Дальтон (единица) - Dalton (unit)

Не путать с Атомные единицы Хартри.
Далтон
(единица атомной массы)
Система единицФизическая постоянная
(Принято к использованию с СИ )
Единицамасса
СимволДа или ты
Названный в честьДжон Далтон
Конверсии
1 Да или ты в ...... равно ...
   кг   1.66053906660(50)×10−27
   мты   1
   ме   1822.888486209(53)
   МэВ /c2   931.49410242(28)

В Далтон или единая атомная единица массы (символы: Да или ты) это единица измерения из масса широко используется в физике и химии. Он определяется как 1/12 массы несвязанный нейтральный атом углерод-12 в ядерной и электронной основное состояние и в состоянии покоя.[1][2] В постоянная атомной массы, обозначенный мты определяется идентично, давая мты = м(12C) / 12 = 1 Да.[3]

Этот блок обычно используется в физика и химия для выражения массы объектов атомного масштаба, таких как атомы, молекулы, и элементарные частицы как для дискретных экземпляров, так и для нескольких типов ансамблевых средних. Например, атом гелий-4 имеет массу 4,0026 Да. Это внутреннее свойство изотопа, и весь гелий-4 имеет одинаковую массу. Ацетилсалициловая кислота (аспирин), C
9ЧАС
8О
4, имеет среднюю массу примерно 180,157 Да. Однако молекул ацетилсалициловой кислоты с такой массой нет. Две наиболее распространенные массы индивидуальных молекул ацетилсалициловой кислоты: 180.04228 Да и 181.04565 Да.

В молекулярные массы из белки, нуклеиновых кислот, и другие крупные полимеры часто выражаются с помощью единиц килограмм дальтон (кДа), мега дальтон (МДа) и др.[4] Титин, один из крупнейших известных белки, имеет молекулярную массу от 3 до 3,7 мегадальтон.[5] ДНК хромосома 1 в человеческий геном насчитывает около 249 миллионов пар оснований, каждый со средней массой около 650 Да, или 156 ГДа Всего.[6]

В моль это единица количество вещества, широко используемый в химии и физике, который изначально был определен таким образом, что масса одного моля вещества, измеренная в граммах, будет численно равна средней массе одной из составляющих его частиц, измеренной в дальтонах. Это молярная масса химического соединения должно было быть численно равным его средней молекулярной массе. Например, средняя масса одной молекулы воды составляет около 18,0153 дальтон, а один моль воды составляет около 18,0153 грамма. Белок, молекула которого имеет среднюю массу 64 кДа имел бы молярную массу 64 кг / моль. Однако, хотя это равенство можно предполагать почти для всех практических целей, в настоящее время оно является лишь приблизительным, поскольку новое определение крота 20 мая 2019 г..[4][1]

В общем, масса атома в дальтонах численно близка, но не совсем равна количество нуклонов А содержится в ее ядро. Отсюда следует, что молярная масса соединения (граммы на моль) численно близка к среднему числу нуклонов, содержащихся в каждой молекуле. По определению масса атома углерод-12 составляет 12 дальтон, что соответствует количеству нуклонов, которое он имеет (6 протоны и 6 нейтроны ). Однако на массу объекта атомного масштаба влияет энергия связи нуклонов в его атомных ядрах, а также массу и энергию связи его электроны. Следовательно, это равенство выполняется только для атома углерода-12 в указанных условиях и будет отличаться для других веществ. Например, масса одного несвязанного атома обычного водород изотоп (водород-1, протий) есть 1.007825032241(94) Да, масса одного свободного нейтрона равна 1.00866491595(49) Да,[7] и масса одного водород-2 (дейтерий) атом 2.014101778114(122) Да.[8] В общем разница (массовый дефект ) менее 0,1%; исключения включают водород-1 (около 0,8%), гелий-3 (0.5%), литий (0,25%) и бериллий (0.15%).

Единую атомную единицу массы и дальтон не следует путать с единицей массы в системы атомных единиц, вместо этого масса покоя электрона (ме).

