Unit jisim atom
u, dalton Da · 1/12 jisim atom karbon-12 · 1.660 539 069·10⁻²⁷ kg
Menimbang sebuah atom dalam gram itu mustahil; membandingkan satu atom dengan atom lain pula mudah — hantar kedua-duanya mengelilingi bulatan dalam medan magnet dan lihat yang mana lebih banyak terpesong. Begitulah ahli kimia abad kesembilan belas bekerja: seluruh jadual mereka terdiri daripada nisbah, bukan daripada jisim. Tinggal hanya memilih apa yang akan diambil sebagai unit. Dalton mengambil hidrogen, Berzelius mengambil oksigen, dan satu setengah abad kemudian ternyata ahli fizik dan ahli kimia menggunakan oksigen yang berbeza: yang seorang mengukur isotopnya, yang lain campuran semula jadinya, dan kedua-dua skala itu berselisih pada angka keempat. Pada 1961 pertikaian berakhir dengan kompromi yang diterima kedua-dua pihak dengan berat hati: unitnya menjadi satu perdua belas atom karbon-12. Sejak itu setiap jadual berkala di setiap dinding mengira jisim bermula daripada satu atom tertentu yang tidak pernah dilihat sesiapa pun.
01 · Takrif
Unit jisim atom ialah satu perdua belas jisim atom karbon-12 yang pegun, tidak terikat, dan berada dalam keadaan dasar. Nama kedua unit ini, yang sama sahnya, ialah dalton, dan dalam biokimia nama itu telah lama menggantikan yang pertama: kilodalton dan megadalton bercakap tentang protein dan virus, manakala „u” kekal bersama atom dan nukleus.
Syarat-syarat dalam takrif itu bukan kerewelan. Atom mesti bebas, kerana dalam molekul sebahagian jisimnya masuk ke dalam ikatan. Ia mesti berada dalam keadaan dasar, kerana atom teruja lebih berat — tenaga mempunyai jisim. Dan ia mesti pegun, kerana atom yang bergerak lebih berat tepat sebanyak tenaga kinetiknya dibahagi kuasa dua laju cahaya. Ketiga-tiga pembetulan itu terletak pada angka kesepuluh dan ketiga-tiganya penting: spektrometri jisim sudah lama bekerja lebih halus.
Sifat paling menarik unit ini: bagi hampir segala-galanya ia memberikan nombor yang tidak bulat. Jisim karbon-12 menurut takrif tepat dua belas; jisim mana-mana nuklid lain menyimpang daripada nombor jisimnya. Oksigen-16 beratnya 15.9949, helium-4 beratnya 4.0026, dan uranium-235 beratnya 235.0439. Puncanya bukan ketidaktepatan pengukuran, tetapi kerana nukleus yang terikat lebih ringan daripada bahagiannya: tenaga ikatan telah ditolak daripada jisim. Justru kekurangan inilah punca seluruh tenaga nuklear, dan dalam unit inilah ia paling mudah dilihat.
Keistimewaannya sendiri muncul pada 2019. Sebelum itu kilogram ditetapkan oleh sebuah silinder di Sèvres, manakala nombor Avogadro diukur; selepas pembaharuan semuanya terbalik: nombor Avogadro ditetapkan dengan tepat, kilogram diikat pada pemalar Planck — dan dalton, yang sebelumnya tepat menurut takrif, menjadi kuantiti yang diukur. Kini ia diketahui dengan ketakpastian relatif tiga persepuluh daripada sepersebilion, dan jisim molar karbon-12 tidak lagi tepat dua belas gram per mol, melainkan hanya dalam batas ketakpastian itu.
Empat nukleus hidrogen beratnya 4.0313 u, dan helium yang terhasil daripadanya beratnya 4.0026. Perbezaan 0.0287 u itu pergi sebagai cahaya, dan itu tujuh persepuluh peratus daripada jisim asal. Bunyinya sedikit, tetapi Matahari memproses enam ratus juta tan hidrogen sesaat, dan empat juta tan daripadanya bertukar menjadi sinaran — setiap saat, selama lima bilion tahun. Pembelahan uranium hanya memberikan sembilan perseratus peratus, lapan kali lebih sedikit; seluruh perbezaan antara reaktor dan bintang muat pada angka keempat unit jisim atom.
02 · Penukaran
Masukkan satu nilai — helaian ini akan menukarkannya kepada unit yang lain
Tiga keluarga: skala jisim, apa yang beratnya sama, dan tenaga menurut rumus Einstein.
