원자 질량

3. 유사 용어 및 부연 설명

상대 동위 원소 질량은 탄소-12(¹²C) 원자의 질량을 12로 정했을 때, 다른 동위 원소의 상대적인 질량을 나타낸다. 상대 동위 원소 질량은 원자 질량이 원자 질량 단위(u)로 표시될 때와 같은 값을 가지지만, 단위가 없는 순수한 숫자라는 점이 다르다. 이는 ¹²C를 기준으로 비율을 나타내기 때문이다. 예를 들어 ¹²C 원자의 상대 동위 원소 질량은 정확히 12이다. 반면 ¹²C 원자의 원자 질량은 12 u 또는 12 Da(달톤)으로 표현할 수 있다.¹²C 이외의 핵종은 상대 동위 원소 질량이 정수가 아니지만, 항상 정수에 가까운 값을 가진다. 원자 질량과 상대 동위 원소 질량은 혼동하기 쉽고, 때로는 잘못 사용되기도 한다. 상대 원자 질량(원자량) 또는 표준 원자량과 혼동될 수 있는데, 이들은 단일 핵종 원소가 아닌 원소 표본의 동위 원소 존재비를 고려한 평균값이다.

원자 질량은 한 번에 하나의 동위 원소 또는 핵종의 질량을 의미하며, 존재비에 대한 가중 평균이 아니다. 따라서 각 동위 원소나 핵종의 원자 질량 또는 상대 동위 원소 질량은 매우 정밀하게 측정할 수 있다. 예를 들어, 산소-16(¹⁶O)의 모든 원자는 서로 정확히 동일한 원자 질량을 가질 것으로 예상된다.

단일 핵종 원소이거나 하나의 주요 동위 원소를 갖는 원소의 경우, 가장 일반적인 동위 원소의 원자 질량과 (표준) 상대 원자 질량 또는 (표준) 원자량의 차이는 매우 작거나 없을 수 있다. 그러나 여러 동위 원소를 갖는 원소의 경우, 상대 동위 원소 질량과 상대 원자 질량(원자량)의 차이는 클 수 있다. 예를 들어, 염소의 원자량과 표준 원자량은 약 35.45이다.

상대 동위 원소 질량이 정수 값에 가까운 이유는 다음과 같다.

• 양성자와 중성자는 서로 다른 질량을 가지고, 핵종마다 그 비율이 다르다.
• 원자들은 결합 에너지에 의해 질량이 감소한다.

3. 1. 원자 질량의 정의와 측정

3. 2. 상대 원자 질량과 표준 원자량

• 양성자와 중성자는 다른 질량을 가지며 핵종마다 그 비율이 다르다.^[9]
• 결합 에너지 때문에 원자 질량이 감소한다.

4. 원자 질량 결함과 결합 에너지

$\backslash Delta\; =\; Z\; M\_p\; +\; N\; M\_N\; -\; M\_X$

$\backslash Delta\{c^2\}\; /\; (\; N\; +\; Z\; )$

5. 원자 질량 단위와 그램 사이의 환산

국제단위계(SI)에서 물질의 양을 정량화하는 데 사용되는 단위는 몰(mol)이며, 이는 ^{12}_{6}C 12g에 포함된 원자의 수로 정의된다. 1몰에 해당하는 입자의 수는 아보가드로 수라고 하며, 대략 6.0221415×10²³이다.

원자 질량 단위와 국제단위계 사이의 환산식은 다음과 같다.

:$1\; u\; =\; \backslash frac\{M\_u\}\{N\_A\}\; =\; \backslash frac\{1\; g/mol\}\{N\_A\}$

여기서 $M\_u$는 몰 질량 상수이고, $N\_A$는 아보가드로 수이다.

6. 원자 질량의 측정 방법

원자 질량의 비교와 측정은 질량 분석법Mass spectrometry|매스 스펙트로메트리^영어(MS)을 통해 이루어진다.

7. 분자 질량과의 관계

분자에도 비슷한 정의가 적용된다. 화합물의 분자량은 구성 원자의 원자 질량(표준 원자량 아님)을 더하여 계산할 수 있다.^[9] 반대로, 몰 질량은 일반적으로 표준 원자량(원자 또는 핵종 질량이 아님)으로부터 계산된다. 따라서 분자량과 몰 질량은 수치상으로 약간의 차이가 있으며 서로 다른 개념을 나타낸다. 분자량은 분자의 질량이며, 이는 구성 원자 질량의 합이다. 몰 질량은 화학적으로 순수하지만 동위원소적으로 불균일한 앙상블에서 구성 분자 질량의 평균이다. 두 경우 모두, 원자의 다중도(발생 횟수)를 고려해야 하며, 일반적으로 각 고유 질량에 다중도를 곱하여 계산한다.