Эквиваленты энергии

Постоянную атомной массы также можно выразить как ее эквивалент энергии, это мтыc2. Рекомендуемые значения CODATA на 2018 год:

1.49241808560(45)×10−10 J[9]
931.49410242(28) МэВ[10]

В мегаэлектронвольт (МэВ) обычно используется как единица массы в физика элементарных частиц, и эти значения также важны для практического определения относительных масс атомов.

История

Происхождение концепции

Жан Перрен в 1926 году

Интерпретация закон определенных пропорций с точки зрения атомная теория материи подразумевает, что массы атомов различных элементов имеют определенные отношения, которые зависят от элементов. Хотя фактические массы были неизвестны, относительные массы можно было вывести из этого закона. В 1803 г. Джон Далтон предложил использовать (пока неизвестную) атомную массу самого легкого атома, атома водорода, в качестве естественной единицы атомной массы. Это было основой атомные весы.[11]

По техническим причинам в 1898 г. химик Вильгельм Оствальд и другие предложили переопределить единицу атомной массы как 1/16 массы атома кислорода.[12] Это предложение было официально принято Международный комитет по атомным весам (ICAW) в 1903 году. Это была примерно масса одного атома водорода, но кислород более поддается экспериментальному определению. Это предположение было сделано до открытия существования элементарных изотопов, которое произошло в 1912 году.[11] Такое же определение было принято в 1909 г. физиком. Жан Перрен в своих обширных экспериментах по определению атомных масс и постоянной Авогадро.[13] Это определение оставалось неизменным до 1961 года.[14][15] Перрин также определил «моль» как количество соединения, которое содержит столько молекул, сколько 32 грамма кислорода (О
2). Он назвал этот номер Число Авогадро в честь физика Амедео Авогадро.

Изотопные вариации

Открытие изотопов кислорода в 1929 году потребовало более точного определения единицы. К сожалению, вошли в употребление два различных определения. Химики предпочитают определять AMU как 1/16 средней массы атома кислорода, встречающейся в природе; то есть, среднее значение масс известных изотопов, взвешенное по их естественному содержанию. С другой стороны, физики определили его как 1/16 массы атома изотопа кислорода-16 (16О).[12]

Определение ИЮПАК

Существование двух разных единиц с одинаковым именем сбивало с толку, а разница (примерно 1.000282 в относительном выражении) был достаточно большим, чтобы повлиять на высокоточные измерения. Более того, было обнаружено, что изотопы кислорода имеют разное естественное содержание в воде и в воздухе. По этим и другим причинам в 1961 г. Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC), принявший ICAW, принял новое определение атомной единицы массы для использования как в физике, так и в химии; а именно 1/12 массы атома углерода-12. Это новое значение было промежуточным между двумя предыдущими определениями, но ближе к тому, которое использовали химики (которые больше всего пострадали от изменения).[11][12]

Новая единица была названа «единая атомная единица массы» и получила новый символ «u», чтобы заменить старый «аму», который использовался для кислородных единиц.[16] Однако после 1961 года старый символ «аму» иногда использовался для обозначения новой единицы, особенно в мирском и подготовительном контексте.

С этим новым определением стандартный атомный вес из углерод примерно 12,011 Да, а кислорода примерно 15,999 Да. Эти значения, обычно используемые в химии, основаны на средних значениях многих образцов из земной коры, его атмосфера, и органические материалы.

Принятие МБМВ

Определение единой атомной единицы массы ИЮПАК 1961 года с таким названием и символом «u» было принято Международное бюро мер и весов (BIPM) в 1971 году как единица, не относящаяся к системе СИ, принятая для использования с системой СИ.[17]

Дальтон

В 1993 году ИЮПАК предложил более короткое название «дальтон» (с символом «Да») для единой атомной единицы массы.[18][19] Как и в случае с другими названиями единиц, такими как ватт и ньютон, «дальтон» не пишется с заглавной буквы в английском языке, но его символ «Да» пишется с заглавной буквы. Название было одобрено Международный союз теоретической и прикладной физики (IUPAP) в 2005 году.[20]

