相対原子質量（記号：A r、RAMまたはramと略されることもある）は、非推奨の同義語である原子量とも呼ばれ、あるサンプル中の化学元素の原子の平均質量と原子質量定数の比として定義される無次元 物理量である。原子質量定数（記号：m u）は、次のように定義される。1/12⁠炭素12原子の質量の比。[1] [2]比に含まれる量は両方とも質量であるため、結果として得られる値は無次元となる。これらの定義は、SIの2019年改訂後も有効である[3] : 134。  [a] [b]

特定の単一サンプルについて、ある元素の相対原子質量は、サンプル中に存在する個々の原子（そのすべての同位体を含む）の質量の加重算術平均です。この値はサンプルごとに大きく異なる場合があります。これは、サンプルの起源（つまり、放射能履歴または拡散履歴）によって、同位体存在比の組み合わせが様々な比率で生じている可能性があるためです。例えば、安定炭素12と炭素13の同位体の混合比が異なるため、火山メタン由来の元素炭素サンプルは、植物や動物の組織から採取されたサンプルとは異なる相対原子質量を持ちます。

より一般的でより具体的な量である標準原子量（A r,standard）は、様々な異なるサンプルから得られた相対原子質量値を応用したものです。これは、地球から採取された様々なサンプルを基準として、特定の元素の原子について、地球上のあらゆる供給源から得られる相対原子質量値の期待範囲として解釈されることもあります。[8]「原子量」はしばしば標準原子量の同義語として、曖昧かつ誤って使用されます（標準原子量は単一のサンプルから得られるものではないため、これは誤りです）。それでもなお、標準原子量は相対原子質量の最も広く公表されている変種です。

さらに、少なくとも1960年代以降、「相対原子質量」ではなく「原子量」（あらゆる元素において）という用語が使用され続けていることは、主に物理学における重量と質量の技術的な違いにより、かなりの論争を巻き起こしてきました。[9]それでも、どちらの用語もIUPACによって正式に認可されています。現在では「相対原子質量」という用語が「原子量」に取って代わり、より正確な「標準相対原子質量」ではなく「標準原子量」という用語が引き続き使用されています。

意味

相対原子質量は、平均原子質量、すなわち特定の試料中に含まれる特定の化学元素の全原子の原子質量の加重平均によって決定され、これを炭素12の原子質量と比較します。 [10]この比較は2つの質量の商であり、これにより値は無次元（単位を持たない）になります。この商は「相対的」という言葉の意味も説明しています。つまり、試料の質量値は炭素12の質量値に対する相対的なものとして扱われます。

これは原子量の同義語ですが、相対同位体質量と混同しないでください。相対原子質量は標準原子量の同義語としてもよく使用され、使用されている相対原子質量が特定の条件下における地球上の元素の相対原子質量である場合、これらの量は重複する値を持つことがあります。ただし、相対原子質量 (原子量) は、単一のサンプルから得られた原子にのみ適用されるため、標準原子量とは技術的に異なります。また、標準原子量は複数のサンプルを平均化しますが、相対原子質量は地球上のサンプルに限定されません。したがって、相対原子質量はより一般的な用語であり、地球の平均とは大幅に異なるか、標準原子量に反映されるものとは異なる確実性(有効数字の数など) を反映する可能性のある、地球以外の環境または非常に特殊な地球環境から採取されたサンプルをより広く指します。

現在の定義

一般的な IUPAC の定義（「ゴールドブック」より抜粋）は次のとおりです。

原子量– 参照：相対原子質量[11]

そして

相対原子質量（原子量） – 原子の平均質量と原子質量定数の比。[12]

ここで原子質量定数は、基底状態の12C原子の質量の1/12を指し、1ダルトンに等しい。[13]

IUPACによる相対原子質量の 定義[1]は次の通りである。

特定の供給源からの元素の原子量（相対原子質量）は、その元素の原子あたりの平均質量と12 C原子の質量の 1/12 との比です。

定義では意図的に「原子量…」と明記されている。これは、元素の相対的な原子質量は、その供給源によって異なるためである。例えば、トルコ産のホウ素は、同位体組成が異なるため、カリフォルニア産のホウ素よりも相対的な原子質量が低い。[14] [15]しかしながら、同位体分析のコストと困難さを考慮すると、化学実験室で広く普及しており、IUPACの同位体存在比と原子量に関する委員会（CIAAW）によって2年ごとに改訂される標準原子量の表値を代用するのが一般的である。[16]

歴史的な使用法

原子質量単位（記号：amuまたはamu）に基づく古い（1961年以前）歴史的相対尺度では、酸素16の 相対同位体質量、または酸素の相対原子質量（すなわち原子量）が基準として用いられていました。これらの問題の解決については、 現代のダルトンの歴史に関する記事を参照してください。

標準原子量

IUPAC委員会のCIAAWは、地球上の相対的な原子質量（または原子量）の期待値区間を定めた標準原子量を維持しています。標準原子量では、放射源が地球起源で、天然であり、放射能に関して安定していることが求められます。また、研究プロセスにも要件があります。CIAAWは、84種類の安定元素についてこの標準原子量を決定しました。これらの値は広く公表されており、医薬品や商業取引などの実生活における物質の「その」原子量として広く知られています。

