Выбор атомной единицы массы (а.е.м., или дальтон, Da) как 1/12 массы атома углерода-12 (¹²C) — это результат исторического развития науки и стремления к универсальной, точной и удобной системе измерений в атомной и молекулярной физике и химии.
Почему именно углерод-12?
1. Исторический контекст
До введения атомной единицы массы равной 1/12 массы атома углерода в химии и физике использовали разные стандарты для атомной массы:
- химики использовали среднюю массу природного кислорода (с учётом всех его изотопов: ¹⁶O, ¹⁷O, ¹⁸O), принимая её за 16 а.е.м.
- физики использовали массу самого распространённого изотопа кислорода — ¹⁶O и тоже считали её равной 16 а.е.м.
В результате возникло расхождение между химической и физической шкалами атомных масс (разница ~0.0275%). Это создавало путаницу и затрудняло обмен данными между физиками и химиками.
2. Потребность в едином стандарте
В 1961 году Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC) и Международный союз чистой и прикладной физики (IUPAP) договорились перейти на единый стандарт — атом углерода-12, и определили:
1 а.е.м. = 1/12 массы покоя нейтрального атома углерода-12 в основном состоянии. Поэтому в периодической системе химических элементов масса атома углерода равна точно целому числу 12 а.е.м. Массы других атомов не являются целыми числами из-за того, что массы нуклонов, из которых они состоят, в свободном, вне атома, и связанном, в составе атома, состояниях отличаются на величину равной дефекту массы. При образовании ядра часть массы превращается в энергию связи по формуле Эйнштейна.
3. Почему углерод-12?
Углерод-12 был выбран по нескольким веским причинам:
- стабильность: ¹²C — стабильный изотоп, не подвержен радиоактивному распаду;
- широкое распространение: углерод — один из самых распространённых элементов в органической химии и биохимии;
- удобство в масс-спектрометрии: углерод-12 легко измеряется с высокой точностью в масс-спектрометрах, что важно для точного определения масс других атомов;
- целочисленные массы: многие лёгкие изотопы имеют массы, близкие к целым числам по шкале углерода-12 (например, ¹H ≈ 1.0078 а.е.м., ¹⁶O ≈ 15.995 а.е.м.), что упрощает расчёты;
- минимальное отклонение от старых шкал: переход на углерод-12 вызвал минимальные изменения по сравнению с предыдущими шкалами (в отличие от, скажем, водорода или кислорода).
4. Точность и воспроизводимость
Масса атома ¹²C может быть измерена с чрезвычайно высокой точностью. Это делает её идеальным эталоном для определения масс других частиц.
Атомная единица массы определена как 1/12 массы атома углерода-12, потому что это стабильный, легко измеримый изотоп, который позволяет создать универсальную, точную и удобную шкалу, совместимую с потребностями как химии, так и физики.
Это решение устранило расхождения между разными научными дисциплинами и стало международным стандартом, который используется до сих пор.