В 2003 году это название было рекомендовано МБМВ Консультативный комитет по подразделениям, часть CIPM, так как он «короче и лучше работает с префиксами [SI]».[21] В 2006 году BIPM включил дальтон в свое 8-е издание официального определения SI.[22] Название было также указано как альтернатива «единая атомная единица массы» Международная организация по стандартизации в 2009.[23][24] Сейчас его рекомендуют несколько научных издателей,[25] и некоторые из них считают "атомную единицу массы" и "аму" устаревшими.[26] В 2019 году BIPM сохранил далтон в своем 9-м издании официального определения понятия SI при удалении единой атомной единицы массы из таблицы единицы, не относящиеся к системе СИ, принятые для использования с системой СИ, но во вторую очередь отмечает, что дальтон (Да) и единая атомная единица массы (u) являются альтернативными названиями (и символами) для одной и той же единицы.[1]

Предложение

В 2012 году было внесено предложение переопределить дальтон (и, предположительно, единую атомную единицу массы) как 1 /N граммов, тем самым разорвав связь с 12C. Это означало бы изменения атомных масс всех элементов, выраженные в дальтонах, но это изменение было бы слишком маленьким, чтобы иметь практический эффект.[27]

2019 новое определение базовых единиц СИ

На определение дальтона не повлияли Новое определение базовых единиц СИ в 2019 году,[28][29][1] то есть 1 Да в СИ по-прежнему составляет 1/12 массы атома углерода-12, количество, которое должно быть определено экспериментально в единицах СИ. Однако определение моль было изменено на количество вещества, состоящего ровно из 6.02214076×1023 сущностей и определение килограмма. Как следствие, постоянная молярной массы больше не равно 1 г / моль, а это означает, что количество граммов в массе одного моля любого вещества больше не равно количеству дальтонов в его средней молекулярной массе.[30]

Измерение

Хотя относительные атомные массы определены для нейтральных атомов, они измеряются ( масс-спектрометрии ) для ионов: следовательно, в измеренные значения необходимо внести поправку на массу электронов, которые были удалены для образования ионов, а также на массовый эквивалент энергия связи электрона, Eб/мтыc2. Полная энергия связи шести электронов в атоме углерода-12 составляет 1030,1089 эВ = 1.650 4163×10−16 J: Eб/мтыc2 = 1.105 8674×10−6, или примерно одну десятую часть массы атома.[31]

До переопределения единиц СИ в 2019 г. проводились эксперименты по определению ценности Константа Авогадро для нахождения значения единой атомной единицы массы.

Йозеф Лошмидт

Йозеф Лошмидт

Достаточно точное значение атомной единицы массы было впервые получено косвенно Йозеф Лошмидт в 1865 г., оценив количество частиц в данном объеме газа.[32]

Жан Перрен

Перрин оценил число Авогадро различными методами на рубеже 20-го века. Награжден орденом 1926 г. Нобелевская премия по физике, в основном для этой работы.[33]

Кулонометрия

Электрический заряд на моль электронов - это константа, называемая Постоянная Фарадея, стоимость которого была известна с 1834 г., когда Майкл Фарадей опубликовано его работы по электролизу. В 1910 г. Роберт Милликен получил первое измерение заряд на электроне, е. Частное F/е предоставил оценку числа Авогадро.[34]

Классический эксперимент - это эксперимент Бауэра и Дэвиса в NIST,[35] и полагается на растворение Серебряный металл подальше от анод из электролиз ячейка, передавая константу электрический ток я в течение известного времени т. Если м - масса серебра, потерянного на аноде, и Ар атомный вес серебра, то постоянная Фарадея определяется как:

Ученые NIST разработали метод компенсации потерь серебра из анода по механическим причинам и провели исследование. изотопный анализ серебра, использованного для определения его атомного веса. Их значение для обычной постоянной Фарадея было F90 = 964850,39 (13) Кл / моль, что соответствует значению постоянной Авогадро 6.0221449(78)×1023 моль−1: оба значения имеют относительную стандартную неопределенность 1.3×10−6.

