달튼(단위)

Dalton (unit)
하트리 원자 단위와 혼동하지 말 것.
달튼
(표준 원자질량 단위)
단위계물리 상수
(SI와 함께 사용하기 위해 승인됨)
단위덩어리
기호.Da 또는 u
의 이름을 따서 명명됨존 달튼
변환
1 Da 또는 u in......와 같다
kg 1.14053906660(50)×10−27
mu 1개
me 1822.888486209(53)
MeV/c2 931.49410242(28)

달튼 또는 통합 원자 질량 단위(기호:Da 또는 u)는 물리학과 화학에서 널리 사용되는 질량의 단위이다.다음과 같이 정의됩니다.핵 및 전자 지반 상태 [1][2]및 정지 상태의 탄소-12의 결합되지 않은 중성 원자의 질량의 1⁄12.m으로 표시된u 원자 질량 상수는 동일하게 정의되며 mu = m(12C)/12 = 1 [3]Da이다.

이 단위는 물리학과 화학에서 원자, 분자, 소립자와 같은 원자 규모의 물체의 질량을 나타내기 위해 이산 인스턴스 및 여러 유형의 앙상블 평균에 일반적으로 사용됩니다.예를 들어 헬륨-4 원자의 질량은 4.0026Da이다.이것은 동위원소의 본질적인 특성이며 모든 헬륨-4 원자는 같은 질량을 가지고 있다.아세틸살리실산(아스피린)의
9
8
4 평균 질량은 약 180.157Da이다.그러나 이 질량을 가진 아세틸살리실산 분자는 없다.개별 아세틸살리실산 분자의 가장 일반적인 질량은 가장 일반적인 동위원소를 가진 180.0423Da와 탄소-13인 181.0456Da이다.

단백질, 핵산 및 기타 대형 고분자의 분자량은 종종 킬로달톤(kDa), 메가달톤(MDA)[4] 등으로 표현된다.가장 큰 단백질 중 하나인 티틴은 3에서 3.7 메가달톤 [5]사이의 분자량을 가지고 있다.인간 게놈에 있는 1번 염색체의 DNA는 각각 평균 질량이 약 650Da, 총 [6]156GDa인 약 2억4천900만 개의 염기쌍을 가지고 있다.

몰은 화학과 물리학에서 널리 사용되는 물질의 양 단위로, 원래 그램 단위로 측정되는 물질의 한 몰의 질량이 달톤 단위로 측정되는 구성 입자의 평균 질량과 수치적으로 동일하도록 정의되었다.즉, 화학 화합물의 몰 질량은 평균 분자 질량과 수치적으로 동일하다는 것을 의미했다.예를 들어, 물 한 분자의 평균 질량은 약 18.0153 달톤이고, 물 한 몰은 약 18.0153 그램이다.분자의 평균 질량이 64kDa인 단백질의 몰 질량은 64kg/mol이다.그러나, 거의 모든 실질적인 목적에 대해 이러한 동등성을 가정할 수 있지만,[4][1] 2019년 5월 20일에 몰을 재정의한 방법 때문에 현재는 근사치에 불과하다.

일반적으로 원자의 달톤 질량은 수치적으로는 가깝지만 원자핵에 포함된 핵자 A의 수와 정확히 동일하지는 않다.따라서 화합물의 몰 질량(몰당 그램)은 각 분자에 포함된 평균 핵자 수에 수치적으로 가깝다.정의에 따르면 탄소-12 원자의 질량은 12달톤으로, 이는 탄소-12 원자가 가진 핵자의 수(6개의 양성자와 6개의 중성자)와 일치한다.그러나 원자 크기의 물체의 질량은 원자핵에 있는 핵자의 결합 에너지와 전자의 질량과 결합 에너지에 의해 영향을 받는다.따라서 이 등식은 명시된 조건의 탄소-12 원자에만 적용되며 다른 물질에 따라 달라집니다.예를 들어 공통수소동위원소(수소-1, 프로튬)의 결합원자 1개의 질량은 1.00785032241([a]94), 양성자 1개의 질량은 1.007276466621(53)Da, 자유중성자 1개의 질량은 1.00866491595(49)[7]Da, 수소-14는 2중성자 2중수소이다.일반적으로 차이(절대 질량 초과)는 0.1% 미만입니다. 예외로는 수소-1(약 0.8%), 헬륨-3(0.5%), 리튬-6(0.25%) 및 베릴륨(0.14%)이 있습니다.

달톤은 원자 단위 시스템의 질량 단위인 전자 정지 질량(me)과 다르다.

