יחידת מסה אטומית מאוחדת

יחידת מסה אטומית מאוחדת (Unified atomic mass unit) (כונתה בעבר גם יחידת מסה אטומית, AMU או amu) היא יחידת מסה המשמשת למדידת המסות של אטומים ומולקולות. כינויה החלופי של היחידה, דלטון (Dalton, סימן: Da), הוא על שם ג'ון דלטון.

סימנה של היחידה הוא u. היא שווה בדיוק ל-¹⁄₁₂ ממסתו של אטום של האיזוטופ פחמן-12, אשר מכיל 6 פרוטונים, 6 נייטרונים ו-6 אלקטרונים. יחידת מסה אטומית מאוחדת אחת שווה למסה הממוצעת המשוקללת של הפרוטון, הנייטרון והאלקטרון, דהיינו, חצי מסת הפרוטון ועוד חצי מסת הנייטרון ועוד חצי מסת האלקטרון, בניכוי פער המסה (אנרגיית הקשר הגרעינית לנוקליאון) של פחמן-12. יחידת מסה אטומית מאוחדת שווה בדיוק 931.494102 MeV/c² או ‎1.660,539,066×10^-27‎ kg. ביחידות של מסה אטומית מאוחדת המסה של הפרוטון היא בקירוב 1 וכך המסה של הנייטרון, לכן כשידוע מספר הפרוטונים והנייטרונים באטום, ומאחר שמסת האלקטרונים קטנה בהרבה, אפשר לדעת בקירוב את מסתו האטומית.

יחידת מסה אטומית מאוחדת משמשת גם לציון מסה מולקולרית, שהיא המסה של מולקולה. לעיתים קרובות, מסתן של מולקולות גדולות, בפרט מולקולות אורגניות, מצוינת ביחידה של 1,000 u, המכונה גם קילודלטון (kDa). לדוגמה, מסת מולקולה של נוגדן מסוג IgG היא בערך 150 kDa. לאור גודלן של מולקולות אלו והעובדה שלעיתים הן אינן זהות זו לזו (כלומר, שתי מולקולות שונות של אותה תרכובת אורגנית עשויות שלא להכיל בדיוק את אותו הרכב של אטומים), הנתון עשוי להיות מקורב בלבד.

שינויים היסטוריים בהגדרת היחידה

ב-1805 מצא ג'ון דלטון כי לאטומים מסה קבועה ואופיינית, כאשר האטום הקטן ביותר – מימן – הוא בעל יחידת מסה אחת. בכך סתר דלטון תאוריה, שהייתה נפוצה מאז ימי יוון העתיקה, כי לכל האטומים מסה אחידה. פרנסיס אסטון, ממציא הספקטרומטריה של מסה, הגדיר מחדש בתחילת המאה ה-20 את יחידת המסה המולקולרית כ-¹⁄₁₆ מהמסה של האיזוטופ חמצן-16. עד 1961, יחידת המסה המולקולרית בה נעשה שימוש בתחום הפיזיקה הייתה החלק ה-16 ממסתו של האיזוטופ חמצן-16, בעוד יחידת המסה המולקולרית בה נעשה שימוש בתחום הכימיה הייתה החלק ה-16 ממסתו הממוצעת של אטום חמצן (תוך התחשבות בשכיחות של איזוטופים שונים של חמצן, בעלי מסות אטומיות שונות).

ב-1961 אומצה ההגדרה הנהוגה כיום: יחידת מסה אטומית מאוחדת היא החלק ה-12 ממסתו של אטום פחמן-12. אחד הטעמים לבחירת פחמן-12 למטרה זו הוא התפקיד שממלאים איזוטופים שונים של פחמן בתיארוך ממצאים ארכאולוגיים (פחמן-14 דועך לחנקן-14 עם זמן מחצית חיים של 5,730 ± 40 שנים).

המרה של מסה אטומית או מסה מולקולרית למסה מולרית

המסה האטומית או המסה המולקולרית של חומר, ביחידות מסה אטומית מאוחדת, שווה למסה המולרית של מול אחד של אותו חומר, בגרמים. שני הנתונים שווים בדיוק, לפי עצם הגדרתו של קבוע אבוגדרו: "מספר חלקיקים השווה למספר האטומים המצויים ב-12 גרמים של פחמן-12". מכיוון שהמסה האטומית של פחמן-12 היא בדיוק 12 u, גם זאת לפי הגדרה, מובן כי קיימת זהות בין המסה המולרית של חומר, ביחידות g/mol, לבין מסתו האטומית או מסתו המולקולרית ביחידות u.

לדוגמה, אם מסתה של מולקולה אחת היא 150 u, מסתו של מול אחד, כלומר, מספר אבוגדרו של מולקולות כאלו, היא 150 גרם, לפי החישוב:

150 × 6.022140857 × 10²³ × 1.66053904 × 10^-27 kg = 0.15 kg = 150 g

כאשר החומר הנמדד הוא מולקולה המכילה יותר מסוג אחד של אטום, יש לשקלל את שיעורי האטומים השונים שבתוך המולקולה כדי למצוא את מסתה המולקולרית והמולרית. לדוגמה, מים הם בעלי הנוסחה המולקולרית H₂O, כלומר, כל מולקולה מכילה שני אטומי מימן ועוד אטום חמצן. מכיוון שרוב היסודות מופיעים בטבע כתערובת של איזוטופים שונים, שלכל אחד מהם מספר מסה ומסה אטומית שונה, יש להשתמש בנתון של משקל אטומי, או מסה אטומית יחסית (relative atomic mass). המשקל האטומי של מימן הוא 1.00794 u. המשקל האטומי של חמצן הוא 15.9994 u. לפיכך, המסה המולקולרית של מים היא

2 × 1.00794 + 15.9994 = 18.01528 u

והמסה המולרית של מים היא 18.01528 g/mol.

ראו גם

• מספר אטומי (Z) – מספר הפרוטונים בגרעין של אטום מסוים; קובע את היסוד של האטום.
• מספר מסה (A) – מספר הנוקליאונים (פרוטונים ונייטרונים) בגרעין של אטום מסוים; קובע את האיזוטופ של האטום.
• מסה אטומית (m_a) – מסה של אטום מסוים; משתנה עם שינוי האיזוטופ; ניתנת למדידה ביחידות u.
• משקל אטומי או מסה אטומית יחסית (A_r) – המסה הממוצעת של אטום אחד של יסוד מסוים, לאחר שקלול שכיחותם היחסית של האיזוטופים השונים של היסוד, שלכל אחד מהם מסה אטומית שונה.
• מסה מולקולרית (m) – מסה של מולקולה מסוימת; ניתנת למדידה ביחידות u.
• מסה מולרית (M) – מסה של כמות נתונה של חלקיקים מסוימים; נמדדת ביחידות g/mol.