύο λόγους:
 τα πρωτόνια και τα νετρόνια έχουν διαφορετικές μάζες, και διαφορετικά νουκλίδια έχουν διαφορετικές αναλογίες πρωτονίων και νετρονίων.
 Οι ατομικές μάζες μειώνονται, σε διαφορετικό βαθμό, από τις ενέργειες σύνδεσής τους (binding energies).

Η αναλογία της ατομικής μάζας προς τον μαζικό αριθμό (αριθμό νουκλεονίων) ποικίλλει από  για 56Fe έως  για 1H.

Οποιοδήποτε έλλειμμα μάζας λόγω ενέργειας σύνδεσης του πυρήνα είναι πειραματικά ένα μικρό κλάσμα (λιγότερο από 1%) της μάζας ενός ίσου αριθμού ελεύθερων νουκλεονίων. Σε σύγκριση με τη μέση μάζα ανά νουκλεόνιο στον άνθρακα-12, ο οποίος είναι μέτρια ισχυρά συνδεδεμένος σε σύγκριση με άλλα άτομα, το έλλειμμα μάζας σύνδεσης για τα περισσότερα άτομα είναι ένα ακόμη μικρότερο κλάσμα του ντάλτον (ενοποιημένη ατομική μονάδα μάζας, με βάση τον άνθρακα-12). Δεδομένου ότι τα ελεύθερα πρωτόνια και τα νετρόνια διαφέρουν μεταξύ τους σε μάζα κατά ένα μικρό κλάσμα του ενός ντάλτον (), η στρογγυλοποίηση της σχετικής ισοτοπικής μάζας ή της ατομικής μάζας οποιουδήποτε δεδομένου νουκλιδίου που δίνεται σε ντάλτον στον πλησιέστερο ακέραιο αριθμό, δίνει πάντα τον αριθμό των νουκλεονίων ή μαζικό αριθμό. Επιπλέον, ο αριθμός των νετρονίων  μπορεί στη συνέχεια να προκύψει αφαιρώντας τον αριθμό των πρωτονίων (ατομικός αριθμός) από τον μαζικό αριθμό (αριθμός νουκλεονίων).

 Έλλειμμα μάζας 
Το ποσοστό απόκλισης της αναλογίας των ατομικών μαζών προς τον μαζικό αριθμό από το 1 έχει ως εξής: η απόκλιση ξεκινά θετικά στο υδρογόνο-1, στη συνέχεια μειώνεται μέχρι να φτάσει σε ένα τοπικό ελάχιστο στο ήλιο-4. Τα ισότοπα του λιθίου, του βηρυλλίου και του βορίου είναι λιγότερο ισχυρά συνδεδεμένα από το ήλιο, όπως φαίνεται από την αυξανόμενη αναλογία μάζας προς μάζα.

Στον άνθρακα, η αναλογία μάζας (σε ντάλτον) προς τον μαζικό αριθμό ορίζεται ως 1, και μετά τον άνθρακα γίνεται μικρότερη από ένα μέχρι να επιτευχθεί ένα ελάχιστο στο σίδηρο-56 (με μόνο ελαφρώς υψηλότερες τιμές για τον σίδηρο-58 και το νικέλιο-62), στη συνέχεια αυξάνεται σε θετικές τιμές στα βαρέα ισότοπα, με την αύξηση του ατομικού αριθμού. Αυτό αντιστοιχεί στο γεγονός ότι πυρηνική σχάση σε ένα στοιχείο βαρύτερο από το ζιρκόνιο παράγει ενέργεια, και η σχάση σε οποιοδήποτε στοιχείο ελαφρύτερο από το νιόβιο απαιτεί ενέργεια. Από την άλλη πλευρά, η πυρηνική σύντηξη δύο ατόμων ενός στοιχείου ελαφρύτερου από το σκάνδιο (εκτός από το ήλιο) παράγει ενέργεια, ενώ η σύντηξη σε στοιχεία βαρύτερα από το ασβέστιο απαιτεί ενέργεια. Η σύντηξη δύο ατόμων του 4He που αποδίδει βηρύλλιο-8 θα απαιτούσε ενέργεια και το βηρύλλιο θα διαλυόταν ξανά γρήγορα. Το 4He μπορεί να συντηχθεί με τρίτιο (3He) ή με 3He. Αυτές οι διεργασίες συνέβησαν κατά τη διάρκεια της νεοκλεοσύνθεσης της μεγάλης έκρηξης. Ο σχηματισμός στοιχείων με περισσότερα από επτά νουκλεόνια απαιτεί τη σύντηξη τριών ατόμων του 4He στην αντίδραση τρία-άλφα, παρακάμπτοντας το λίθιο, το βηρύλλιο και το βόριο για την παραγωγή άνθρακα-12.