Pertembungan dalton dengan gram per mol bukanlah keserupaan, melainkan akibat cara nombor Avogadro dipilih. Sebelum 2019 ia tepat menurut binaannya; kini jisim molar karbon-12 ialah 12.000 000 013 gram per mol dengan ketakpastian pada angka terakhir, dan bagi mana-mana kerja makmal ia masih dua belas. Perbezaannya perlu diingat di dua tempat: pada pengukuran teliti komposisi isotop dan ketika membaca buku panduan lama, tempat „amu” boleh bermaksud skala oksigen-16, yang menyimpang daripada skala kini sebanyak tiga perseratus peratus.
| Penulisan | Apa maknanya | Nilai | Di mana ditemui |
|---|---|---|---|
| u (Da) | unit jisim atom | 1.0000 | nuklid dan molekul |
| kDa | kilodalton | 0.0010 | protein |
| MDa | megadalton | 0.00000 | virus, ribosom |
| kg | dalam unit SI | 1.661·10⁻²⁷ kg | penukaran melalui 1.6605·10⁻²⁷ |
| г | dalam gram | 1.661·10⁻²⁴ g | perkara yang sama, lebih biasa |
| g/mol | jisim molar | 1.0000 | sama nilainya dengan u |
| MeV/c² | tenaga rehat | 931.494 | fizik nuklear |
| mₑ | dalam jisim elektron | 1822.89 | 1 u = 1822.89 mₑ |
cacat jisim = jumlah jisim nukleon − jisim nukleus
03 · Tertib magnitud
logaritma perpuluhan jisim, dalam daltonNukleon dan atom ringan
04 · Alat pengukur
Dengan apa atom ditimbang
Seberkas ion melalui medan elektrik dan medan magnet yang menghantar zarah berlainan jisim ke tempat berlainan pada plat foto. Francis Aston membina alat sedemikian pada 1919 dan dalam beberapa tahun menemui dua ratus dua belas isotop, sekali gus menerangkan mengapa jisim atom dalam jadual bukan nombor bulat: unsur ialah campuran. Ketepatannya mencapai seperseribu peratus, dan sebanyak itu pun sudah menunjukkan cacat jisim.
Satu ion ditahan oleh medan magnet dan medan elektrik sambil frekuensi peredarannya didengari: frekuensi itu berkadar songsang dengan jisim. Kemudian dua frekuensi dibandingkan — frekuensi ion yang dikaji dan frekuensi ion karbon — lalu diperoleh nisbah jisim dengan sebelas angka bererti. Inilah kaedah pengukuran paling tepat dalam seluruh fizik; dengan kaedah inilah disahkan bahawa cacat jisim dalam tindak balas nuklear sepadan dengan tenaga yang dibebaskan, iaitu rumus Einstein sendiri yang diuji.
Denyut laser meleraikan molekul daripada alasnya, medan elektrik memberikan tenaga yang sama kepada semuanya, dan seterusnya tinggal diukur siapa yang lebih dahulu melintasi tiub: yang berat ketinggalan. Kaedah ini berkesan juga pada protein bersaiz ratusan kilodalton, yang dengan cara lain tidak dapat ditimbang secara utuh. Di sinilah perkataan „dalton” hidup: dalam biokimia jisim sentiasa disebut begitu, manakala „u” akan berbunyi janggal.
Alat yang menimbang bukan atom, melainkan kilogram: daya graviti pada sampel diimbangi oleh daya pada gegelung dalam medan magnet, dan hasilnya dinyatakan melalui pemalar Planck. Ia tidak mengukur unit jisim atom, tetapi menetapkan hujung satu lagi jambatan antara atom dan batu timbang. Justru kerana itulah dalton kehilangan ketepatannya selepas 2019: hubungannya dengan kilogram kini melalui kuantiti yang diukur, bukan melalui takrif.
05 · Peraturan penulisan
Satu unit, dua nama, awalan hanya pada salah satunya
Dalton ialah unit yang mempunyai namanya sendiri, dan awalan dilekatkan padanya; pada „u” awalan tidak dilekatkan.
Singkatan „amu” sudah lapuk dan lagi pula bermakna dua: dalam kepustakaan sebelum 1961 ia bermaksud skala oksigen, bukan skala karbon. Kilodalton ialah bentuk yang betul bagi molekul besar; menulis enam puluh empat ribu dalton tiada gunanya. Pada simbol dalton hanya huruf pertama yang besar, kerana unit itu dinamakan sempena nama seseorang, manakala „u” kekal kecil kerana „unit” bukanlah satu nama. Dan akhirnya: jisim uranium-235 bukan 235, melainkan 235.0439 u — yang bulat di sini hanyalah nombor jisim, iaitu bilangan nukleon, dan mengelirukannya dengan jisim bererti kehilangan justru kuantiti yang menjadi tujuan segala perkiraan itu.
06 · Unit jiran
Dalton berdiri antara kilogram, mol dan elektronvolt.
jambatan melalui pemalar Planck
nombor yang sama, tetapi dalam gram
jisim yang dinyatakan sebagai tenaga
Di sebelahnya, dalam Simetrium, berdiri kilogram, mol, elektronvolt dan barn.
