Varför valdes kol-12 för atommassanheten?

Dieblitzen 05/13/2017. 3 answers, 13.143 views
conventions units definition history metrology

Atommassanordningen definieras som 1/12: e massan av en kol-12-atom. Var det någon fysisk anledning till en sådan definition? Var de försök att inkludera elektroner i atommassanheten?

Varför definiera inte amu som en proton eller neutrons massa så att vid nukleära beräkningar skulle minst en av kärnpartiklarna (ur protoner och neutroner) vara ett bra heltal?

3 Answers


David Hammen 05/16/2017.

Varför valdes Carbon-12 för atommassanordningen?

Såsom är fallet på andra ställen i metrologi är svaret bundet i historia, mätbarhet, praktiska egenskaper, repeterbarhet, tidigare missuppfattningar och konsekvens (trots de tidigare missuppfattningarna).

Historien om atommassa och molan (de två är ganska sammanlänkade) går tillbaka till början av 1800-talet till John Dalton, fadern till atomteorin [1]. Den enhetliga atommassanheten är uppkallad efter honom. Forskare i den tiden lärde sig bara om element; Periodiskt bord var 60 år i Daltons framtid. Dalton föreslog ursprungligen användning av väte som bas. Frågor om mätbarhet och repeterbarhet uppskattas snabbt. Så gjorde misstag. Dalton, t ex trodde vatten var HO istället för H2O [2].

Dessa problem resulterade i att kemister bytte till en syrebaserad standard baserad på syre som finns på jorden. (Dessa element kan komma i flera isotoper var inte kända vid denna tidpunkt.) Fysikernas undersökningar på atomnivå ledde till att de utvecklade sin egen standard på 20-talet, baserat på 16 O istället för den naturliga blandningen av O 16 O, 17 O och 18 O (atommassor: 15,994915, 16,999,131 respektive 17,999161 med en nominell blandning av 379,9 ppm för 17O, 2005.20 ppm för 18O och resten 16O) som används av kemister.

Den naturliga blandningen av de olika isotoperna av syre är inte konstant. Det varierar med tid, plats och klimat. Förbättrade mätningar och mer utbredd användning gör repeterbarhet ett viktigt problem i mitten av 20-talet. Den främsta orsaken är naturliga variationer i de två vanligaste isotoperna av syre, 16 O (den dominerande isotopen) och 18 O (cirka 2000 delar per miljon i genomsnitt). IUPACs tekniska rapport [4] om elementets atomviktar listar atomvikten av naturligt förekommande syre som varierande från 15,99903 till 15,99977.

Den främsta orsaken till dessa naturliga variationer är den preferensavdunstning och utfällning av vattenmolekyler baserat på olika isotoper av syre. Vatten baserad på 16 O avdunstar mer lätt än vatten baserat på 18 O, vilket gör tropiska oceaner lite koncentrerade i 18 O jämfört med genomsnittet. På baksidan fäller vatten som är baserat på 18 O något mindre lätt än vatten baserat på 16 O. Detta gör att nederbörd i troperna har något högre 18 O-koncentrationer jämfört med nominell och det gör nederbörd i höga breddgrader har något lägre 18 O koncentrationer jämfört med nominellt.

Fysiker hade en lösning: Byt till sin isotopiskt rena 16 O-standard. Detta skulle ha representerat en oacceptabelt stor förändring (275 ppm [3]) i kemiens syrebaserade standard. Det skulle ha krävt läroböcker, referensböcker och kanske viktigast, att recepten som används vid raffinaderier och andra kemiska fabriker har skrivits om. De kommersiella kostnaderna skulle ha varit enorma. Det är viktigt att hålla sig i naturen att metrologi existerar först och främst för att stödja handeln. Kemister slog därför på det förslaget som gjordes av fysiker.

Den kolbaserade standarden representerade en fin kompromiss. Av en slump bestäms atommassan som 1/16 av massan av ett mol syre innefattande en naturlig blandning av O16O, 17O och 18O mycket nära en standard som definierar atommassan som 1/12 massan av en mol av 12 C [3]. Detta representerade en 42 ppm förändring från kemikerns naturliga syrestandard jämfört med den 275 ppm-förändring som skulle ha blivit resultatet av att ändra sig till 1/16 av massan av en mol av 16 O [3]. Denna nya standard baserades på en ren isotop, varigenom fysikerna var glada, och det representerade en acceptabelt liten avgång från det förflutna, varigenom kemister och handel lyckades.


referenser:

  1. Britannica.com på John-Dalton / Atomic-theory entry
    Jag läser av referens wikipedia. Britannica är fortfarande rättvist spel för grundläggande fakta.

