原子質量

原子、およびそれらを構成する陽子、中性子、および電子は非常に小さいです。 たとえば、炭素原子の重量は 2 × 10 ^{− 23} g 未満です。 原子のような小さな物体の特性を記述する際には、原子質量単位（ amu ）などの適切な測定単位を使用します。 amu は最初に水素、最も軽い要素に基づいて定義され、次に酸素によって定義されました。 1961 年以降では、炭素の最も豊富な同位体に基づいて定義されており、原子には 12 amu の質量が割り当てられています。 従って、 1 つの amu は炭素 -12 原子の質量のちょうど 1/12 です :1 amu = 1.6605 × 10 ^{− 24} g ダルトン（ Da ）と統一原子質量単位（ u ）は、 amu に相当する代替単位です。  

各陽子と各中性子は原子の質量に約 1 つの amu を与え、各電子の寄与ははるかに少ないため、 1 つの原子の原子質量はその質量数（原子の陽子と中性子の総数）とほぼ等しくなります。 例えば、 1 つの窒素原子の質量数は 14 （ 7 陽子 + 7 中性子）です。 しかし、ほとんどの元素の平均原子質量は整数ではありません。これは、ほとんどの元素が 2 つ以上の同位体の混合物として自然に存在するためです。 同位体とは、同じ陽子番号を持つ同じ元素の原子で、中性子の数が異なります。 周期表または原子質量の表に示されている元素の質量は、その元素の自然発生した試料に存在するすべての同位体の加重平均質量です。 平均質量は、個々の同位体質量の合計に、その部分存在比を掛けた値と等しくなります。

例えば、塩素（原子番号 17 ）は ³⁵Cl と ³⁷Cl の 2 つの同位体で構成されています。 全塩素原子の約 75.78% は ³⁵ Clで、質量は 34.969 amu 、残りの 24.22% は ³⁷Cl で、質量は 36.966 amu です。 塩素の平均原子質量は次のように計算されます。

単一の塩素原子の重さがちょうど 35.45 amu であるものはないということを理解することは重要です ; この値はすべての塩素原子の平均質量であり、個々の塩素原子の重量はだいたい 35 amu か 37 amu のどちらかです。 また、自然に発生する塩素には ³⁷Cl 原子より ³⁵Cl 原子が多く含まれているため、塩素の加重平均質量は 37 amu よりも 35 amu に近い値になっています。

同位体の発生と自然に存在する量は、質量分析計と呼ばれる装置を使用して実験的に測定できます。 質量分析（ MS ）は、化学、法医学、医学、環境科学などの多くの分野で広く使用されており、物質試料中の物質を分析して同定するのに役立ちます。 一般的な質量分析計では、試料は気化され、高エネルギー電子ビームにさらされます。これにより、試料中の原子や分子が電気的に帯電し、通常は 1 つまたは複数の電子が失われます。 これらの陽イオンは、各陽イオンの質量と電荷の大きさに依存して進路が偏向する可変磁場を通過します。 最後に、イオンが検出され、生成されたイオンの相対数と質量対電荷比（質量スペクトル）のプロットが作成されます。 質量スペクトルの各垂直方向の特徴またはピークの高さは、指定された質量対電荷比を持つ陽イオンの割合に比例します。 現代原子理論の開発で初めて利用されて以来、 MS は、幅広い用途で化学分析のための強力なツールへと進化してきました。

Openstax Chemistry 2e 、第 2.3 節： Atomic Structure and Symbolism から引用したテキスト。