酸素原子２個と酸素分子１個はどちらが軽いのでしょうか

質問

酸素原子２個と酸素分子１個はどちらが軽いのでしょうか？

　１個の中性子と１個陽子の質量を別々に測ったものを足し合わせた数字と重水素の原子核の質量は違うという話を聞いたことがあります。
ここでも同様なことが起こりうるのでしょうか。
それともまったく同じ値になるのでしょうか。
考えていたらよくわからなくなったので誰か助けてください。

回答No.1

sanori · ベストアンサー

こんばんは。

＞＞＞
１個の中性子と１個陽子の質量を別々に測ったものを足し合わせた数字と重水素の原子核の質量は違うという話を聞いたことがあります。
ここでも同様なことが起こりうるのでしょうか。

そのとおりです。
酸素原子２個よりも酸素分子２個のほうが僅かに軽いです。

質量欠損というのは、とかく核力だけに特有の現象だと誤解している人は多く、
大学で核力を学んだ私でさえ、その一人でした。
卒業後に知ったことですが、
化学ポテンシャルについても、エネルギーが小さいものほど質量欠損が大きくなります。
核力に比べれば程度が非常に小さいので、話題に上らないだけなんですね。

以上、ご参考になりましたら。

お礼

この疑問は、友達と話しているときに気になったことで、私も誤解していた一人だったようです。もっと勉強します！
大変すっきりしました！

ありがとうございます。

回答No.3

debukuro

原子が結合して分子になると質量の一部が結語エネルギーとして使われるのでわずかは質量に欠損が生じるはずです

回答No.2

htms42

こういうのはやはり、大体の大きさを当たってみないと分からないでしょう。

気体の酸素といった時、酸素は原子ではなくて分子で存在しています。酸素は原子としてバラバラにいる時よりも２つくっついう方が安定だということです。安定であるというのはエネルギーが低いということです。このエネルギーの下がり方は化学結合エネルギーといいます。原子核の結合エネルギーと混乱の可能性のない場合は単に結合エネルギーといいます。化学結合を扱っている化学の教科書には値が載っているはずです。
今手元にある教科書を見てみると酸素の結合エネルギーは原子１mol当たり２４９kJとありました。

エネルギーと質量が同値であるというアインシュタインの式に当てはめて考えるとエネルギーが減った分だけ質量が小さくなっています。
酸素原子１molの質量は１６ｇです。
光速度をＣ＝３×１０^(8)m/sとします。
２４９ｋJに相当する質量は
Δｍ＝２４９×１０^3／(３×１０^(8))^2
　＝２．８×１０^(-12)ｋｇ
　＝２・８×１０^(-9)ｇ
Δｍ／ｍ＝１．７×１０^(-9)
１０億分の１です。

重水素の場合を考えて見ます。
質量数１の水素原子の質量＋中性子の質量と重水素原子の質量を比べてみると質量の減少は重水素の質量の０．１５％ほどになります。

重水素を２つくっつけてヘリウムにしたとします。
この場合は(２×２．０１４１－４．００２６)/２．０１４≒０．０１３になります。１．３％です。

桁違いの大きさです。

電子１つと陽子１つを電気的な引力でくっつけると水素原子になります。原子１つにつき１３．６ｅＶ＝１３．６×１．６×１０^(-19)Ｊのエネルギー低下です。

電子１つを無理に陽子にめり込ませると中性子になります。この場合の質量変化はかなり大きいです。

こういう計算に必要な数値は理科年表に載っています