Warum wurde Kohlenstoff-12 als atomare Masseneinheit gewählt?

Die atomare Masseneinheit ist definiert als 1/12 der Masse eines Kohlenstoff-12-Atoms. Gab es einen physikalischen Grund für eine solche Definition? Versuchten sie, Elektronen in die atomare Masseneinheit einzubeziehen?

Warum definiert man das Amu nicht als die Masse eines Protons oder Neutrons, so dass bei Nuklearberechnungen mindestens eines der Kernteilchen (aus Protonen und Neutronen) eine schöne ganze Zahl wäre?

Diese Frage ist vielleicht besser für Wissenschaftsgeschichte und Mathematik geeignet , da es hier nicht um die Physik als solche geht, sondern um die (historische!) Begründung einer bestimmten Konvention.
@Danu Ich wollte wissen, ob es einen physikalischen Grund für die Wahl gibt (wie oben in den Details meiner Frage gefragt) oder ob es einfach auf historische Gründe oder Bequemlichkeit zurückzuführen ist. Die Antwort unten spricht von den kommerziellen und historischen Gründen. Vielleicht gibt es andere physikalische Gründe hinter Carbon-12 und dem Amu?
Wer weiß. Auf jeden Fall wollte ich nicht sagen, dass es hier nicht zum Thema gehört !
Dieblitzen – Angenommen, Wissenschaftler finden einen besseren Weg, um Masse auf atomarer Ebene zu messen. Haben sie übrigens. Es gab zwei konkurrierende Techniken zur Bestimmung der Masse für das neue und verbesserte metrische System, das angeblich 2018 herauskommen wird. Eine basiert auf dem Zählen von Atomen in einer reinen Sphäre 28 Si , und eine andere zum Ausgleich zwischen Masse und elektrischer Leistung (eine Wattbilanz). Wer gewinnt (es sieht so aus, als wäre die Kugel der Gewinner), die Masse eines Mols 12 C wird immer noch 12 Gramm und die Atommasse eines Atoms betragen 12 C wird 12 atomare Masseneinheiten sein. ...
... Die Aufrechterhaltung der Abwärtskompatibilität ist in der Messtechnik äußerst wichtig. Zum Guten oder zum Schlechten bleiben wir Ende der 1950er Jahre bei der Entscheidung, eine atomare Masseneinheit zu wählen, die die Masse von eins ausmacht 12 C Atom in seinem Ruhezustand genau zwölf sein. Angenommen, auf atomarer Ebene wird die Messung der einzelnen Massen von Protonen, Neutronen und Elektronen genauer als die Messung der Masse eines Atoms, das aus einer Reihe von Protonen, Neutronen und Elektronen besteht. Diese gemessenen Massen werden skaliert, um die Masse eines Atoms zu erhalten 12 C genau zwölf.
@DavidHammen Wenn ich mich richtig erinnere, geht es bei den Plänen für die Wattwaage und die Siliziumkugel nicht so sehr darum, Masse zu messen, als vielmehr darum, sie zu definieren .

Antworten (3)

Warum wurde Kohlenstoff-12 für die atomare Masseneinheit gewählt?

Wie anderswo in der Metrologie ist die Antwort an Geschichte, Messbarkeit, Praktikabilität, Wiederholbarkeit, frühere Missverständnisse und Konsistenz (trotz dieser vergangenen Missverständnisse) gebunden.

Die Geschichte der Atommasse und des Maulwurfs (die beiden sind eng miteinander verbunden) geht zurück bis ins frühe 19. Jahrhundert bis zu John Dalton, dem Vater der Atomtheorie[1]. Die einheitliche atomare Masseneinheit ist nach ihm benannt. Wissenschaftler dieser Zeit lernten gerade etwas über Elemente; das Periodensystem war 60 Jahre in Daltons Zukunft. Dalton schlug zunächst vor, Wasserstoff als Basis zu verwenden. Fragen der Messbarkeit und Wiederholbarkeit tauchten schnell auf. Fehler auch. Dalton zum Beispiel dachte, Wasser sei HO und nicht H 2 O[2].

