상대 원자 질량

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.

1. 개요
2. 정의
- 2.1. 현재 정의
- 2.2. 역사적 정의
3. 표준 원자량
4. 원자 질량 측정
- 4.1. 측정 예시: 규소
- 4.2. 측정 불확실성
참조

1. 개요

상대 원자 질량은 특정 시료 내 원자들의 평균 질량을 나타내며, 탄소-12 원자의 질량과 비교하여 무차원 값으로 표현된다. 이는 원자량과 동의어로 사용되며, 단일 시료에 적용되는 경우 표준 원자량과 구별된다. 상대 원자 질량은 원자 질량과 동위 원소 조성을 통해 계산되며, 측정 불확실성과 출처에 따른 변동성을 고려한다.

더 읽어볼만한 페이지

화학량론 - 배수 비례의 법칙
배수 비례의 법칙은 두 원소가 여러 화합물을 만들 때, 한 원소의 일정량과 결합하는 다른 원소의 질량비가 간단한 정수비를 이룬다는 존 돌턴의 원자론적 법칙으로, 화학량론 발전에 기여했다.
화학량론 - 수율
수율은 화학 반응에서 반응물 대비 생성물의 양을 나타내는 용어이며, 백분율 수율은 실제 수율을 이론적 수율로 나눈 값에 100을 곱하여 계산하고, 산업 공정에서는 단통 수율과 총괄 수율로 구분한다.
물질량 - 기체 상수
기체 상수는 이상 기체 법칙의 비례 상수로, 기체 1몰의 온도를 1K 높이는 데 필요한 에너지로 해석되며, 볼츠만 상수나 특별 기체 상수로 표현될 수 있고, 2019년 SI 단위계 개정 이후 정확한 값을 가진다.
물질량 - 아보가드로 수
주기율표 - 14족 원소
14족 원소는 최외각 전자 4개를 가지며 탄소, 규소, 저마늄, 주석, 납, 플레로븀으로 구성되고 원자번호 증가에 따라 비금속에서 금속으로 변하는 경향을 보이며 탄소는 유기화합물 골격, 규소는 지각에서 풍부, 주석과 납은 금속 자원, 플레로븀은 짧은 반감기를 갖는다.
주기율표 - 에카
에카는 멘델레예프가 주기율표에서 미발견 원소를 예측하기 위해 사용한 명명법으로, 알려진 원소 아래 위치할 원소를 "에카 + 위쪽 원소 이름"으로 칭했으며, 이는 주기율표의 정확성을 입증하는 증거가 되었고 현재도 일부 사용되며 주기율표 발전 이해에 중요한 역사적 의미를 갖는다.

상대 원자 질량
개요
종류	물리 상수
분야	원자 물리학, 화학
정의
정의	특정 원소의 원자 질량을 탄소-12 원자 질량 기준으로 나타낸 값
기호	Ar
설명
설명	특정 원소의 원자 질량을 탄소-12 원자 질량의 1/12()로 나눈 값. 이 값은 단위가 없는 무차원량이다.
상세 내용
표준 원자량	지구상의 여러 시료에서 측정한 원소의 원자량 분포를 고려하여 결정되는 값. 동위 원소의 존재 비율에 따라 달라지기 때문에, 원소의 기원과 시료에 따라 다른 값을 가질 수 있다.
주의사항
주의사항	원자 질량(atomic mass)과는 다른 개념이다. 원자 질량은 특정 원자 하나의 질량을 나타내는 반면, 상대 원자 질량은 탄소-12 원자 질량의 1/12을 기준으로 한 상대적인 비율을 나타낸다.
관련 항목
관련 항목	원자 질량 표준 원자량

2. 정의

상대 원자 질량은 주어진 시료에서 발견되는 특정 화학 원소의 모든 원자 질량의 평균, 즉 가중 평균으로 결정되며, 이는 탄소-12의 원자 질량과 비교된다.^[9] 이 비교는 두 무게의 비율이므로 값은 단위가 없다. "상대적"이라는 단어는 시료 질량 값이 탄소-12의 질량에 상대적인 것으로 간주된다는 것을 의미한다.^[9]

상대 원자 질량은 상대 동위원소 질량과 혼동해서는 안 되지만, 원자량과 동의어이다. 또한 표준 원자량의 동의어로 자주 사용되기도 한다.^[9]

원자 질량의 기준은 다음과 같이 변화해 왔다.