에너지 등가물

원자질량 상수는 에너지 등가 mc로도u2 표현될 수 있다.2018 CODATA 권장 값은 다음과 같습니다.

mcu2 = 1.49241808560(45)×10J−10[9] = 931.49410242(28) MeV[10]

메가 일렉트론볼트 질량당량(MeV2/c)은 일반적으로 입자 물리학에서 질량의 단위로 사용되며, 이러한 값은 상대 원자 질량의 실제적인 측정에도 중요합니다.

역사

개념의 기원

1926년 장 페랭

물질의 원자 이론의 관점에서 일정한 비율의 법칙의 해석은 다양한 원소의 원자 질량이 원소에 의존하는 일정한 비율을 가지고 있다는 것을 암시했다.실제 질량은 알려지지 않았지만 상대 질량은 그 법칙에서 추론할 수 있었다.1803년 존 달튼은 가장 가벼운 원자, 수소의 원자 질량을 원자 질량의 자연 단위로 사용하자고 제안했다.이것은 원자량 [11]척도의 기초였다.

기술적인 이유로 1898년 화학자 빌헬름 오스발트와 다른 사람들은 원자 질량의 단위를 [12]산소 원자의 질량의 1⁄16으로 재정의할 것을 제안했다.이 제안은 1903년 국제원자력위원회(ICAW)에 의해 공식적으로 채택되었다.그것은 대략 수소 원자 하나의 질량이었지만, 산소는 실험적인 결정에 더 순응했다.이 제안은 [11]1912년에 발생한 원소 동위원소의 존재가 발견되기 전에 이루어졌다.물리학자 장 페린은 1909년 원자 질량과 아보가드로 [13]상수를 결정하기 위해 실험을 하는 동안 같은 정의를 채택했다.이 정의는 [14][15]1961년까지 변하지 않았다.페린은 또한 "몰"을 32그램의 산소(O
2)를 포함한 화합물의 양으로 정의했다.그는 물리학자 아메데오 아보가드로를 기리기 위해 이 숫자를 아보가드로 숫자라고 불렀다.

동위원소 변화

1929년에 산소 동위원소를 발견하기 위해서는 그 단위를 보다 정확하게 정의해야 했다.불행하게도, 두 가지 명확한 정의가 사용되었습니다.화학자들은 AMU를 자연에서 발견된 산소 원자의 평균 질량의 1⁄16, 즉 알려진 동위원소 질량의 평균으로 정의하여 자연적 풍부성에 따라 가중치를 부여한다.반면 물리학자들은 이를 산소-16(16[12]O) 동위원소 원자의 질량의 1⁄16으로 정의했다.

IUPAC에 의한 정의

동일한 이름을 가진 두 개의 서로 다른 단위가 존재하는지 혼란스러웠으며, 그 차이(상대적으로 약 1.000282)는 고정밀 측정에 영향을 미칠 정도로 컸다.게다가, 산소 동위원소가 물과 공기 중에 다른 자연적 함량을 가지고 있다는 것이 밝혀졌다.이러한 이유와 다른 이유로 ICAW를 흡수했던 국제순수응용화학연합(IUPAC)은 1961년 물리학과 화학 모두에서 사용할 원자질량단위의 새로운 정의, 즉 탄소-12 원자의 질량의 1⁄12를 채택했다.이 새로운 값은 이전의 두 정의 사이의 중간 값이었지만 (변화의 [11][12]영향을 가장 많이 받는) 화학자들이 사용한 값에 더 가까웠다.

새로운 단위는 "통합 원자 질량 단위"로 명명되었고 산소 기반 [16]단위에 사용되었던 오래된 "아무"를 대체하기 위해 "u"라는 새로운 기호가 붙었다.그러나 1961년 이후, 특히 일반 및 준비 문맥에서 옛 기호 "amu"가 새로운 단위를 가리키는 데 사용되기도 했다.

이 새로운 정의에서 탄소의 표준 원자량은 약 12.011Da이고 산소의 원자량은 약 15.999Da이다.일반적으로 화학에서 사용되는 이러한 값은 지구의 지각, 대기 및 유기 물질의 평균에 기초합니다.

BIPM에 의한 도입

IUPAC 1961의 통합 원자질량단위에 대한 정의는 국제측량국(BIPM)이 1971년 [17]SI와 함께 사용할 수 있는 비 SI 단위로서 채택했다.

