原子質量単位について

質問

陽子と中性子の合計が12個の炭素原子1個のの重さを12として、これをの12分の1を単位とする、質量の単位を原子質量単位というそうですが、これを基準にした単位を見ていくと、中性子数0の水素が1.008中性子数1の水素が2.014と表記されているのですが、なぜ、中性子数0で、陽子が1つの水素とかで、質量の表記が1とかのように、整数表示されないのでしょうか？

どなたかご回答お願いします。

回答No.3

ht1914 · ベストアンサー

高校生ですか、大学生ですか。化学、物理をを習い始めた高校生のつもりで書くことにします。
普通の化学反応を考える限り、原子量は水素１．０、炭素１２．０、窒素１４．０、酸素１６．０としてかまいません。小数点下第２位の数字が問題になる場面はありません。これは陽子と中性子の質量の違いを問題にしていないということになります。水素の中性子１つの同位体の原子質量は２．０、中性子２つの同位体の原子質量は３．０となります。教科書で習った質量数がそのまま原子質量になるのです。同位体の存在比から原子量を求める計算もこれで充分です。
ところが化学の教科書の原子量の表の中には１．００８という値が載っています。これは国際会議で決めた値です。化学の分野ではここまでの精度で取り扱ってもいいだろうという数字です。これ以上の精度は同位体の存在比その他で信頼性がないということになります。化学は必ず原子や分子の集合体で考えますからこうなります。物理の分野になると個々の原子や分子を扱う場面がありますのでもっと精度が必要になる場合があります。理科年表などにはそういう数値が載っています。原子質量には同位体の存在比が関係しませんのでの測定された一番精度の高い数字が載っています。表を見ると小数点下第８位まで示されているのももあれば第５位までしか示されていないものもあります。

水素に戻ります。

表で見ると質量数１、２の水素の原子質量はそれぞれ１．００７８２５、２．０１４１０２です。中性子の質量数は１．００８６６５です。これが不思議だったのだと思います。なぜ陽子、中性子の原子質量が１ではないのかということですね。この数字で見ると他にも疑問が出てくるでしょう。質量数１の水素の原子質量に中性子の原子質量を加えてみてください。和は２．０１４４９０となります。質量数２の水素の原子質量よりも大きくなるでしょう。さらにです。質量数１２の炭素の中には陽子が６個、中性子が６個入っています。質量数２の水素を６倍すると同じになりそうですね。でも２．０１４×６＝１２．０８４＞１２です。質量数４のＨｅの原子質量は４．００２６０です。この場合も不思議ですね。２．０１４×２＞４．００２６、４．００２６×３＞１２です。もう分かりましたか。原子核の質量は陽子と中性子が別々に存在しているときの質量を足したものよりも小さくなっているのです。原子の世界では特別なことが起こります。質量の足し算が成り立たなくなります。これを質量欠損と呼んでいます。ここにアインシュタインが関係してきます。有名なＥ＝ｍｃ＾２という式は質量がエネルギーに移り変わるという、普通では想像できないことを主張しています。質量が減ったということはよりエネルギーの低い状態に移ったということです。原子核の中で陽子、中性子が結びついてよりエネルギーの低い状態に移ったということを表しますのでこの質量の差が結合エネルギーの大きさを表すことになります。これらの原子は少々のことでは壊れません。非常に安定なのです。でもこれは近くに持っていけばドンドンくっついてしまうという意味ではありません。途中のエネルギーの大きなハードルを越えないとエネルギーの低い結合状態には移れないのです。（これは化学反応でも同じですね。水素と酸素を反応させると水が出来てエネルギーを放出します。でも水素ガスと酸素ガスを混ぜただけでは反応が起こりません。火を付けてやらないと駄目です。化学反応に伴うエネルギーと原子核の結合に伴うエネルギー、考え方は似ていますが大きさがまるで違います。化学反応のエネルギーでは原子核反応を起こすことは出来ません。）
質量欠損、原子核反応等の言葉を手がかりにして調べてみて下さい。色々分かります。

高校の物理の教科書ではIIの範囲かもしれません。

手元に理科年表を一冊置いておくといいですよ。自分で本を読んで調べたり、考えたりするときに役に立ちます。

＃１の方の回答は原子量が整数からずれる理由ですのであなたの疑問には答えていないだろうと思います。

お礼

ht1914さん、長々と、親切な説明ありがとうございました(⌒▽⌒*)

早速、質量欠損と原子核反応というキーワードでググってみたいと思います(*´∇｀*)

回答No.2

liar_adan

実際に重さが変わっているのです。

原子核の構造によって、核の中の力(核力)に差が生じ、
それが質量に影響を与えて重さが変わります。
エネルギー－質量の式E=mc^2が関係しています。
この辺は量子力学の領域になるので、
詳しい説明はできませんが…。

原子番号が中くらいの原子より、小さい原子、大きい原子の方が、
陽子1個あたりの重さが重くなります。
それを応用したのが、「核融合」「核分裂」です。
小さな元素を中くらいの元素に変える、もしくは
大きな元素を中くらいの元素に変えることで、
核の総重量が変わるため、それがE=mc^2によって
エネルギーになります。
(詳しい人の説明を求めます)

お礼

liar_adanさん、回答どうもありがとうございました(⌒▽⌒*)

回答No.1

ytrewq

原子には原子核の中性子数が異なるものがあり、同位体と呼ばれます。
同位体は質量数が違いますが、化学的性質はほとんど同じです。
原子量はある原子において、同位体を含めた平均質量なので、整数になりません。
例えば、炭素の場合は３種類の同位体(12C,13C,14C)が存在し、その比率は0.99, 0.01, 1.2×10^-12で質量の平均をとれば、12.01になります。

お礼

回答どうもありがとうございます。

ただ、それだと、基準の値が少し高くなるということなので、整数値が出ないことは分かりますが、中性子数0の水素の重さが1.008uで、中性子数1の水素の重さが2.014uとなっており、陽子と中性子の重さが等しいのであれば、中性子数1の水素は2.016u、四捨五入を考慮したとしても、2.015uとは何故ならないんでしょうか？

また、教科書には、12Cを基準にするとの記載があり、他の原子量は小数点第3位まで、記載があるのに対し、12Cにおいては、12と整数値で表記されているのですが、これはどういったことでしょうか？