8. 역사

존 돌턴과 토머스 톰슨은 1803년에서 1805년 사이에, 옌스 야코브 베르셀리우스는 1808년에서 1826년 사이에 상대 원자 질량을 처음으로 결정했다. 상대 원자 질량(''원자량'')은 원래 가장 가벼운 원소인 수소에 상대적으로 정의되었으며, 수소의 원자량을 1.00으로 정했다. 1820년대에 프라우트 가설은 모든 원소의 원자 질량이 수소 원자 질량의 정확한 배수가 될 것이라고 주장했다. 그러나 베르셀리우스는 곧 이것이 근사적으로도 사실이 아님을 증명했고, 염소와 같은 일부 원소의 경우 상대 원자 질량은 약 35.5로, 수소 원자 질량의 두 정수 배수 사이의 거의 정확히 중간에 위치했다. 이후 이것은 주로 동위원소의 혼합 때문이며, 순수한 동위원소 또는 핵종의 원자 질량은 수소 질량의 약 1% 이내의 배수임이 밝혀졌다.^[11]

1860년대에 스타니슬라오 칸니차로는 아보가드로의 법칙을 적용하여 상대 원자 질량을 개선했다(특히 1860년 카를스루에 회의에서). 그는 원소의 상대 원자 질량을 결정하기 위한 법칙을 만들었다. ''서로 다른 분자에 포함된 동일한 원소의 서로 다른 양은 모두 원자량의 정수 배수이다.'' 그리고 문제의 화학 원소를 하나 이상 포함하는 분자를 가진 기체의 증기 밀도를 비교하여 상대 원자 질량과 분자 질량을 결정했다.^[11]

20세기에는 1960년대까지 화학자와 물리학자가 두 가지 다른 원자 질량 척도를 사용했다. 화학자는 자연 혼합물인 산소 동위원소가 원자 질량 16을 갖도록 "원자 질량 단위"(amu) 척도를 사용했고, 물리학자는 가장 흔한 산소 동위원소(¹⁶O, 양성자 8개와 중성자 8개 포함)의 원자 질량에만 동일한 숫자 16을 할당했다. 그러나 산소-17과 산소-18도 자연 산소에 존재하기 때문에 두 가지 다른 원자 질량 표가 생겼다. 탄소-12(¹²C)를 기준으로 한 통일된 척도는 척도를 순수한 동위원소를 기반으로 해야 하는 물리학자의 요구를 충족시키면서도 화학자의 척도와 수치적으로 가까웠다. 이것이 '통일 원자 질량 단위'로 채택되었다. 현재 국제 단위계(SI)에서 이 단위의 이름에 대한 주요 권장 사항은 달톤이며 기호는 'Da'이다. '통일 원자 질량 단위'라는 이름과 기호 'u'는 동일한 단위에 대한 공인된 이름과 기호이다.^[12]

''원자량''이라는 용어는 점차 사용이 줄어들고 있으며, 현재 대부분의 사용례에서는 ''상대 원자 질량''으로 대체되고 있다. 이러한 명칭의 변화는 1960년대까지 거슬러 올라가며, 통일 원자 질량 단위의 채택과 무게가 어떤 면에서는 부적절한 용어라는 인식이 이루어지면서 과학계에서 많은 논쟁을 불러일으켰다. "원자량"이라는 용어를 유지하려는 주장은 주로 해당 분야의 사람들에게 잘 이해되는 용어였고, "원자 질량"이라는 용어는 이미 사용되고 있었으며(현재 정의된 대로), "상대 원자 질량"이라는 용어는 ''상대 동위원소 질량''(주어진 핵종의 단일 원자의 질량으로, 탄소-12 질량의 1/12에 상대적으로 무차원적으로 표현됨)과 쉽게 혼동될 수 있다는 것이었다.

1979년, 타협안으로 "상대 원자 질량"이라는 용어가 원자량의 보조 동의어로 도입되었다. 20년 후 이러한 동의어의 우선 순위가 바뀌었고, 현재는 "상대 원자 질량"이라는 용어가 선호된다.

그러나 "''표준'' 원자량"(다양한 표본의 표준화된 예상 원자량)이라는 용어는 변경되지 않았다.^[13] "원자량"을 "상대 원자 질량"으로 간단히 대체하면 "표준 상대 원자 질량"이라는 용어가 생기기 때문이다.

참조

_[1] 웹사이트 DOE Explains...Nuclei https://www.energy.g[...] 2023-04-13
_[2] 간행물 atomic mass
_[3] 서적 The International System of Units (SI). v1.06. https://www.bipm.org[...] Bureau International des Poids et Mesures 2019
_[4] 웹사이트 NIST Standard Reference Database 121. Fundamental Physical Constants. atomic mass constant https://physics.nist[...] National Institute of Standards and Technology 2019-05-20
_[5] 웹사이트 Avogadro constant https://physics.nist[...] 2019-05
_[6] 웹사이트 Molar mass of carbon-12 https://physics.nist[...] 2019-05
_[7] 웹사이트 Proton mass in u https://physics.nist[...] 2019-05
_[8] 웹사이트 neutron mass in u https://physics.nist[...] 2019-05
_[9] 웹사이트 Neutron-proton mass difference in u https://physics.nist[...] 2019-05
_[10] 논문 The AME 2020 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs and references\ast https://doi.org/10.1[...] 2021-03
_[11] 논문 Origin of the Formulas of Dihydrogen and Other Simple Molecules
_[12] 간행물 The International System of Units (SI) https://www.bipm.org[...] Bureau International des Poids et Mesures 2019
_[13] 논문 'Atomic weight': The name, its history, definition, and units http://www.iupac.org[...]
_[14] 서적 理化学事典 岩波書店
_[15] 문서 “IUPAC Gold Book” 外部リンク参照
_[16] 웹사이트 molar mass constant https://physics.nist[...] 2019-05-20
_[17] 문서 すなわち試料ごとに異なる同位体存在比が[[放射年代測定|年代測定法]]の原理や鉱物の産地特定にも利用されている
_[18] 간행물 atomic mass
_[19] 웹인용 Atomic mass http://www.britannic[...]
_[20] 서적 Fundamentals of Nuclear Reactors Physics Academic Press