Измерение массы электронов

На практике постоянная атомной массы определяется из масса покоя электрона ме и относительная атомная масса электрона Ар(e) (то есть масса электрона, деленная на атомную постоянную массы).[36] Относительную атомную массу электрона можно измерить в циклотрон эксперименты, в то время как масса покоя электрона может быть получена из других физических констант.

где c это скорость света, час это Постоянная Планка, α это постоянная тонкой структуры, и р∞ это Постоянная Ридберга.

Как видно из старых значений (CODATA 2014 г.) в таблице ниже, основным ограничивающим фактором точности постоянной Авогадро была неопределенность в значении Постоянная Планка, поскольку все остальные константы, участвующие в расчетах, были известны более точно.

ПостоянныйСимвол2014 CODATA ценностиОтносительная стандартная неопределенностьКоэффициент корреляции

с участием NА

Отношение масс протона к электронумп/ме1836.152 673 89(17)9.5×10–11−0.0003
Постоянная молярной массыMты0,001 кг / моль = 1 г / моль0 (определено) —
Постоянная Ридбергар∞10 973 731,568 508 (65) м−15.9×10–12−0.0002
Постоянная Планкачас6.626 070 040(81)×10–34 J s1.2×10–8−0.9993
Скорость светаc299 792 458 м / с0 (определено) —
Постоянная тонкой структурыα7.297 352 5664(17)×10–32.3×10–100.0193
Константа АвогадроNА6.022 140 857(74)×1023 моль−11.2×10–81

Сила текущие значения универсальных констант можно понять из таблицы ниже (2018 CODATA).

ПостоянныйСимвол2018 CODATA ценности[37]Относительная стандартная неопределенностьКоэффициент корреляции
с участием NА
Отношение масс протона к электронумп/ме1836.152 673 43(11)6.0×10–11 —
Постоянная молярной массыMты0.999 999 999 65(30)×10–3 кг / моль3.0×10–10 —
Постоянная Ридбергар∞10 973 731,568 160 (21) м−11.9×10–12 —
Постоянная Планкачас6.626 070 15×10–34 J s0 (определено) —
Скорость светаc299 792 458 м / с0 (определено) —
Постоянная тонкой структурыα7.297 352 5693(11)×10–31.5×10–10 —
Константа АвогадроNА6.022 140 76×1023 моль−10 (определено) —

Методы рентгеновской плотности кристаллов

Шариковая модель из ячейка из кремний. Рентгеновская дифракция измеряет параметр ячейки, а, который используется для вычисления значения постоянной Авогадро.

Кремний Сегодня монокристаллы могут изготавливаться на промышленных предприятиях с очень высокой чистотой и небольшим количеством дефектов решетки. Этот метод определил постоянную Авогадро как отношение молярный объем, Vм, к атомному объему Vатом:

, где и п число атомов в элементарной ячейке объема Vячейка.

Элементарная ячейка кремния имеет кубическую упаковку из 8 атомов, и объем элементарной ячейки может быть измерен путем определения одного параметра элементарной ячейки, длины а одной из сторон куба.[38] Значение CODATA в 2018 г. а для кремния 5.431020511(89)×10−10 м.[39]

На практике измерения проводятся на расстоянии, известном как d220(Si), которое представляет собой расстояние между плоскостями, обозначенное Индексы Миллера {220}, и равно а/√8.

В изотоп пропорциональный состав используемого образца должен быть измерен и принят во внимание. Кремний встречается в трех стабильных изотопах (28Si, 29Si, 30Si), а естественное изменение их пропорций больше других погрешностей измерений. В атомный вес Ар для образца кристалла можно рассчитать как стандартные атомные веса из трех нуклиды известны с большой точностью. Это вместе с измеренными плотность ρ образца, позволяет молярный объем Vм быть определенным:

где Mты постоянная молярной массы. Значение CODATA 2018 для молярного объема кремния составляет 1.205883199(60)×10−5 м3⋅mol−1, с относительной стандартной неопределенностью 4.9×10−8.[40]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б c d Международное бюро Poids et Mesures (2019 г.): Международная система единиц (СИ), 9-е издание, английская версия, стр. 134. Доступно на Сайт МБМВ.
  2. ^ ИЮПАК, Сборник химической терминологии 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) "постоянная атомной массы ". Дои:10.1351 / goldbook.A00497
  3. ^ Барри Н. Тейлор (2009). «Молярная масса и связанные с ней величины в Новой СИ». Метрология. 46 (3): L16 – L19. Дои:10.1088 / 0026-1394 / 46/3 / L01.
  4. ^ а б Берг, Джереми М .; Тимочко, Джон Л .; Страйер, Люберт (2007). «2». Биохимия (6-е изд.). п.35. ISBN  978-0-7167-8724-2.
  5. ^ Opitz CA, Кульке М, Leake MC, Neagoe C, Hinssen H, Hajjar RJ, Linke WA (октябрь 2003 г.). «Демпфированная упругая отдача тайтиновой пружины в миофибриллах миокарда человека». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 100 (22): 12688–93. Bibcode:2003PNAS..10012688O. Дои:10.1073 / pnas.2133733100. ЧВК  240679. PMID  14563922.
  6. ^ Комплексные ДНК-технологии (2011 г.): "Молекулярные факты и цифры ". Статья о Веб-сайт IDT, раздел поддержки и обучения, по состоянию на 08.07.2019.
  7. ^ «2018 CODATA Value: масса нейтрона в единицах измерения». Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности. NIST. 20 мая 2019. Получено 2020-06-24.
  8. ^ Мэн Ван, Г. Audi, F.G. Кондев, У. Дж. Хуанг, С. Наими и Син Сюй (2017): «Оценка атомной массы Ame2016 (II). Таблицы, графики и ссылки». Китайская физика C, том 41, выпуск 3, статья 030003, страницы 1-441. Дои:10.1088/1674-1137/41/3/030003
  9. ^ «Значение CODATA 2018: эквивалент энергии атомной массы в постоянной энергии». Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности. NIST. 20 мая 2019. Получено 2019-07-21.
  10. ^ «2018 CODATA Value: эквивалент энергии постоянной атомной массы в МэВ». Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности. NIST. 20 мая 2019. Получено 2019-07-21.
  11. ^ а б c Петли, Б. В. (1989). «Атомная единица массы». IEEE Trans. Instrum. Meas. 38 (2): 175–179. Дои:10.1109/19.192268.
  12. ^ а б c Холден, Норман Э. (2004). «Атомный вес и Международный комитет - исторический обзор». Chemistry International. 26 (1): 4–7.
  13. ^ Перрин, Жан (1909). "Движение коричневого и революционного человека". Annales de Chimie et de Physique. 8е Сери. 18: 1–114. Выписка на английском языке, перевод Фредерика Содди.
  14. ^ Чанг, Раймонд (2005). Физическая химия для биологических наук. п. 5. ISBN  978-1-891389-33-7.
  15. ^ Kelter, Paul B .; Мошер, Майкл Д .; Скотт, Эндрю (2008). Химия: практическая наука. 10. п. 60. ISBN  978-0-547-05393-6.
  16. ^ ИЮПАК, Сборник химической терминологии 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) "единая атомная единица массы ". Дои:10.1351 / goldbook.U06554
  17. ^ Международное бюро Poids et Mesures (1971): 14-я конференция Générale des Poids et Mesures Доступно на Сайт МБМВ.
  18. ^ Миллс, Ян; Цвиташ, Томислав; Хоманн, Клаус; Каллай, Никола; Кучицу, Козо (1993). Количества, единицы и символы в физической химии Международный союз теоретической и прикладной химии; Отделение физической химии (2-е изд.). Международный союз теоретической и прикладной химии, опубликованный для них компанией Blackwell Science Ltd. ISBN  978-0-632-03583-0.
  19. ^ ИЮПАК, Сборник химической терминологии 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) "Далтон ". Дои:10.1351 / goldbook.D01514