  2. Klass 11: Hur Atomer Kombinerar
    Daltons misstag på att antas att vatten var diatomiskt rapporteras allmänt. Detta är en av många webbplatser som gör denna påstående på Daltons misstag.

  3. Holden, Norman E. "Atomvikter och det internationella utskottet - en historisk översyn." Chemistry International 26,1 (2004): 4-7.
    Jag hittade detta efter det faktum, efter att Emilio Pisanty bad mig att hitta några referenser. Detta säger allt jag skrev, bara bättre, mer detaljerat och med många referenser.

  4. Meija, Juris, et al. "Atomvikter av elementen 2013 (IUPAC Technical Report)." Pure and Applied Chemistry 88,3 (2016): 265-291.
    Se tabell 1, och även figur 6.


Jirka Hanika 05/16/2017.

Massan av en viss kärna är inte lika med summan av massor av beståndsdelarna. Ur detta perspektiv, vilken isotop (eller blandning av isotoper) kommer att väljas som definitionstandard, kommer ingen annan isotop (eller blandning av isotoper) att hamna som ett fint heltal.

Till exempel, om kol-12 har sex protoner och sex neutroner, kan man förvänta sig att väte-2 (deuterium, en proton + en neutron) har sin atomvikt exakt 2, men det verkliga värdet är 2.014. För att ge mening om detta, överväga kärnfusionsreaktioner som slutligen producerar kol-12 ur deuterium. Reaktionerna släpper ut energi och den frigjorda energin motsvarar exakt den "förlorade" massan (via $ E = mc ^ 2 $). Det är inte ett renträknande spel med protoner och neutroner.

Elektroner har inte mycket att göra med detta. Det är snarare en fråga om stark växelverkan mellan nukleonerna i samma kärna. Den starka interaktionen bestämmer nukleonernas "komfortnivå" och därmed den potentiella energi som är involverad i fusion eller fission och bestämmer därmed kärnans massa.

Ur det här perspektivet kan du ha en isotop med en "fin" atomvikt, men alla andra kommer att sluta med helt "konstiga" atomvikter. Ur detta perspektiv spelar det ingen roll för mycket vilken isotop du använder som standard, så länge samhällena är redo att acceptera ditt förslag.


Vera K 07/02/2017.

Det finns redan två bra svar på din fråga, men jag vill ändå komplettera och svara mer specifikt på dina frågor:

Atommassanordningen definieras som 1/12: e massan av en kol-12-atom.

Detta är inte korrekt. Den unified atommassanheten är definierad som 1/12: e massan av en kol-12-atom. Atommassanordningen (amu) definieras som 1/16: e massen av oxigen-16 isotopen (fysiken) eller 1/16: e av (genomsnittlig) massa av en oxigenatom (kemister).

Var det någon fysisk anledning till en sådan definition?

Nej, men det finns kemiska skäl. Kemister vill att det numeriska värdet av "atomvikt" i enhetliga atommassanheter är samma som det numeriska värdet av molmassan. Till exempel: molekylvikten (vilken är det överflödiga viktiga medlet av isotopmassorna hos en atom) av C är 12,0107 u och dess molvikt är 12,0107 g / mol. Detta gör det möjligt för kemister att hoppa lätt mellan makro och mikrovärlden.

Var de försök att inkludera elektroner i atommassanheten?

Ja, för när kemister mäter massan av element eller ämnen, är dessa väsentligen neutrala. Tänk på en massa kol, aka diamant.

Varför definiera inte amu som en proton eller neutrons massa så att vid nukleära beräkningar skulle minst en av kärnpartiklarna (ur protoner och neutroner) vara ett bra heltal?

Eftersom kemister inte är intresserade av kärnpartiklar. De mäter vanligen ämnen (molekyler).

Fysiker använder vanligtvis andra massenheter: $ m_e $ = elektronmassa, $ m_P $ = Planck massa etc.

Related questions

Hot questions

Language

Popular Tags