また、CIAAW は要約（四捨五入）された値と簡略化された値（地球上のソースが体系的に変化する場合）を公表しています。

原子の質量の他の測定

原子質量（ m a）は、原子1個の質量です。特定の同位体の質量を定義し、相対的な原子質量を決定するための入力値となります。3つのシリコン同位体の例を以下に示します。原子質量の便利な単位はダルトン（Da）で、統一原子質量単位（u）とも呼ばれます。

相対同位体質量は、単一原子の質量と原子質量定数（m u = 1 Da ）の比です。この比は無次元です。

相対原子質量の決定

現代の相対原子質量（特定の元素サンプルに特有の用語）は、サンプルの原子質量（各核種）と同位体組成の測定値から計算されます。非常に正確な原子質量は、事実上すべての非放射性核種に対して利用可能ですが[17] [18] 、同位体組成は高精度で測定するのが難しく、サンプル間の変動も大きくなります。 [19] [20]このため、22 の単核種元素の相対原子質量（これらの元素のそれぞれの天然核種の同位体質量と同じ）は、特に高精度であることが知られています。たとえば、フッ素の相対原子質量の不確かさはわずか 3800 万分の 1 で、これはアボガドロ定数の現在の最高値（2000 万分の 1） よりも高い精度です。

この計算は、計量学において特に重要な相対原子質量を持つシリコンを例に挙げて行われます。シリコンは自然界において、 28 Si、29 Si、30 Siの3つの同位体の混合物として存在します。これらの核種の原子質量は、 28 Siについては140億分の1、その他の同位体については約10億分の1の精度で知られています。しかし、これらの同位体の自然存在比の範囲は広く、標準存在比は約±0.001%の範囲でしか与えることができません（表を参照）。

計算は次のようになります。

A r (Si) = (27.976 93 ×0.922 297 ) + (28.976 49 ×0.046 832 ) + (29.973 77 ×0.030 872 ) =28.0854

不確かさの推定は複雑であり[21] 、特にサンプル分布が必ずしも対称的ではないためである。IUPACの標準相対原子質量は推定対称不確かさとともに引用されており[22]、シリコンの値は28.0855(3)である。この値の相対標準不確かさは10 −5または 10 ppm。

測定による不確実性に加え、一部の元素は供給源によって変動します。つまり、供給源（海水、岩石）によって放射能履歴が異なり、同位体組成も異なります。この自然変動を反映するため、IUPACは2010年に10元素の標準相対原子質量を固定値ではなく区間として記載することを決定しました。[23]

参照

注記

  1. ^ この改訂によって、本論文に関連する影響は2つだけある。第一に、炭素12のモル質量M（12C）はもはや12g/molと厳密に等しいとは定義されなくなり、実験的に決定する必要があり、不確実性を伴う。現在の最高値[4] [5]は49 である。12.000 000 0126 (37) g/mol。ここで「(37)」は不確かさの尺度であり、基本的に「26」（12.000 000 0126 ）は、不確かさ§測定で説明されているように、「26 ± 37」と理解されるべきである。しかし、これは以前の値12 g/molに非常に近い（相対差は1.05 × 10 −9）とすると、ほとんどの応用ではM ( 12 C) は依然として正確に12 g/molとみなされる。これはもちろん設計によるものである。第二に、アボガドロ定数 N Aは、6.022 140 76 × 10 23 逆モルの定義によるものであるが、以前は実験的に決定する必要があり、不確実性があった。[3] : 134 
  2. ^ 2019年の改訂直後、M（12C）は12.000 000 0000 (54) g/mol、相対標準不確かさ[6]に相当する。4.5 × 10 −10 。この不確かさは、改訂直前の製品hN Aの相対標準不確かさから「継承」されたものである。4.5 × 10 −10（ここでhはプランク定数である。改訂後、積hN Aは定義により正確な値を持つ。）[7] ：143 逆に改訂直前のアボガドロ定数N Aの測定値は6.022 140 758 (62) × 10 23 逆モル、相対標準不確かさは1.0 × 10 −8。改訂直前までは、積hN AはhまたはN A のいずれか一方よりもはるかに正確に知られていたことに留意してください[7] : 139 。

参考文献

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  3. ^ 国際度量衡局（2019年5月20日）国際単位系（SI）（PDF）（第9版）、ISBN 978-92-822-2272-0、2021年10月18日時点のオリジナルよりアーカイブ
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  8. ^ 要素サンプルの定義
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    • Wapstra, AH; Audi, G.; Thibault, C. (2003)、「AME2003原子質量評価（I）」、Nuclear Physics A、729 : 129– 336、Bibcode :2003NuPhA.729..129W、doi :10.1016/j.nuclphysa.2003.11.002
    • Audi, G.; Wapstra, AH; Thibault, C. (2003)、「AME2003原子質量評価（II）」、Nuclear Physics A、729 : 337– 676、Bibcode :2003NuPhA.729..337A、doi :10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003
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  23. ^ “周期表の変更”. 2019年7月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。

さらに読む

  • Possolo, Antonio; van der Veen, Adriaan MH; Meija, Juris; Brynn Hibbert, D. (2018-01-04). 「標準原子量の不確かさの解釈と伝播（IUPAC技術報告書）」. Pure and Applied Chemistry . 90 (2): 395– 424. doi : 10.1515/pac-2016-0402 . S2CID  145931362.
  • IUPAC同位体存在比と原子量に関する委員会
  • NISTの全同位体の相対原子質量と元素の標準原子量
  • 標準原子量