유닛명

1993년, IUPAC는 통합 원자 [18][19]질량 단위를 "달톤" (기호 "Da")으로 줄인 이름을 제안했다.와트나 뉴턴과 같은 다른 단위 이름과 마찬가지로 "dalton"은 영어에서는 대문자로 표기되지 않지만 기호인 "Da"는 대문자로 표기됩니다.이 이름은 2005년 [20]국제순수응용물리학연합(IUPAP)에 의해 승인되었습니다.

2003년 CIPM의 일부인 유닛 협의위원회에 의해 BIPM에 이 이름이 추천되었다.그 이유는 "짧고 [SI] [21]접두사와 함께 더 잘 작동하기 때문"이다.2006년 BIPM은 [22]SI의 공식 정의 제8판에 달톤을 포함시켰다.이 이름은 2009년 [23][24]국제 표준화 기구에 의해 "통합 원자 질량 단위"의 대안으로 등재되었다.그것은 현재 몇몇 [25]과학 출판사에 의해 추천되고 있으며, 그들 중 일부는 "원자 질량 단위"와 "아무"가 [26]폐지되었다고 생각한다.2019년 BIPM은 SI의 공식 정의 제9판에서 달톤을 유지하면서도 SI와 함께 사용하도록 승인된 비 SI 단위 표에서 통일 원자질량 단위를 삭제했다. 그러나 두 번째로 달톤(Da)과 통합 원자질량 단위(u)는 동일한 [1]단위에 대한 대체 이름(및 기호)이라는 점에 주목한다.

2019년 SI 기본단위 재정의

달톤의 정의는 2019년 SI 염기단위의 [27][28][1]재정의에 영향을 받지 않았다. 즉, SI의 1Da는 여전히 탄소-12 원자 질량의 1⁄12이며, 이는 SI단위의 관점에서 실험적으로 결정되어야 하는 양이다.그러나 몰의 정의는 정확히 6.02214076×1023 엔티티로 구성된 물질의 양으로 변경되었고 킬로그램의 정의도 변경되었다.그 결과, 몰 질량 상수는 더 이상 정확히 1g/mol이 아니며, 이는 물질의 한 몰 질량의 그램 수가 더 이상 평균 분자 [29]질량의 달톤 수와 정확히 동일하지 않음을 의미한다.

측정.

중성 원자에 대해서는 상대 원자 질량이 정의되지만 이온에 대해서는 (질량분석에 의해) 측정됩니다.따라서 이온을 형성하기 위해 제거된 전자의 질량과 전자 결합 에너지인b E/mc의u2 질량에 대해서도 측정값을 보정해야 합니다.탄소-12 원자에서 6개의 전자의 총 결합 에너지는 1030.1089 eV = 1.6504163×10−16 J: Eb/mcu2 = 1.1058674×10으로−6 원자 [30]질량의 약 1000만분의 1이다.

2019년 SI 단위 재정의 이전에는 통합된 원자 질량 단위의 값을 찾기 위한 아보가드로 상수의 값을 결정하는 것이 실험의 목적이었다.

요제프 로슈미트

요제프 로슈미트

원자질량단위는 1865년 요제프 로슈미트에 의해 주어진 [31]가스 부피의 입자의 수를 추정함으로써 간접적으로 얻어졌다.

장 페랭

페린은 20세기 초에 다양한 방법으로 아보가드로의 수를 추정했다.그는 주로 이 [32]업적으로 1926년 노벨 물리학상을 받았다.

쿨로메트리

주요 기사:쿨로메트리

전자의 몰당 전하량은 패러데이 상수라고 불리는 상수인데, 그 값은 마이클 패러데이가 전기 분해에 관한 그의 연구들을 발표한 1834년 이래로 본질적으로 알려져 왔다.1910년, 로버트 밀리칸은 전자에 대한 전하의 첫 번째 측정을 얻었습니다.지수 F/e는 아보가드로의 [33]숫자에 대한 추정치를 제공했다.

전형적인 실험은 [34]NIST의 Bower와 Davis의 실험이며, 알려진 시간 t 동안 일정한 전류 I를 통과시키면서 전기 분해 셀의 양극에서 은 금속을 용해하는 데 의존합니다.m이 양극에서 손실된 은의 질량이고r A가 은의 원자량일 경우 패러데이 상수는 다음과 같이 주어진다.

NIST 과학자들은 기계적 원인에 의해 양극에서 손실된 은을 보상하는 방법을 고안했고, 원자량을 결정하는 데 사용된 은의 동위원소 분석을 실시했다.기존 패러데이 상수에 대한 이들의 값은 F90 = 96485.39(13) C/mol이었으며, 이는 아보가드로 상수에 대한 값 6.0221449(78)×1023−1 mol에 해당한다. 두 값 모두 1.3×10의−6 상대 표준 불확실성을 갖는다.