Ακολουθούν ορισμένες τιμές του λόγου της ατομικής μάζας προς τον μαζικό αριθμό:
 Νουκλίδιο  Λόγος ατομικής μάζας προς μαζικό αριθμό1H  2H  3H  3He  4He  6Li  12C  114N  16O  56Fe  210Po  232Th  238U  

 Μέτρηση ατομικών μαζών 
Η άμεση σύγκριση και μέτρηση των μαζών των ατόμων επιτυγχάνεται με φασματομετρία μάζας.

 Σχέση μεταξύ ατομικών και μοριακών μαζών 
Παρόμοιοι ορισμοί ισχύουν για τα μόρια. Κάποιος μπορεί να υπολογίσει τη μοριακή μάζα μιας ένωσης προσθέτοντας τις ατομικές μάζες (όχι τα τυπικά ατομικά βάρη) των συστατικών ατόμων της. Αντίθετα, η μολαρική μάζα υπολογίζεται συνήθως από τα τυπικά ατομικά βάρη (όχι τις ατομικές ή τις νουκλεϊδικές μάζες). Έτσι, η μοριακή μάζα και η μολαρική μάζα διαφέρουν ελαφρώς σε αριθμητική τιμή και αντιπροσωπεύουν διαφορετικές έννοιες. Η μοριακή μάζα είναι η μάζα ενός μορίου, η οποία είναι το άθροισμα των συστατικών ατομικών μαζών του. Η μολαρική μάζα είναι ο μέσος όρος των μαζών των συστατικών μορίων σε ένα χημικά καθαρό, αλλά ισοτοπικά ετερογενές σύνολο. Και στις δύο περιπτώσεις, η πολλαπλότητα των ατόμων (ο αριθμός των φορών που εμφανίζεται) πρέπει να λαμβάνεται υπόψη, συνήθως πολλαπλασιάζοντας κάθε μοναδική μάζα με την πολλαπλότητά της.
Μολαρική μάζα του CH4   Τυπικό ατομικό βάρος        Αριθμός  Ολική μολαρική μάζα (g/mol)ή μοριακό βάρος (χωρίς μονάδες) C    1        H    4        CH4                  Μοριακή μάζα του 12C1H4   Μάζα νουκλιδίου (Da ή u)       Αριθμός  Ολική μοριακή μάζα (Da ή u) 12C  12,0000  1       12,0000 1H  1,007825  4       4,0313 CH4                16,0313 

 Ιστορικό 
Οι πρώτοι επιστήμονες που προσδιόρισαν τις σχετικές ατομικές μάζες ήταν οι Τζων Ντάλτον και Thomas Thomson μεταξύ 1803 και 1805 και ο Γιενς Γιάκομπ Μπερζέλιους μεταξύ 1808 και 1826. Η σχετική ατομική μάζα (Ατομικό βάρος) ορίστηκε αρχικά σε σχέση με αυτή του ελαφρύτερου στοιχείου, του υδρογόνου, το οποίο ελήφθη ως 1,00, και τη δεκαετία του 1820, η υπόθεση του Prout ανέφερε ότι οι ατομικές μάζες όλων των στοιχείων θα αποδεικνύονταν ακριβή πολλαπλάσια αυτής του υδρογόνου. Ο Μπερζέλιους, ωστόσο, απέδειξε σύντομα ότι αυτό δεν ήταν ούτε κατά προσέγγιση αληθές, και για ορισμένα στοιχεία, όπως το χλώριο, η σχετική ατομική μάζα, περίπου 35,5, πέφτει σχεδόν ακριβώς στη μέση μεταξύ δύο ακέραιων πολλαπλασίων αυτής του υδρογόνου. Ακόμα αργότερα, αποδείχθηκε ότι αυτό οφείλεται σε μεγάλο βαθμό σε ένα μείγμα ισοτόπων, και ότι οι ατομικές μάζες των καθαρών ισοτόπων, ή νουκλιδίων, είναι πολλαπλάσια της μάζας του υδρογόνου, με απόκλιση περίπου 1%.

Τη δεκαετία του 1860, ο Στανισλάο Κανιτζάρο βελτίωσε τις σχετικές ατομικές μάζες εφαρμόζοντας τον νόμο του Αβογκάντρο. Διατύπωσε έναν νόμο για τον προσδιορισμό των σχετικών ατομικών μαζών των στοιχείων: οι διαφορετικές ποσότητες του ίδιου στοιχείου που περιέχονται σε διαφορετικά μόρια είναι όλες ακέραια πολλαπλάσια του ατομικού βάρους και προσδιόρισε τις σχετικές ατομικές μάζες και τις μοριακές μάζες συγκρίνοντας την πυκνότητα των ατμών μιας συλλογής αερίων με μόρια που περιέχουν ένα ή περισσότερα από τα εν λόγω χημικά στοιχεία.