  20. ^ «IUPAP: C2: Отчет 2005». Получено 2018-07-15.
  21. ^ «Консультативный комитет по единицам (CCU); Отчет 15-го заседания (17–18 апреля 2003 г.) Международному комитету мер и весов» (PDF). Получено 14 августа 2010.
  22. ^ Международное бюро мер и весов (2006), Международная система единиц (СИ) (PDF) (8-е изд.), Стр. 114–15, ISBN  92-822-2213-6, в архиве (PDF) из оригинала на 2017-08-14
  23. ^ Международный стандарт ISO 80000-1: 2009 - Величины и единицы - Часть 1: Общие. Международная организация по стандартизации. 2009 г.
  24. ^ Международный стандарт ISO 80000-10: 2009 - Величины и единицы - Часть 10: Атомная и ядерная физика, Международная организация по стандартизации, 2009 г.
  25. ^ «Инструкции для авторов». Растения AoB. Оксфордские журналы; Oxford University Press. Получено 2010-08-22.
  26. ^ «Правила для авторов». Быстрые коммуникации в масс-спектрометрии. Вили-Блэквелл. 2010 г.
  27. ^ Леонард, Б. П. (2012). «Почему дальтон нужно переопределять именно в килограммах». Метрология. 49 (4): 487–491. Bibcode:2012Метро..49..487л. Дои:10.1088/0026-1394/49/4/487.
  28. ^ Международное бюро мер и весов (2017 г.): Материалы 106-го заседания Международного комитета мер и весов (CIPM), 16-17 и 20 октября 2017 г., стр. 23. Доступно на Сайт МБМВ.
  29. ^ Международное бюро мер и весов (2018 г.): Принятые резолюции - 26-я Générale des Poids et Mesures. Доступно на Сайт МБМВ.
  30. ^ Lehmann, H.P .; Fuentes-Arderiu, X .; Бертелло, Л. Ф. (29 февраля 2016 г.). «Единая атомная единица массы». Дои:10.1515 / iupac.68.2930. Цитировать журнал требует | журнал = (Помогите)
  31. ^ Мор, Питер Дж .; Тейлор, Барри Н. (2005). "CODATA рекомендуемые значения фундаментальных физических констант: 2002 г." (PDF). Обзоры современной физики. 77 (1): 1–107. Bibcode:2005РвМП ... 77 .... 1М. Дои:10.1103 / RevModPhys.77.1. Архивировано из оригинал (PDF) на 2017-10-01.
  32. ^ Лошмидт, Дж. (1865). "Zur Grösse der Luftmoleküle". Sitzungsberichte der Kaiserlichen Akademie der Wissenschaften Wien. 52 (2): 395–413. английский перевод.
  33. ^ Осеен, К. (10 декабря 1926 г.). Выступление с докладом на присуждение Нобелевской премии по физике 1926 г..
  34. ^ (1974): Введение в константы для неспециалистов, 1900–1920 гг. От Британская энциклопедия, 15-е издание; воспроизведено NIST. Доступно 3 июля 2019 г.
  35. ^ Этот аккаунт основан на обзоре в Мор, Питер Дж .; Тейлор, Барри Н. (1999). "CODATA рекомендуемые значения фундаментальных физических констант: 1998 г." (PDF). Журнал физических и химических справочных данных. 28 (6): 1713–1852. Bibcode:1999JPCRD..28.1713M. Дои:10.1063/1.556049. Архивировано из оригинал (PDF) на 2017-10-01.
  36. ^ Мор, Питер Дж .; Тейлор, Барри Н. (1999). "CODATA рекомендуемые значения фундаментальных физических констант: 1998 г." (PDF). Журнал физических и химических справочных данных. 28 (6): 1713–1852. Bibcode:1999JPCRD..28.1713M. Дои:10.1063/1.556049. Архивировано из оригинал (PDF) на 2017-10-01.
  37. ^ 2018, рекомендуемые значения CODATA. «НИСТ». Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности.CS1 maint: числовые имена: список авторов (ссылка на сайт)
  38. ^ База данных по минералогии (2000–2005 гг.). «Формула элементарной ячейки». Получено 2007-12-09.
  39. ^ «2018 CODATA Value: параметр решетки кремния». Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности. NIST. 20 мая 2019. Получено 2019-08-23.
  40. ^ «2018 CODATA Значение: молярный объем кремния». Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности. NIST. 20 мая 2019. Получено 2019-08-23.

внешние ссылки