전자 질량 측정

실제로 원자질량 상수는 전자정지질량e m과 전자상대원자질량r A(e)로부터 결정된다(즉, 전자질량을 원자질량 [35]상수로 나눈 것).전자의 상대적인 원자 질량은 사이클로트론 실험에서 측정할 수 있는 반면, 전자의 나머지 질량은 다른 물리 상수로부터 얻을 수 있다.

여기서 c는 빛의 속도, h는 플랑크 상수, α는 미세 구조 상수, R은∞ Rydberg 상수이다.

아래 표의 이전 값(2014 CODATA)에서 알 수 있듯이, 아보가드로 상수의 정밀도에 대한 주요 제한 요인은 플랑크 상수 값의 불확실성이었다. 계산에 기여하는 다른 모든 상수가 더 정확하게 알려져 있었기 때문이다.

일정한 기호. 2014년 CODATA 값 상대표준불확도 N과의A 상관 계수
양성자-전자 질량비 mp/me 1836.15267389(17) 9.5×10−11 - 0.0003
몰 질량 상수 Mu 0.001 kg/g = 1 g/g 0(정의) —
리드버그 상수 R∞ 10973731.568508(65) m−1 5.9×10−12 −0.0002
플랑크 상수 h 6.626070040(81)×10J−34 1.2×10−8 −0.9993
빛의 속도 c 299792458 m/s 0(정의) —
미세 구조 상수 α 7.2973525664(17)×10−3 2.3×10−10 0.0193
아보가드로 상수 NA 6.022140857(74)×1023 mol−1 1.2×10−8 1

현재 정의된 보편 상수 값의 검정력은 아래 표(2018 CODATA)에서 이해할 수 있다.

일정한 기호. 2018년 CODATA[36] 값 상대표준불확도 N과의A 상관 계수
양성자-전자 질량비 mp/me 1836.15267343(11) 6.0×10−11 —
몰 질량 상수 Mu 0.9999999965(30)×10kg−3/kg 3.0×10−10 —
리드버그 상수 R∞ 10973731.568160(21)m−1 1.9×10−12 —
플랑크 상수 h 6.62607015×10−34 J 0(정의) —
빛의 속도 c 299792458 m/s 0(정의) —
미세 구조 상수 α 7.2973525693(11)×10−3 1.5×10−10 —
아보가드로 상수 NA 6.02214076×1023 mol−1 0(정의) —

X선 결정 밀도법

실리콘 단위 셀의 볼 앤 스틱 모델.X선 회절은 아보가드로 상수 값을 계산하는 데 사용되는 셀 파라미터 a를 측정합니다.

실리콘 단결정은 오늘날 매우 순도가 높고 격자 결함이 거의 없는 상업 시설에서 생산될 수 있습니다.이 방법에서는 아보가드로 상수를 원자 부피atom V에 대한 몰 부피 V의m 비율로 정의했다.

A t m {\ N_}} = { {{atom

어디에

  • m V l { V _ { \ { } = { V { \ { cell } } {
  • n은 부피cell V의 단위 셀당 원자의 수입니다.

실리콘의 단위 셀은 8개의 원자의 입방체 패킹 배열을 가지며, 단위 셀 부피는 [37]큐브의 한 변의 길이 a인 단일 단위 셀 매개변수를 결정함으로써 측정할 수 있다.2018년 실리콘용 CODATA 값은 5.431020511(89)×10m입니다−10.[38]

실제로 측정은 d(Si)로220 알려진 거리에서 수행되며, 이는 밀러 지수 {220}에 의해 나타나는 평면 사이의 거리로 a/θ8과 같다.

사용된 샘플의 동위원소 비례 조성을 측정하고 고려해야 한다.실리콘은 3개의 안정적인 동위원소(28Si, Si, Si)에서 발생하며, 그 비율의 자연변화가 측정의 다른 불확실성보다 크다.샘플 결정의 원자량r A는 3개의 핵종의 표준 원자량을 매우 정확하게 알고 있기 때문에 계산할 수 있다.이를 통해 시료의 측정된 밀도 θ와 함께 몰 부피m V를 결정할 수 있습니다.

여기서u M은 몰 질량 상수입니다.실리콘의 몰 부피에 대한 2018 CODATA 값은 1.205883199(60)×10mol이며−53−1, 상대 표준 불확도는 4−8.[39]9×10이다.

「 」를 참조해 주세요.

메모들

  1. ^ 괄호 안의 숫자는 불확실성을 나타냅니다.불확도 표기법을 참조해 주세요.

레퍼런스

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