원자 질량 기준의 변화
기준	내용
수소	가장 가벼운 수소를 1로 하여 다른 원자가 수소의 몇 배가 되는지를 통해 원자의 상대적인 무게를 파악했다.
산소	수소보다 산소가 화합물을 잘 만들고 실험도 쉽다는 점을 고려하여 산소 원자량을 100으로 정하고 43종의 원소 원자량을 결정했다.
산소	이후 원자량 기준으로 산소를 16.000으로 정하면서 수소는 거의 1에 가까운 값을 가지게 되었다.
탄소	1962년부터는 질량수 12인 탄소 원자의 질량을 기준으로 사용하고 있다.

2. 1. 현재 정의

원자 중에서 가장 가벼운 수소를 1로 하여 다른 원자가 수소의 몇 배가 되는지를 통해 원자의 상대적인 무게를 알 수 있었다. 돌턴은 이러한 방식으로 원자량을 정하려고 했으나, 실험적으로 산소의 원자량을 결정하기 위해서는 수소와 산소가 어떤 원자 수의 비로 화합하는지를 알아야 했다. 그러나 돌턴은 물과 암모니아의 조성을 잘못 알고 있었기 때문에 그가 계산한 원자량은 정확하지 않았다.^[1]

베르셀리우스는 수소보다 산소가 화합물을 잘 만들고 실험도 쉽다는 점에 착안하여 산소 원자량을 100으로 기준을 정하고 43종의 원소 원자량을 결정하였다. 베르셀리우스의 실험은 정밀했지만 계산에 문제가 있었다.^[1]

아보가드로의 법칙이 카니차로에 의해 받아들여지고 분자량을 구할 수 있게 된 후에야 원자량 측정은 명확한 근거를 갖게 되었고 정확해졌다. 그리하여 원자량의 기준으로 산소를 16.000으로 정했고, 수소는 거의 1이 되었다. 1913년 영국의 소디에 의해 동위 원소 개념이 명확해진 뒤, 같은 원소의 원자에도 무게가 다른 것이 있음이 밝혀지자 원자량은 그 평균을 나타내는 것으로 되었다. 산소에도 무게(질량수)가 16, 17, 18인 것이 있음을 알게 되어, 무엇을 기준으로 삼는가가 재검토되었는데, 1962년 이후 질량수 12인 탄소 원자의 질량을 기준으로 삼게 되었다.^[1]

상대 원자 질량은 특정 시료에서 발견되는 특정 화학 원소의 모든 원자 질량의 평균, 즉 가중 평균으로 결정되며, 이는 탄소-12의 원자 질량과 비교된다.^[9] 이 비교는 두 무게의 몫이며, 값은 무차원(단위 없음)이 된다. "상대적"이라는 단어는 시료 질량 값이 탄소-12의 질량에 상대적인 것으로 간주된다는 것을 의미한다.^[9]

이는 상대 동위원소 질량과 혼동해서는 안 되지만, 원자량과 동의어이다. 상대 원자 질량은 표준 원자량의 동의어로 자주 사용되며, 사용된 상대 원자 질량이 정의된 조건 하에서 지구에서 얻은 원소에 대한 것이라면 이러한 양은 중복되는 값을 가질 수 있다. 그러나 상대 원자 질량(원자량)은 단일 시료에서 얻은 원자에만 적용되기 때문에 기술적으로 표준 원자량과 구별되며, 지구 시료에만 국한되지 않는다. 표준 원자량은 여러 시료를 평균하지만, 지구 기원 시료에서만 가져온 것이다. 따라서 상대 원자 질량은 비지구 환경이나 지구 평균과 실질적으로 다르거나 표준 원자량에서 반영되는 것보다 다른 정도의 확실성(예: 유효 숫자의 개수)을 반영할 수 있는 매우 특정한 지구 환경에서 채취한 시료를 광범위하게 지칭할 수 있는 보다 일반적인 용어이다.^[9]

IUPAC에서 제시하는 일반적인 정의는 다음과 같다.^[10]^[11]

''원자량'' – 참조: 상대 원자 질량
''상대 원자 질량(원자량)'' – 원자 평균 질량과 통일 원자 질량 단위의 비율.

