Атомная масса

Понятие атомной единицы массы

Масса является ключевым параметром, характеризующим любой атом и химический элемент в целом. Однако использовать привычные макроскопические граммы для описания одиночных микрочастиц крайне неудобно. Поэтому был введен специальный эталон — атомная единица массы (а.е.м.). В современной химической и биомедицинской литературе эту единицу все чаще обозначают термином дальтон (сокращенно — Да).

По международному соглашению, один дальтон принят равным точно $1/12$ части массы самого распространенного изотопа углерода.

Интересно, что средняя атомная масса природного углерода составляет не ровно 12, а немного превышает это значение, достигая $12,011$. Данное отклонение обусловлено тем, что в естественной среде углерод существует в виде смеси, включающей примеси более тяжелых изотопов. Несмотря на это, для абсолютного большинства химических элементов характерна целочисленность: их атомные массы предельно близки к целым числам, что напрямую вытекает из особенностей внутреннего строения атомов.

Относительная атомная масса

На практике при проведении расчетов оперируют понятием относительной атомной массы, которая обозначается символом $A_r$.

По определению, эта величина показывает отношение реальной массы конкретного атома к стандартизированной атомной единице массы. Математически это выглядит как деление истинной массы частицы ($m_a$) на $1 \text{ а.е.м.}$

Главная особенность $A_r$ заключается в том, что это безразмерная величина. У нее нет единиц измерения, в отличие от истинной массы, которая выражается в граммах или дальтонах. При этом числовое значение $A_r$ полностью совпадает со значением атомной массы элемента. Именно из-за этого численного равенства в повседневной лабораторной практике термины «атомная масса» и «относительная атомная масса» очень часто применяются как синонимы.

Связь микромира и макромира

Чтобы беспрепятственно переходить от реальных масс веществ, взвешенных на весах (в граммах), к массам отдельных частиц (в а.е.м.) и количеству этих частиц, применяются строгие константы.

• Для перевода макроскопических масс в микроскопические: в одном грамме вещества содержится ровно $6,02 \cdot 10^{23} \text{ а.е.м.}$
• Для перевода микроскопических масс в макроскопические: одна атомная единица массы эквивалентна $1,66 \cdot 10^{-24} \text{ г}$.

Эти базовые математические соотношения открывают путь к расчету точного количества атомов в любых порциях препаратов.

Масштаб атомного мира: мысленный эксперимент

Чтобы в полной мере осознать, насколько малы массы одиночных атомов, можно провести теоретический расчет с гелием (He). Представим ситуацию: мы берем всего 4 грамма этого вещества и равномерно распределяем его в нижнем слое земной атмосферы толщиной ровно 1 километр над всей поверхностью планеты. Наша задача — оценить число атомов гелия в одном литре такого сильно разведенного воздуха.

Алгоритм расчета выглядит следующим образом:

1. Сперва переведем исходную массу в микроскопические единицы: умножаем 4 грамма на константу $6,02 \cdot 10^{23}$. Получаем общую массу $24,08 \cdot 10^{23} \text{ а.е.м.}$
2. Зная, что масса одного атома гелия составляет примерно $4 \text{ а.е.м.}$, делим общую массу на массу одной частицы. Выходит, что в нашей порции ровно $6,02 \cdot 10^{23}$ атомов.
3. Учитывая площадь поверхности Земли ($5,10 \cdot 10^8 \text{ км}^2$), вычисляем объем километрового атмосферного слоя и переводим его в литры. Результат — $5,10 \cdot 10^{20} \text{ л}$.
4. Делим общее число частиц на вычисленный объем атмосферы. Получаем концентрацию: приблизительно $1180$ атомов в каждом литре воздуха.

Этот пример наглядно демонстрирует фундаментальный факт: даже ничтожно малые по массе порции вещества содержат в себе колоссальное количество атомов, так как масса каждого отдельного атома предельно мала.

Вопросы с занятий и экзамена

Что ещё разобрать по теме

• Изотопы и их влияние на атомную массу элементов
• Расчет средней атомной массы для смесей изотопов
• Число Авогадро и его связь с переходом масс
• Внутреннее строение атома, определяющее его массу

Другие темы раздела «Глава 1. Вещества. Свойства и структура»

Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.