Кіріспе
Атомдық масштабтағы химиялық түрлер үшін массаның стандартты бірлігі
Дальтон немесе біріктірілген атомдық масса бірлігі (символдар: Da немесе u) – ядролық және электрондық негізгі күйінде және тоқтау күйіндегі көміртек-12 атомының массасының 1/12 бөлігі ретінде анықталатын, SI емес масса бірлігі. Бұл бірлік физика және химияда атомдар, молекулалар және элементар бөлшектер сияқты атомдық масштабтағы объектілердің массасын көрсету үшін жиі қолданылады, дискретті жағдайларда да, әртүрлі жиын орташа мәндерінде де. Мысалы, гелий-4 атомының массасы 4,0026-ға тең. Бұл изотоптың ішкі қасиеті, гелий-4 атомының барлығының массасы бірдей болады. Ацетилсалицил қышқылы (аспирин) шамамен 180,157 орташа массаға ие. Дегенмен, осы массадағы ацетилсалицил қышқылы молекулалары жоқ. Ацетилсалицил қышқылы молекулаларының ең көп кездесетін екі массасы – 180,0423 (ең көп таралған изотоптары бар) және 181,0456 (бір көміртек атомы – көміртек-13). Ақуыздардың, нуклеин қышқылдарының және басқа да ірі полимерлердің молекулалық массалары көбінесе килодальтон (kDa) және мегадальтон (MDa) бірліктерімен беріледі. 2019 жылы SI бірліктерінің жаңа анықтамасынан бұрын, тәжірибелер біріктірілген атомдық масса бірлігінің мәнін табу үшін Авогадро тұрақтысының мәнін анықтауға бағытталған.
Жозеф Лошмидт
Атомдық масса бірлігінің жеткілікті дәл мәнін алғаш рет 1865 жылы Иосиф Лошмидт газдың белгілі бір көлеміндегі бөлшектер санын бағалау арқылы тікелей емес жолмен алды. Бұл электролиз жасушасының анодынан күміс металлын ерітуге және белгілі уақыт t ішінде тұрақты электр тогы I өткізуге негізделген. Егер m – анодтан жоғалған күмістің массасы, ал A – күмістің атомдық салмағы болса, онда Фарадей тұрақтысы былай беріледі: NIST ғалымдары анодтан механикалық әсерлерден жоғалған күмісті есепке алу әдісін жасады және күмістің атомдық салмағын анықтау үшін оның изотоптық құрамын зерттеді. Олардың дәстүрлі Фарадей тұрақтысының мәні F = 96485,39 құрады, бұл Авогадро тұрақтысының 6.0221449 мәніне сәйкес келеді: екі мәннің де салыстырмалы стандартты қатесі 1,3-ке тең.
The NIST scientists devised a method to compensate for silver lost from the anode by mechanical causes, and conducted an isotope analysis of the silver used to determine its atomic weight. Their value for the conventional Faraday constant was F = 96485.39, which corresponds to a value for the Avogadro constant of 6.0221449: both values have a relative standard uncertainty of 1.3.