Diese Probleme führten dazu, dass Chemiker auf einen sauerstoffbasierten Standard umstellten, der auf dem auf der Erde gefundenen Sauerstoff basiert. (Dass Elemente in mehreren Isotopen vorkommen können, war zu diesem Zeitpunkt noch nicht bekannt.) Die Untersuchungen der Physiker auf atomarer Ebene veranlassten sie, im 20. Jahrhundert einen eigenen Standard zu entwickeln, der auf 16 O und nicht auf der natürlichen Mischung aus 16 O, 17 O basierte und 18 O (Atommassen: 15,994915, 16,999131 bzw. 17,999161, mit einer nominalen Mischung von 379,9 ppm für 17 O, 2005,20 ppm für 18 O und dem Rest 16 O), die von Chemikern verwendet werden.

Die natürliche Mischung der verschiedenen Sauerstoffisotope ist nicht konstant. Sie variiert je nach Zeit, Ort und Klima. Verbesserte Messungen und eine breitere Verwendung machten die Wiederholbarkeit Mitte des 20. Jahrhunderts zu einem wichtigen Thema. Die Hauptursache sind natürliche Schwankungen in den beiden häufigsten Sauerstoffisotopen, 16 O (das vorherrschende Isotop) und 18 O (im Durchschnitt etwa 2000 Teile pro Million). Der IUPAC Technical Report[4] über Atomgewichte der Elemente listet das Atomgewicht von natürlich vorkommendem Sauerstoff auf, das von 15,99903 bis 15,99977 variiert.

Die Hauptursache dieser natürlichen Schwankungen ist die bevorzugte Verdunstung und Ausfällung von Wassermolekülen auf der Grundlage verschiedener Sauerstoffisotope. Auf 16 O basierendes Wasser verdunstet etwas leichter als auf 18 O basierendes Wasser, wodurch tropische Ozeane im Vergleich zum Durchschnitt etwas auf 18 O konzentriert sind. Auf der anderen Seite fällt Wasser auf der Basis von 18 O etwas leichter aus als Wasser auf der Basis von 16 O. Dadurch haben die Niederschläge in den Tropen etwas höhere 18 O-Konzentrationen im Vergleich zum Nennwert und die Niederschläge in hohen Breiten haben etwas niedrigere 18 O Konzentrationen im Vergleich zu nominal.

Physiker hatten eine Lösung: Wechseln Sie zu ihrem isotopenreinen 16 O-Standard. Dies hätte eine unannehmbar große Änderung (275 ppm[3]) im sauerstoffbasierten Standard der Chemie dargestellt. Dafür hätten Lehrbücher, Nachschlagewerke und vielleicht am wichtigsten die Rezepte, die in Raffinerien und anderen chemischen Fabriken verwendet werden, umgeschrieben werden müssen. Die kommerziellen Kosten wären immens gewesen. Es ist wichtig festzuhalten, dass die Metrologie in erster Linie dazu da ist, den Handel zu unterstützen. Chemiker lehnten daher diesen Vorschlag der Physiker ab.

Der kohlenstoffbasierte Standard stellte einen guten Kompromiss dar. Zufälligerweise ist die Definition der Atommasse als 1/16 der Masse eines Mols Sauerstoff, der eine natürliche Mischung aus 16 O, 17 O und 18 O enthält, sehr nahe an einem Standard, der die Atommasse als 1/12 der Masse von definiert ein Mol von 12 C [3]. Dies stellte eine Änderung von 42 ppm gegenüber dem natürlichen Sauerstoffstandard der Chemiker dar, verglichen mit der Änderung von 275 ppm, die sich aus einer Änderung auf 1/16 der Masse eines Mols 16 O ergeben hätte [3]. Dieser neue Standard basierte auf einem reinen Isotop, was die Physiker glücklich machte, und es stellte eine akzeptabel kleine Abweichung von der Vergangenheit dar, was Chemiker und Handel glücklich machte.

Verweise:

  1. Britannica.com auf John-Dalton/Atomic-Theory-Eintrag
    Ich bin misstrauisch, auf Wikipedia zu verweisen. Britannica ist immer noch Freiwild für grundlegende Fakten.

  2. Klasse 11: Wie Atome kombinieren
    Daltons Fehler, anzunehmen, dass Wasser zweiatomig sei, wird weithin berichtet. Dies ist eine von vielen Seiten, die diese Behauptung über Daltons Fehler aufstellen.

  3. Holden, Norman E. "Atomgewichte und das internationale Komitee - ein historischer Rückblick." Chemie International 26.1 (2004): 4-7.
    Ich habe das nachträglich gefunden, nachdem Emilio Pisanty mich gebeten hatte, einige Referenzen zu finden. Das sagt alles, was ich geschrieben habe, nur besser, detaillierter und mit vielen Referenzen.

