Atomová hmotnost

Rozbalit box

Obsah boxu

Atomová hmotnost (značka m_a) je hmotnost jednoho konkrétního atomu, nejčastěji v jeho klidovém stavu. Jedná se o jednu ze základních charakteristik každého izotopu daného chemického prvku. Vzhledem k extrémně malým hodnotám se v praxi vyjadřuje buď v SI jednotkách kilogramech (kg), nebo častěji v atomových hmotnostních jednotkách (značka u nebo Da).

Atomová hmotnost je téměř celá soustředěna v atomovém jádře, které se skládá z protonů a neutronů. Hmotnost elektronového obalu tvoří jen zanedbatelný zlomek celkové hmotnosti atomu (méně než 0,05 %).

Je klíčové nezaměňovat atomovou hmotnost s dvěma podobnými pojmy:

• Relativní atomová hmotnost (A_r): Bezrozměrné číslo, které udává průměrnou hmotnost atomů daného prvku v přírodním izotopickém složení, vztaženou k 1/12 hmotnosti atomu uhlíku-12. Je to hodnota uváděná v periodické tabulce prvků.
• Hmotnostní číslo (A): Celé číslo udávající celkový počet protonů a neutronů v jádře atomu.

⚛️ Definice a jednotky

Atomová hmotnost je definována jako hmotnost jednoho atomu. Protože atomy jsou nepatrné částice, jejich hmotnost vyjádřená v základní jednotce SI, kilogramu, je velmi nízká. Například hmotnost jednoho atomu izotopu uhlíku-12 je přibližně 1,99 × 10⁻²⁶ kg.

Pro zjednodušení práce s takto malými čísly byla zavedena vedlejší jednotka, atomová hmotnostní jednotka (symbol u), někdy nazývaná též dalton (symbol Da). Je definována jako jedna dvanáctina (1/12) klidové hmotnosti elektricky neutrálního atomu izotopu uhlíku ¹²C v jeho základním jaderném a elektronickém stavu.

Vztah mezi atomovou hmotnostní jednotkou a kilogramem je dán hodnotou atomové hmotnostní konstanty (m_u):

1 u ≈ 1,660 539 066 60(50) × 10⁻²⁷ kg

Díky této definici má atom izotopu ¹²C atomovou hmotnost přesně 12 u. Hmotnosti ostatních izotopů vyjádřené v jednotkách 'u' se blíží jejich hmotnostnímu číslu, ale nejsou s ním až na výjimky totožné. Důvodem je existence hmotnostního schodku, který souvisí s vazebnou energií jádra.

📜 Historický vývoj konceptu

Myšlenka, že prvky jsou složeny z atomů s charakteristickými hmotnostmi, sahá až na počátek 19. století.

🏛️ Počátky a Daltonova teorie

John Dalton na začátku 19. století jako první navrhl systematickou teorii, podle které se atomy různých prvků liší svou hmotností. Pokusil se stanovit relativní hmotnosti atomů a jako standard si zvolil nejlehčí prvek, vodík, kterému přiřadil hmotnost 1. Jeho měření byla nepřesná, ale položila základ moderní chemie.

🧪 Berzelius a zpřesňování

Jöns Jacob Berzelius v první polovině 19. století výrazně zpřesnil Daltonovy hodnoty. Provedl tisíce experimentů a jako standard pro porovnávání hmotností si zvolil kyslík, kterému přiřadil hmotnost 100. Jeho tabulka relativních atomových hmotností byla na svou dobu neuvěřitelně přesná.

🔬 Objev izotopů a změna standardu

Na přelomu 19. a 20. století se zdálo, že atomové hmotnosti mnoha prvků nejsou celočíselnými násobky hmotnosti vodíku, což bylo v rozporu s Proutovou hypotézou. Záhadu vyřešil objev izotopů Frederickem Soddym a následný rozvoj hmotnostní spektrometrie Francisem Astonem. Ukázalo se, že chemické prvky v přírodě jsou směsí izotopů – atomů se stejným počtem protonů, ale různým počtem neutronů, a tedy i různou atomovou hmotností. Hodnota uváděná v tabulkách je tedy průměrem.

Původně se jako standard používal přírodní kyslík (chemická stupnice) nebo izotop kyslíku ¹⁶O (fyzikální stupnice). Pro sjednocení byla v roce 1961 mezinárodní dohodou organizací IUPAC a IUPAP zavedena jednotná stupnice založená na izotopu uhlíku ¹²C.

⚙️ Rozdíly mezi klíčovými pojmy

Pro správné pochopení je nutné rozlišovat tři základní pojmy, které se často pletou.

Atomová hmotnost (m_a)

• Co to je: Skutečná hmotnost jednoho konkrétního atomu (jednoho izotopu).
• Jednotky: kilogram (kg) nebo atomová hmotnostní jednotka (u, Da).
• Příklad: Atomová hmotnost jednoho atomu izotopu ¹²C je přesně 12 u. Atomová hmotnost jednoho atomu ²³⁵U je přibližně 235,04 u.