여기서 "통일 원자 질량 단위"는 ¹²C 원자 ''바닥 상태'' 질량의 1/12을 의미한다.^[12]

상대 원자 질량에 대한 IUPAC 정의^[1]는 다음과 같다.

: 특정 출처의 원소 원자량(상대 원자 질량)은 해당 원소의 원자당 평균 질량과 ¹²C 원자 질량의 1/12의 비율입니다.

이 정의는 원소의 출처에 따라 상대 원자 질량이 달라지기 때문에 의도적으로 "'''''An''''' atomic weight ..."라고 명시하고 있다. 예를 들어, 터키에서 얻은 붕소는 캘리포니아에서 얻은 붕소보다 상대 원자 질량이 더 낮은데, 이는 서로 다른 동위 원소 조성을 가지고 있기 때문이다.^[13]^[14] 그럼에도 불구하고, 동위 원소 분석의 비용과 어려움을 고려하여, 일반적으로 화학 실험실에서 널리 사용되며 IUPAC의 동위 원소 존재비 및 원자량 위원회(CIAAW)에서 격년으로 개정하는 표준 원자량의 표 값으로 대체하는 것이 일반적이다.^[15]

2. 2. 역사적 정의

원자 중에서 가장 가벼운 수소를 1로 하여 다른 원자가 수소의 몇 배가 되는지를 알면 원자의 상대적인 무게를 알 수 있었다. 돌턴은 이와 같이 생각하고 원자량을 정하려고 했으나, 실험적으로 산소의 원자량을 결정하는 데는 수소와 산소가 어떤 원자수의 비로 화합하는가를 알지 못하면 정확한 값을 구할 수 없었고, 또 돌턴 자신이 물이나 암모니아의 조성을 잘못 알고 있었기 때문에 그가 계산한 원자량은 그다지 정확한 것이 못 되었다.

베르셀리우스는 수소보다 산소가 화합물을 잘 만들고, 실험도 하기 쉽다는 데서 산소를 기준으로 하여 그 원자량을 100으로 해서 43종의 원소 원자량을 결정하였다. 베르셀리우스의 실험은 상당히 정밀한 것이었지만 계산에 문제가 있었다.

아보가드로의 법칙이 카니차로에 의해 받아들여지고, 이로부터 분자량을 구할 수 있다는 것이 확실해진 뒤에야 원자량의 측정도 분명한 근거를 갖게 되고 정확한 것이 되었다. 그리하여 원자량의 기준으로 산소를 16.000으로 하기로 하였다. 그러면 수소는 거의 1이 된다. 1913년 영국의 소디에 의해서 동위 원소의 개념이 분명해진 뒤, 같은 원소의 원자에도 무게가 다른 것이 있음이 명백해지자 원자량은 그 평균을 나타내는 것으로 되었다. 그리하여, 산소에도 무게(질량수)가 16, 17, 18인 것이 있음을 알게 되어, 무엇을 기준으로 삼는가가 재검토되었는데, 1962년 이후 질량수 12인 탄소 원자의 질량을 기준으로 삼게 되었다.

과거(1961년 이전)의 역사적 상대적 척도는 원자 질량 단위(기호: ''a.m.u.'' 또는 ''amu'')를 기반으로 하였으며, 참조 기준으로 산소-16 상대 동위 원소 질량 또는 산소의 상대적 원자 질량(즉, 원자량)을 사용했다. 이러한 문제의 해결에 대해서는 현대 통일 원자 질량 단위의 역사에 대한 문서를 참조하라.