07 · Bahagian sejarah
Satu setengah abad pertikaian tentang apa yang patut menjadi unit
John Dalton mengambil hidrogen sebagai unit — bukan atas dasar prinsip, tetapi kerana tiada apa yang lebih ringan diketahui orang. Jisim mutlak tidak diukurnya dan memang tidak dapat diukur; seluruh jadualnya terdiri daripada nisbah yang diperoleh daripada kadar berat dalam tindak balas. Kesilapannya banyak: air dianggapnya HO, lalu oksigen terhasil dua kali lebih ringan daripada yang sebenar. Namun gagasan bahawa setiap unsur mempunyai nombor cirinya sendiri ternyata kekal, dan namanya akhirnya jatuh kepada unit ini.
Jöns Jacob Berzelius memindahkan sandaran kepada oksigen: unsur itu bergabung dengan hampir segala-galanya, dan melaluinya jisim ditentukan lebih tepat berbanding melalui hidrogen yang berubah-ubah. Mula-mula oksigen diambil sebagai seratus, kemudian sebagai enam belas — supaya hidrogen kekal dekat dengan satu. Skala yang terhasil itu bertahan lebih seabad dan masuk ke dalam semua buku rujukan; bahawa oksigen boleh berbeza-beza, ketika itu tiada siapa mengesyakinya.
Penemuan isotop oksigen menimbulkan persoalan yang menyusahkan: ahli fizik yang bekerja dengan spektrometer jisim mengambil oksigen-16 tulen sebagai enam belas, manakala ahli kimia terus menggunakan campuran semula jadi yang lebih berat. Selama tiga puluh tahun dua skala hidup seiringan, berbeza sebanyak dua setengah persepuluh ribu, dan setiap jadual memerlukan catatan tentang skala siapa yang digunakan. Kompromi ditemui pada karbon-12: ia menganjak jisim kimia hanya sebanyak empat perseratus permil dan sesuai bagi kedua-dua pihak sebagai garis rujukan spektrum jisim.
Sebelum pembaharuan, dalton tepat menurut takrif, manakala nombor Avogadro diukur. Sejak Mei 2019 keadaannya terbalik: nombor Avogadro ditetapkan, kilogram dinyatakan melalui pemalar Planck, dan dalton menjadi kuantiti yang diukur dengan ketakpastian pada angka kesepuluh. Sekali gus, kesamaan biasa antara jisim molar karbon dengan dua belas gram per mol berhenti menjadi keserupaan. Tiada akibat praktikal bagi mana-mana pengiraan dalam kimia, tetapi tinggal satu kesimpulan metrologi yang indah: yang tepat hanyalah apa yang telah ditetapkan.
Unit yang hidup daripada nisbah
Unit jisim atom hampir tidak pernah diukur secara langsung — yang diukur ialah nisbah jisim, dan di situlah keistimewaan metrologinya. Perangkap Penning membandingkan frekuensi peredaran dua ion dan memberikan nisbah dengan sebelas angka; menukarkan nisbah itu kepada kilogram menambah ketakpastian yang bertertib magnitud lebih besar daripada pembandingan itu sendiri. Oleh sebab itu jadual jisim nuklid yang dinyatakan dalam dalton lebih tepat daripada mana-mana jisim tersebut yang dinyatakan dalam kilogram: di dalam skalanya sendiri ia mengekalkan angka kesepuluh hingga kesebelas, sedangkan hubungan skala itu dengan kilogram hanya diketahui sehingga angka kesepuluh. Daripada sini lahir satu peraturan praktikal yang mudah: perbezaan jisim — umpamanya cacat dalam tindak balas nuklear — dikira dalam dalton atau terus dalam elektronvolt dan tidak sekali-kali ditukarkan kepada kilogram sebagai langkah perantaraan, kerana jika tidak, pada perbezaan yang terletak di angka kesepuluh akan bertambah ketakpastian penukarannya. Daripada sini juga lahir kesimpulan anggun pembaharuan 2019: dengan mengisytiharkan nombor Avogadro sebagai tepat, para ahli metrologi membiarkan dalton kekal diukur — bermakna mereka mengakui bahawa hubungan dunia atom dengan dunia batu timbang tetap merupakan urusan uji kaji, bukan persetujuan.
Katalog · unit ukuran
Satu helaian bagi setiap kuantiti
Tujuh unit asas SI, dua puluh dua unit terbitan yang mempunyai nama sendiri, dan unit-unit di luar SI yang tidak dapat ditinggalkan baik oleh teknologi mahupun kehidupan seharian. Setiap satu mempunyai helaiannya sendiri: takrif, penukaran, alat ukur, peraturan penulisan. Dalam 36 bahasa.
Atom dan nukleus: unit pada skala ini
jisim, tenaga, keratan rentasBerapa berat benda yang kita kenali
dalam daltonUnit asas SI
kilogram dan molBahasa helaian ini
36 bahasa. Lambang u dan Da bersifat antarabangsa; yang diterjemahkan ialah nama alat, nuklid dan penjelasan skala.