Hmotnostní číslo (A)

• Co to je: Počet nukleonů (protonů a neutronů) v jádře atomu.
• Jednotky: Je to bezrozměrné celé číslo (počet).
• Příklad: Hmotnostní číslo izotopu ¹²C je 12. Hmotnostní číslo izotopu ²³⁵U je 235.

Relativní atomová hmotnost (A_r)

• Co to je: Průměrná hmotnost atomů daného prvku, zohledňující přirozený výskyt jeho izotopů. Je to poměr této průměrné hmotnosti k atomové hmotnostní konstantě.
• Jednotky: Bezrozměrné číslo.
• Příklad: Přírodní chlor je směsí izotopů ³⁵Cl (cca 75,8 %) a ³⁷Cl (cca 24,2 %). Jeho relativní atomová hmotnost je proto přibližně 35,45. Tato hodnota se uvádí v periodické tabulce.

🧪 Metody měření

Nejpřesnější a nejrozšířenější metodou pro měření atomových hmotností je hmotnostní spektrometrie.

Princip této metody spočívá v několika krocích:

1. Ionizace: Vzorek je převeden do plynného stavu a jeho atomy jsou ionizovány (obvykle jim je odebrán jeden nebo více elektronů), čímž získají elektrický náboj.
2. Akcelerace: Ionty jsou urychleny silným elektrickým polem.
3. Separace: Urychlený svazek iontů je vpuštěn do magnetického pole, které jej zakřiví. Míra zakřivení dráhy závisí na poměru hmotnosti a náboje iontu (m/z). Lehčí ionty se zakřiví více než těžší ionty se stejným nábojem.
4. Detekce: Detektor zaznamená, kam ionty dopadly, a z toho lze přesně určit jejich hmotnost.

Moderní hmotnostní spektrometry, jako jsou ty s iontovou cyklotronovou rezonancí (FT-ICR) nebo Penningova past, dosahují extrémně vysoké přesnosti a dokáží rozlišit i velmi malé rozdíly v hmotnostech.

🌍 Význam a využití

Znalost přesných atomových hmotností je zásadní v mnoha vědních a technických oborech:

• Chemie: Je základem stochiometrie, která umožňuje výpočty látkových množství v chemických reakcích. Umožňuje určit molární hmotnost sloučenin.
• Jaderná fyzika: Přesné hmotnosti izotopů jsou klíčové pro výpočty vazebných energií jader, pro studium jaderných reakcí, radioaktivního rozpadu a pro energetické bilance v jaderné energetice a termonukleární fúzi.
• Geochemie a kosmochemie: Analýza izotopického složení a hmotností v horninách a meteoritech poskytuje informace o vzniku a vývoji Sluneční soustavy.
• Radiometrické datování: Metody jako radiokarbonová metoda datování (¹⁴C) nebo uran-olověná metoda jsou založeny na známých poločasech rozpadu izotopů, jejichž chování je přímo spojeno s jejich jadernou strukturou a hmotností.
• Analytická chemie: Hmotnostní spektrometrie se používá k identifikaci neznámých látek, ke kontrole čistoty chemikálií nebo v dopingové kontrole.

💡 Pro laiky: Hmotnost atomu zjednodušeně

Představte si atom jako miniaturní sáček plný dvou druhů kuliček – červených (protony) a bílých (neutrony).

• Hmotnostní číslo je prostý počet všech kuliček v sáčku. Když řekneme "uhlík-12", znamená to, že v jeho sáčku je dohromady 12 kuliček (6 červených a 6 bílých). Je to vždy celé číslo.

• Atomová hmotnost je skutečné zvážení jednoho konkrétního sáčku. I když v sáčku uhlíku-12 je 12 kuliček, jeho hmotnost není přesně součtem hmotností 12 volných kuliček. Důvodem je, že "lepidlo" (vazebná energie), které drží kuličky pohromadě, také něco "váží" (podle slavného vzorce E=mc²). Vědci se dohodli, že hmotnost právě tohoto sáčku uhlíku-12 nazvou "12 atomových jednotek (u)". Hmotnost sáčku uranu-235 pak bude přibližně 235,04 těchto jednotek.

• Relativní atomová hmotnost je to, co najdete v periodické tabulce. Představte si, že máte obrovský sud plný všech uhlíkových sáčků z přírody. Většina z nich bude mít 12 kuliček, ale sem tam narazíte na sáček se 13 kuličkami (uhlík-13). Když z tohoto sudu náhodně jeden sáček vytáhnete a zvážíte, jeho průměrná očekávaná hmotnost bude asi 12,011 atomových jednotek. Není to celé číslo, protože zohledňuje, že existuje více druhů sáčků (izotopů) a některé jsou v přírodě častější než jiné.

⏰ Tento článek je aktuální k datu 29.12.2025