3. 표준 원자량

IUPAC 산하 CIAAW 위원회는 지구상의 상대 원자 질량(또는 원자량)에 대한 기대-구간 값을 표준 원자량으로 관리한다. 표준 원자량은 방사능과 관련하여 지상 기원, 자연 기원, 안정적인 물질을 요구하며, 연구 과정에 대한 요구 사항도 있다. CIAAW는 84개의 안정적인 원소에 대해 이러한 표준 원자량을 결정했다. 이 값들은 널리 발표되며, 제약 및 상업 거래와 같은 실제 물질에 대한 원소의 '그' 원자량으로 광범위하게 언급된다.

또한, CIAAW는 요약된(반올림된) 값과 단순화된 값(지구상의 기원이 체계적으로 다를 때)을 발표했다.

4. 원자 질량 측정

원자 질량 측정은 여러 과학자들에 의해 발전되어 왔다. 돌턴은 수소를 기준으로 다른 원자들의 상대적 무게를 측정하려 했으나, 실험과 조성에 대한 오류로 정확한 값을 얻지 못했다. 베르셀리우스는 산소를 기준으로 43종의 원소 원자량을 결정했으나, 계산에 문제가 있었다.

아보가드로의 법칙이 카니차로에 의해 재조명되면서, 분자량을 통해 원자량을 정확하게 측정할 수 있는 기반이 마련되었다. 초기에는 산소를 기준으로 원자량을 정했으나, 동위 원소 개념이 발견된 후, 1962년부터 질량수 12인 탄소 원자를 기준으로 사용하고 있다.

'''원자 질량'''(''m''_a)은 특정 동위 원소의 질량을 나타내며, 달톤(Da) 또는 통일 원자 질량 단위(u)로 표시한다. '''상대 ''동위 원소'' 질량'''은 원자 질량과 원자 질량 상수(1 Da)의 비율로, 무차원 값이다.

4. 1. 측정 예시: 규소

현대 상대 원자 질량(주어진 원소 시료에 특정한 용어)은 측정된 원자 질량(각 핵종에 대해)과 시료의 동위 원소 동위 원소 조성 값을 통해 계산된다. 매우 정확한 원자 질량이 거의 모든 비방사성 핵종에 대해 제공되지만, 동위 원소 조성을 고정밀도로 측정하는 것은 어렵고 시료 간에 변동이 더 많다.^[18]^[19]

측정학에서 상대 원자 질량이 특히 중요한 규소를 예로 들어 계산을 설명한다. 규소는 자연 상태에서 세 가지 동위 원소 ²⁸Si, ²⁹Si, ³⁰Si의 혼합물로 존재한다. 이들 핵종의 원자 질량은 ²⁸Si의 경우 140억 분의 1의 정밀도로, 다른 핵종의 경우 약 10억 분의 1의 정밀도로 알려져 있다. 그러나 동위 원소의 자연 존재비 범위는 표준 존재비를 약 ±0.001%로만 제공할 수 있다.

동위 원소	원자 질량^[17]	표준 존재비^[18]	존재비 범위
²⁸Si	27.97692653246	92.2297(7)%	92.21–92.25%
²⁹Si	28.976494700	4.6832(5)%	4.67–4.69%
³⁰Si	29.973770171	3.0872(5)%	3.08–3.10%

계산은 다음과 같다.

: ''A''_r(Si) = (27.97693 × 0.922297) + (28.97649 × 0.046832) + (29.97377 × 0.030872) = 28.0854

4. 2. 측정 불확실성

현대 상대 원자 질량(주어진 원소 시료에 특정한 용어)은 측정된 원자 질량(각 핵종에 대해)과 시료의 동위 원소 동위 원소 조성 값을 통해 계산된다. 매우 정확한 원자 질량이 거의 모든 비방사성 핵종에 대해 제공되지만, 동위 원소 조성을 고정밀도로 측정하는 것은 어렵고 시료 간에 변동이 더 많다.^[18]^[19] 이러한 이유로, 22개의 단일 핵종 원소의 상대 원자 질량(이 원소들의 단일 자연 발생 핵종 각각에 대한 동위 원소 질량과 동일)은 특히 높은 정확도로 알려져 있다. 예를 들어, 플루오린의 상대 원자 질량에 대한 불확실성은 3800만 분의 1에 불과하며, 이는 현재 아보가드로 수의 최상의 값(2천만 분의 1)보다 더 높은 정밀도이다.