Τον 20ό αιώνα, μέχρι τη δεκαετία του 1960, οι χημικοί και οι φυσικοί χρησιμοποιούσαν δύο διαφορετικές κλίμακες ατομικής μάζας. Οι χημικοί χρησιμοποιούσαν μια κλίμακα ατομικής μονάδας μάζας (amu) έτσι ώστε το φυσικό μείγμα ισοτόπων οξυγόνου να έχει ατομική μάζα 16, ενώ οι φυσικοί απέδιδαν τον ίδιο αριθμό 16 μόνο στην ατομική μάζα του πιο κοινού ισοτόπου οξυγόνου (16O, που περιέχει οκτώ πρωτόνια και οκτώ νετρόνια). Ωστόσο, επειδή τα οξυγόνο-17 και οξυγόνο-18 υπάρχουν επίσης στο φυσικό οξυγόνο, αυτό οδήγησε σε δύο διαφορετικούς πίνακες ατομικής μάζας. Η ενοποιημένη κλίμακα που βασίζεται στον άνθρακα-12, 12C, ικανοποίησε την ανάγκη των φυσικών να βασίσουν την κλίμακα σε ένα καθαρό ισότοπο, ενώ παράλληλα ήταν αριθμητικά κοντά στην κλίμακα των χημικών. Αυτή υιοθετήθηκε ως η ενοποιημένη μονάδα ατομικής μάζας. Η τρέχουσα κύρια σύσταση του Διεθνούς Συστήματος Μονάδων (SI) για το όνομα αυτής της μονάδας είναι το ντάλτον και το σύμβολο 'Da'. Το όνομα 'ενοποιημένη ατομική μονάδα μάζας' και το σύμβολο 'u' είναι αναγνωρισμένα ονόματα και σύμβολα για την ίδια μονάδα.Bureau International des Poids et Mesures (2019): The International System of Units (SI), 9th edition, English version, page 134. Available at the BIPM website.

Ο όρος ατομικό βάρος σταδιακά καταργείται και αντικαθίσταται από τον όρο σχετική ατομική μάζα, στην πιο πρόσφατη χρήση του. Αυτή η μετατόπιση στην ονοματολογία χρονολογείται από τη δεκαετία του 1960 και έχει αποτελέσει πηγή πολλών συζητήσεων στην επιστημονική κοινότητα, η οποία πυροδοτήθηκε από την υιοθέτηση της ενοποιημένης ατομικής μονάδας μάζας και την συνειδητοποίηση ότι το βάρος ήταν κατά κάποιο τρόπο ένας ακατάλληλος όρος. Το επιχείρημα για τη διατήρηση του όρου ατομικό βάρος ήταν κυρίως ότι ήταν ένας όρος καλά κατανοητός σε όσους ασχολούνταν με τον τομέα, ότι ο όρος ατομική μάζα χρησιμοποιούνταν ήδη (όπως ορίζεται σήμερα) και ότι ο όρος σχετική ατομική μάζα θα μπορούσε εύκολα να συγχέεται με τη σχετική ισοτοπική μάζα (η μάζα ενός μεμονωμένου ατόμου ενός δεδομένου νουκλιδίου, εκφρασμένη αδιάστατα σε σχέση με το 1/12 της μάζας του άνθρακα-12• βλ. παραπάνω ενότητα).

Το 1979, ως συμβιβασμός, ο όρος σχετική ατομική μάζα εισήχθη ως δευτερεύον συνώνυμο του ατομικού βάρους. Είκοσι χρόνια αργότερα, η πρωτοκαθεδρία αυτών των συνωνύμων αντιστράφηκε και ο όρος σχετική ατομική μάζα είναι πλέον ο προτιμώμενος όρος.

Ωστόσο, ο όρος τυπικ ατομικά βάρη (που αναφέρεται στα τυποποιημένα αναμενόμενα ατομικά βάρη διαφορετικών δειγμάτων) δεν έχει αλλάξει, επειδή η απλή αντικατάσταση του ατομικού βάρους με τη σχετική ατομική μάζα θα είχε ως αποτέλεσμα τον όρο τυπική σχετική ατομική μάζα.

 Παραπομπές 

 Εξωτερικοί σύνδεσμοι 
 NIST relative atomic masses of all isotopes and the standard atomic weights of the elements
 AME2003 Atomic Mass Evaluation  from the National Nuclear Data Center

Κατηγορία:Άτομα
Κατηγορία:Μάζα
Κατηγορία:Χημικές ιδιότητες
Κατηγορία:Στοιχειομετρία