  4. Meija, Juris, et al. "Atomgewichte der Elemente 2013 (IUPAC Technical Report)." Reine und Angewandte Chemie 88.3 (2016): 265-291.
    Siehe Tabelle 1 und auch Abbildung 6.

Tolle Geschichte. Die Amu-Definition basiert also hauptsächlich auf historischen Gründen. Wäre es eine große Abweichung, wenn Physiker amu als die Masse eines Protons oder Neutrons definieren würden? Warum gingen die Physiker nicht zu einer einfacheren Definition über, als diese Teilchen entdeckt wurden?
@Dieblitzen Schau die relativen Massen dieser Dinge nach und du kannst den Fehler berechnen. Nur als grobe Schätzung sagt mir die Wiki Carbon-12-Seite, dass seine Bindungsenergie 100 MeV beträgt, dh ungefähr 10 MeV pro Nukleon, während die Protonenmasse 938 MeV beträgt. Sie würden also um etwa 1% ausfallen, wenn Sie eine Protonenmasse als 1 annehmen würden - ein gewaltiger Fehler für die Metrologie. Es ist sehr schwierig, die Masse eines Satzes von Protonen ohne angehängte Elektronen zu messen. Tatsächlich wären die erforderlichen Einschlusskräfte so groß (aufgrund der gegenseitigen Abstoßung), dass ihre Masse zunehmen würde, wenn sie für die Messung eingeschlossen würden. Denken Sie daran, dass weder ....
..... das Proton oder Neutron ist ein fundamentales Teilchen, daher ist an Ihrem Vorschlag nichts "Grundlegendes". Es ist auch sehr schwierig, genügend Neutronen für die Messung zu isolieren. Die vorgeschlagenen SI-Revisionen werden die Avogadro-Zahl korrigieren, sodass unsere Definitionen letztendlich unabhängig von all diesen Dingen sein werden.
Nebenbei bemerkt, die Schwankungen in der Konzentration von 18 Ö (technisch, δ 18 Ö ) in Eisbohrkernen, die von den Eisschilden über Grönland und der Antarktis gebohrt wurden, sind eine Schlüsselbeobachtung für das Klima in der Vergangenheit. Vergletscherungen und Zwischeneiszeiten sind deutlich sichtbar δ 18 Ö Signal als Funktion der Eiskerntiefe. Diese Schwankungen korrelieren sehr gut mit Anzeichen früherer Vergletscherungen / Zwischeneiszeiten, die Geologen in Stein gemeißelt sehen.
@DavidHammen Danke, dass du die Zahlen eingegeben hast, aber das war nicht ganz das, was ich meinte; Es ist jedoch eine eigene Frage wert .
Könnten Sie auch die Atomgewichte von hinzufügen 16 Ö und 18 Ö zu Ihrem vierten Absatz, zum Vergleich mit der natürlich vorkommenden Mischung?
@Bergi - Fertig. Ich habe diese Nummern eher im dritten als im vierten Absatz hinzugefügt, weil das die erste Stelle ist, an der ich auf die verschiedenen Sauerstoffisotope verwiesen habe.

Die Masse eines bestimmten Kerns ist nicht gleich der Summe der Massen der konstituierenden Teilchen. Aus dieser Perspektive, egal welches Isotop (oder Mischung von Isotopen) als Definitionsstandard gewählt wird, wird kein anderes Isotop (oder Mischung von Isotopen) als schöne ganze Zahl enden.

Wenn zum Beispiel Kohlenstoff-12 sechs Protonen und sechs Neutronen hat, könnte man erwarten, dass Wasserstoff-2 (Deuterium; ein Proton + ein Neutron) ein Atomgewicht von genau 2 hat, aber der tatsächliche Wert ist 2,014. Um dies zu verstehen, betrachten Sie Kernfusionsreaktionen, die letztendlich Kohlenstoff-12 aus Deuterium produzieren. Die Reaktionen setzen Energie frei und die freigesetzte Energie entspricht genau der "verlorenen" Masse (via E = m c 2 ). Es ist kein sauberes Zählspiel mit Protonen und Neutronen.

Elektronen haben damit nicht viel zu tun. Es handelt sich vielmehr um eine starke Wechselwirkung zwischen den Nukleonen innerhalb desselben Kerns. Die starke Wechselwirkung bestimmt das "Komfortniveau" der Nukleonen und damit die potentielle Energie, die bei der Fusion oder Spaltung beteiligt ist, und bestimmt daher die Masse des Kerns mit.