Электрондық массаны өлшеу
Іс жүзінде атомдық масса тұрақтысы электронның тыныштықтағы массасы m және электронның салыстырмалы атомдық массасы A(e) (яғни электронның массасын атомдық масса тұрақтысына бөлу) арқылы анықталады. Электронның салыстырмалы атомдық массасын циклотрондық тәжірибелерде өлшеуге болады, ал электронның тыныштықтағы массасын басқа физикалық тұрақтылардан есептеуге болады. Мұндағы c – жарық жылдамдығы, h – Планк тұрақтысы, α – құрылымдық тұрақтысы, ал R – Ридберг тұрақтысы. Төмендегі кестедегі 2014 жылғы CODATA мәндерінен көрініп тұрғанындай, Авогадро тұрақтысының дәлдігін шектеген негізгі фактор – Планк тұрақтысының мәніндегі белгісіздік болды, себебі есептеуге қатысатын басқа тұрақтылардың бәрі дәлірек белгілі болды. Тұрақты Символ 2014 CODATA мәндері Салыстырмалы стандартты белгісіздік N-мен корреляциялық коэффициент Протон-электрон массасының қатынасы m/m 1836.152673899.5 −0.0003 Молярлық масса тұрақтысы M 0.001 кг/моль = 1 г/моль 0 (белгіленген) — Ридберг тұрақтысы R 10973731.568508 5.9 −0.0002 Планк тұрақтысы h 6.626070040 1.2 −0.9993 Жарық жылдамдығы c 2997924580 (белгіленген) — Ұсақ құрылым тұрақтысы α 7.2973525664 2.3 0.0193 Авогадро тұрақтысы N 6.022140857 1.2 1 Қазіргі уақытта белгіленген әмбебап тұрақтылардың құнының маңыздылығы төмендегі кестеден көрінеді (2018 CODATA). Тұрақты Символ 2018 CODATA мәндері Салыстырмалы стандартты белгісіздік N-мен корреляциялық коэффициент Протон-электрон массасының қатынасы m/m 1836.152673436.0 — Молярлық масса тұрақтысы M 0.9999999999653.0 — Ридберг тұрақтысы R 10973731.568160 1.9 — Планк тұрақтысы h 6.626070150 (белгіленген) — Жарық жылдамдығы c 2997924580 (белгіленген) — Ұсақ құрылым тұрақтысы α 7.2973525693 1.5 — Авогадро тұрақтысы N 6.022140760 (белгіленген) —
The power of the presently defined values of universal constants can be understood from the table below (2018 CODATA). Constant Symbol 2018 CODATA values Relative standard uncertainty Correlation coefficient with N Proton–electron mass ratiom/m 1836.152673436.0 — Molar mass constantM 0.999999999653.0 — Rydberg constantR 10973731.5681601.9 — Planck constanth 6.626070150 (defined) — Speed of lightc 2997924580 (defined) — Fine structure constantα 7.29735256931.5 — Avogadro constantN 6.022140760 (defined) —
Рентгендік кристалл тығыздықтары әдістері
Бүгінде коммерциялық өндіріс орындарында өте жоғары тазалықтағы және аз мөлшерде кристалдық тордың кемшіліктері бар кремнийдің бір кристалдарын жасау мүмкін. Бұл әдіс Авогадро тұрақтысын молярлық көлемнің V, атомдық көлемге V қатынасы ретінде анықтайды:
мұндағы және n – Vcell көлемінің бірлік жасушасына түсетін атомдар саны. Кремнийдің бірлік жасушасы 8 атомнан тұратын кубтық құрылымға ие, ал бірлік жасушаның көлемін кубтың бір қабырғасының ұзындығы a арқылы анықталатын бірлік жасуша параметрін өлшеу арқылы табуға болады. Кремний үшін 2018 жылғы CODATA мәні a = 5.431020511. Іс жүзінде өлшеулер d(Si) деп белгіленетін қашықтық бойынша жүргізіледі, ол Миллер индекстері {220} арқылы белгіленген жазықтықтар арасындағы қашықтыққа тең, және ол келесідей есептеледі:
Қолданылған сынаманың изотоптық құрамын өлшеп, ескеру қажет. Кремний үш тұрақты изотоптан (Si, Si, Si) тұрады, ал олардың арақатынастағы табиғи өзгерісі өлшеулердегі басқа белгісіздіктерге қарағанда жоғары. Үлгінің кристалдық салмағы А есептелуі мүмкін, себебі үш нуклидтің стандарттық атомдық салмағы жоғары дәлдікпен белгілі. Бұл, үлгінің ρ өлшенген тығыздығымен бірге, V молярлық көлемін анықтауға мүмкіндік береді:
The isotope proportional composition of the sample used must be measured and taken into account. Silicon occurs in three stable isotopes (Si, Si, Si), and the natural variation in their proportions is greater than other uncertainties in the measurements. The atomic weight A for the sample crystal can be calculated, as the standard atomic weights of the three nuclides are known with great accuracy. This, together with the measured density ρ of the sample, allows the molar volume V to be determined:
мұнда M – молярлық масса тұрақтысы. Кремнийдің молярлық көлемі үшін 2018 жылғы CODATA мәні 1.205883199, ал салыстырмалы стандарттық қателігі 4.9-қа тең.