Masa atomowa

Masa atomowa (ang. atomic mass) jest to masa pojedynczego atomu wyrażona w jednostkach masy atomowej (u lub daltonie, Da). W praktyce najczęściej podaje się masę względną atomową (ang. relative atomic mass), czyli średnią masę atomu pierwiastka uwzględniającą naturalny rozkład izotopów tego pierwiastka.

Definicja

Masa atomowa m atomu pierwiastka X wyrażona w jednostkach masy atomowej definiowana jest jako

m(X) = Σ p_i · A_i

gdzie p_i jest ułamkiem występowania i‑tego izotopu w przyrodzie, a A_i jest masą tego izotopu wyrażoną w jednostkach u. Wartość ta jest liczbą bezwymiarową w stosunku do 1 u (≈ 1,660 539 066 60 × 10⁻²⁷ kg).

Historia

Początkowo masy atomowe wyznaczano poprzez porównywanie masy gazów w warunkach stałych przy pomocy balansu elektronicznego. Pierwszy system jednostek masy atomowej zaproponował John Dalton w 1803 r., a w 1868 r. J. J. Thomson wprowadził pojęcie masa względna. Według międzynarodowego porozumienia z 1961 r. zdefiniowano jednostkę u jako ¹/₁₂ masy atomu węgla‑12.

Jednostka masy atomowej (u)

Jednostka u jest definiowana jako ¹/₁₂ masy atomu węgla‑12. W przybliżeniu:

• 1 u ≈ 1,660 539 066 60 × 10⁻²⁷ kg
• 1 u ≈ 1,660 539 066 60 Da (dalton)

Izotopy a masa atomowa

W przyrodzie każdy pierwiastek występuje jako mieszanina izotopów – atomów o tej samej liczbie protonów (liczba protonowa), ale różnej liczbie neutronów. Dlatego masa atomowa pierwiastka jest średnią ważoną:

Izotop	Symbol	Ułamek występowania (pᵢ)	Masa (u)	Wkład do masy średniej
Węgiel‑12	¹²C	0,9893	12,00000	11,8716
Węgiel‑13	¹³C	0,0107	13,00335	0,1393
Masa względna węgla				12,011 u

Obliczanie masy względnej

W praktyce masę względną pierwiastka wyznacza się metodą:

1. Określenia składu izotopowego przy pomocy spektrometrii mas lub spektroskopii jądrowej.
2. Mierzenia masy poszczególnych izotopów względem wzorca (najczęściej węgla‑12).
3. Obliczenia średniej ważonej zgodnie ze wzorem podanym wyżej.

Zastosowania

• Chemiometria – obliczenia stechiometryczne w reakcjach chemicznych.
• Analiza izotopowa – datowanie radiowęglowe (C‑14), śledzenie ścieżek biochemicznych.
• Fizyka jądrowa – modele struktury jądra, obliczenia energii wiązania.
• Inżynieria materiałowa – projektowanie stopów o określonych właściwościach.

Powiązane pojęcia

Więcej informacji znajdziesz w następujących artykułach:

• Jednostka atomowa (u)
• Izotop
• Układ okresowy pierwiastków
• Masa relatywna atomowa
• Spektrometria mas

Przypisy

1. IUPAC, Red Book – Nomenclature of Inorganic Chemistry, 2023.
2. CODATA, Recommended Values of the Fundamental Physical Constants, 2022.

Artykuł opracowany na podstawie dostępnych źródeł encyklopedycznych oraz literatury naukowej.