Aus dieser Perspektive könnten Sie ein Isotop mit einem "schönen" Atomgewicht haben, aber alle anderen werden mit völlig "komischen" Atomgewichten enden. Aus dieser Perspektive spielt es keine allzu große Rolle, welches Isotop Sie als Standard verwenden, solange die Gemeinden bereit sind, Ihren Vorschlag anzunehmen.

Ich verstehe, dass die Masse eines anderen Isotops keine schöne ganze Zahl sein wird. Das ist jedoch nicht der Komfort, den ich meinte. Wie Sie sagten, "ist die Masse eines bestimmten Kerns nicht gleich der Summe der Massen der konstituierenden Teilchen." Wenn wir also den Massendefekt berechnen wollen, wenn wir Protonen- und Neutronenmassen addieren, ist Z die Masse der Protonen und nicht Z multipliziert mit (etwas 1,0004).
Das stimmt so weit es geht, aber es beantwortet die Frage nicht. Sie haben nicht gesagt, warum Kohlenstoff gewählt wurde, nur dass die Wahl grundsätzlich willkürlich war.
@dmckee - Fair genug, ich habe versucht, die bereits vorhandene hervorragende Antwort zu ergänzen, da sie nicht akzeptiert wurde und nachdem ich die Kommentarkonversation dazu gesehen hatte.
@Dieblitzen - Es steht Ihnen frei, Ihre eigene bequeme Masseneinheit zu definieren, aber Leute, die sich für Carbon-12 entschieden haben, hatten nicht ganz so viel Freiheit, wie David Hammens Antwort ausführlich erklärt. Auch heute noch wird der „Massenfehler“ empirisch gemessen und nicht berechnet, daher kommt es auf eine einfache Messung sowie auf die numerische Nähe zur früheren Definition der Einheit an.
@dmckee Ich denke, dies fällt unter eine vernünftige Lektüre der Frage. Nur weil David gegangen ist und eine erstaunliche Antwort auf die Wahl von Kohlenstoff im Vergleich zu anderen willkürlichen Entscheidungen gegeben hat, lässt die Frage auch eine Lesart zu, bei der die Antwort nur „naja, es ist willkürlich“ lautet und erklärt, warum.

Es gibt bereits zwei gute Antworten auf Ihre Frage, aber ich möchte Ihre Fragen noch ergänzen und genauer beantworten:

Die atomare Masseneinheit ist definiert als 1/12 der Masse eines Kohlenstoff-12-Atoms.

Das ist nicht richtig. Die einheitliche atomare Masseneinheit u ist definiert als 1/12 der Masse eines Kohlenstoff-12-Atoms. Die atomare Masseneinheit (amu) ist definiert als 1/16 der Masse des Sauerstoff-16-Isotops (Physik) oder 1/16 der (durchschnittlichen) Masse eines Sauerstoffatoms (Chemiker).

Gab es einen physikalischen Grund für eine solche Definition?

Nein, aber es gibt chemische Gründe. Chemiker wollen, dass der Zahlenwert des „Atomgewichts“ in einheitlichen atomaren Masseneinheiten gleich dem Zahlenwert der Molmasse ist. Zum Beispiel: Das Molekulargewicht (das der häufigkeitsgewichtete Durchschnitt der Isotopenmassen eines Atoms ist) von C beträgt 12,0107 u und seine Molmasse beträgt 12,0107 g/mol. Dadurch können Chemiker problemlos zwischen Makro- und Mikrowelt wechseln.

Versuchten sie, Elektronen in die atomare Masseneinheit einzubeziehen?

Ja, denn wenn Chemiker die Masse von Elementen oder Substanzen messen, sind diese im Wesentlichen neutral. Denken Sie an ein Stück Kohlenstoff, auch bekannt als Diamant.

Warum definiert man das Amu nicht als die Masse eines Protons oder Neutrons, so dass bei Nuklearberechnungen mindestens eines der Kernteilchen (aus Protonen und Neutronen) eine schöne ganze Zahl wäre?

Weil sich Chemiker nicht für Kernteilchen interessieren. Sie messen normalerweise Substanzen (Moleküle).

Physiker verwenden normalerweise andere Masseneinheiten: m e = Masse des Elektrons, m P = Planck-Masse usw.

Warum wurde Kohlenstoff-12 als atomare Masseneinheit gewählt?
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