측정학에서 상대 원자 질량이 특히 중요한 규소를 예로 들어 계산을 설명한다. 규소는 자연 상태에서 세 가지 동위 원소 ²⁸Si, ²⁹Si, ³⁰Si의 혼합물로 존재한다. 이들 핵종의 원자 질량은 ²⁸Si의 경우 140억 분의 1의 정밀도로, 다른 핵종의 경우 약 10억 분의 1의 정밀도로 알려져 있다. 그러나 동위 원소의 자연 존재비 범위는 표준 존재비를 약 ±0.001%로만 제공할 수 있다.

계산은 다음과 같다.

: ''A''_r(Si) = (27.97693 × 0.922297) + (28.97649 × 0.046832) + (29.97377 × 0.030872) = 28.0854

측정 불확실성의 추정은 복잡하며,^[20] 특히 시료 분포가 반드시 대칭적이지 않기 때문이다. IUPAC 표준 상대 원자 질량은 추정된 대칭 불확실성과 함께 인용되며,^[21] 규소 값은 28.0855(3)이다. 이 값의 상대 표준 불확실성은 10^-5 또는 10 ppm이다.

이러한 측정에 의한 불확실성 외에도, 일부 원소는 출처에 따라 변동이 있다. 즉, 서로 다른 출처(해수, 암석)는 서로 다른 방사성 역사를 가지므로 동위 원소 조성이 다르다. 이러한 자연적 변동성을 반영하기 위해 IUPAC는 2010년에 10개 원소의 표준 상대 원자 질량을 고정된 숫자가 아닌 간격으로 나열하기로 결정했다.^[22]

참조

_[1] 논문 Atomic Weights of the Elements 1979 http://publications.[...]
_[2] 서적 GreenBookRef2nd
_[3] 간행물 The International System of Units (SI) https://www.bipm.org[...] 2019-05-20
_[4] 논문 CODATA recommended values of the fundamental physical constants: 2018 2021-06-30
_[5] 웹사이트 Standard Uncertainty and Relative Standard Uncertainty http://physics.nist.[...] NIST 2023-08-30
_[6] 논문 Data and analysis for the CODATA 2017 special fundamental constants adjustment 2018-02-01
_[7] 문서 Definition of element sample http://goldbook.iupa[...]
_[8] 논문 'Atomic Weight' — The Name, Its History, Definition, and Units http://www.iupac.org[...]
_[9] 서적 relative atomic mass
_[10] 문서 IUPAC Gold Book – atomic weight http://goldbook.iupa[...]
_[11] 문서 IUPAC Gold Book – relative atomic mass (atomic weight), A r http://goldbook.iupa[...]
_[12] 문서 IUPAC Gold Book – unified atomic mass unit http://goldbook.iupa[...]
_[13] 서적 Greenwood&Earnshaw1st
_[14] 논문 Atomic Weights of the Elements: Review 2000 https://media.iupac.[...]
_[15] 문서 IUPAC Gold Book – standard atomic weights http://goldbook.iupa[...]
_[16] 문서 Atomic Weights and Isotopic Compositions for All Elements http://physics.nist.[...] National Institute of Standards and Technology
_[17] 간행물 The AME2003 Atomic Mass Evaluation http://www.nndc.bnl.[...] National Nuclear Data Center
_[18] 논문 Isotopic Compositions of the Elements 1997 http://media.iupac.o[...]
_[19] 간행물 Isotopic Abundance Variations of Selected Elements http://www.iupac.org[...]
_[20] 논문 Atomic Weights and the International Committee—A Historical Review https://media.iupac.[...]
_[21] 논문 Uncertainty propagation of atomic weight measurement results
_[22] 웹사이트 Changes to the Periodic Table https://ucalgary.ca/[...]

본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com