Atomik kütle birimi
u, dalton Da · karbon-12 atomunun kütlesinin 1/12'si · 1,660 539 069·10⁻²⁷ kg
Bir atomu gram cinsinden tartmak olanaksızdır; bir atomu bir başkasıyla karşılaştırmaksa kolaydır — ikisini de manyetik alanda çember boyunca gönderin ve hangisinin daha çok saptığına bakın. On dokuzuncu yüzyıl kimyacıları böyle çalışıyordu: bütün çizelgeleri kütlelerden değil, oranlardan oluşur. Geriye yalnızca birim olarak neyin alınacağını seçmek kalıyordu. Dalton hidrojeni aldı, Berzelius oksijeni; bir buçuk yüzyıl sonra ortaya çıktı ki fizikçilerle kimyacıların oksijeni farklıymış: kimi izotopu ölçüyordu, kimi doğal karışımı, ve ölçekler dördüncü basamakta ayrılıyordu. 1961'de tartışma, her iki tarafın da isteksizce razı olduğu bir uzlaşmayla bitti: birim, karbon-12 atomunun on ikide biri oldu. O günden beri her duvardaki her periyodik çizelge, kütleleri kimsenin gözüyle görmediği tek bir atomdan sayar.
01 · Tanım
Atomik kütle birimi, durgun, bağlanmamış ve temel durumdaki bir karbon-12 atomunun kütlesinin on ikide biridir. Birimin ikinci, eşit ölçüde geçerli adı daltondur ve biyokimyada birincisinin yerini çoktan almıştır: kilodaltonlar ile megadaltonlar proteinlerden ve virüslerden söz eder, „u“ ise atomlarla çekirdeklerin yanında kalmıştır.
Tanımdaki kayıtlar bilgiçlik değildir. Atom serbest olmalıdır, çünkü molekülde kütlenin bir bölümü bağa gider. Temel durumda olmalıdır, çünkü uyarılmış atom daha ağırdır — enerjinin kütlesi vardır. Ve durgun olmalıdır, çünkü hareket eden atom, kinetik enerjisinin ışık hızının karesine bölümü kadar daha ağırdır. Üç düzeltme de onuncu basamakta yer alır ve üçü de önemlidir: kütle spektrometrisi çoktandır daha ince çalışmaktadır.
Birimin en ilginç özelliği, neredeyse her şey için tam olmayan bir sayı vermesidir. Karbon-12'nin kütlesi tanım gereği tam on ikidir; başka herhangi bir nüklidin kütlesi kendi kütle numarasından ayrılır. Oksijen-16'nın kütlesi 15,9949, helyum-4'ünki 4,0026, uranyum-235'inki 235,0439'dur. Bunun nedeni ölçümlerin kesin olmayışı değil, bağlı çekirdeğin parçalarından daha hafif olmasıdır: bağlanma enerjisi kütleden çıkarılmıştır. İşte bu açık, bütün nükleer enerjinin kaynağıdır ve en rahat bu birimlerde görülür.
Kendine özgü bir durum 2019'da ortaya çıktı. O güne dek kilogramı Sèvres'deki bir silindir belirliyor, Avogadro sayısı ise ölçülüyordu; reformdan sonra her şey tersine döndü: Avogadro sayısı tam olarak sabitlendi, kilogram Planck sabitine bağlandı — ve daha önce tanım gereği kesin olan dalton, ölçülen bir büyüklüğe dönüştü. Bugün onu milyarda birin onda üçü bağıl belirsizlikle biliyoruz ve karbon-12'nin molar kütlesi artık tam on iki gram/mol değil, yalnızca bu belirsizlik sınırları içindedir.
Dört hidrojen çekirdeği 4,0313 u, onlardan oluşan helyum ise 4,0026 çeker. Aradaki 0,0287 u ışık olarak gider ve bu, başlangıç kütlesinin yüzde yedi onda biridir. Az gibi duyulur, ama Güneş saniyede altı yüz milyon ton hidrojen işler ve bunun dört milyon tonu ışımaya dönüşür — her saniye, beş milyar yıldır. Uranyum fisyonu yalnızca yüzde dokuz yüzde bir verir, sekiz kat daha az; reaktörle yıldız arasındaki bütün fark, atomik kütle biriminin dördüncü basamağına sığar.
02 · Çevirme
Bir değer girin — sayfa onu öteki birimlere çevirsin
Üç aile: kütle ölçeği, aynı ağırlıkta olanlar ve Einstein formülüne göre enerji.
Daltonun gram/mol ile örtüşmesi bir özdeşlik değil, Avogadro sayısının nasıl seçildiğinin sonucudur. 2019'dan önce kuruluşu gereği kesindi; şimdi karbon-12'nin molar kütlesi son basamağında belirsizlikle 12,000 000 013 gram/moldür ve her laboratuvar çalışması için hâlâ on ikidir. Farkı iki yerde anımsamak gerekir: izotop bileşiminin kesin ölçümlerinde ve „amu“nun bugünkünden yüzde üç yüzde bir ayrılan oksijen-16 ölçeğini gösterebildiği eski elkitaplarını okurken.
| Yazım | Ne anlama gelir | Değer | Nerede karşımıza çıkar |
|---|---|---|---|
| u (Da) | atomik kütle birimi | 1,0000 | nüklitler ve moleküller |
| kDa | kilodalton | 0,0010 | proteinler |
| MDa | megadalton | 0,00000 | virüsler, ribozomlar |
| kg | SI birimlerinde | 1,661·10⁻²⁷ kg | 1,6605·10⁻²⁷ üzerinden çevirme |
| г | gram olarak | 1,661·10⁻²⁴ g | aynısı, daha alışıldık |
| g/mol | molar kütle | 1,0000 | sayıca u ile aynı |
| MeV/c² | durgun enerji | 931,494 | nükleer fizik |
| mₑ | elektron kütlesi cinsinden | 1822,89 | 1 u = 1822,89 mₑ |
kütle açığı = nükleonların kütleleri toplamı − çekirdeğin kütlesi
03 · Büyüklük mertebeleri
kütlenin onluk logaritması, dalton cinsindenNükleonlar ve hafif atomlar
04 · Ölçüm aygıtları
Atom neyle tartılır
Bir iyon demeti, farklı kütledeki parçacıkları fotoğraf plakasının farklı yerlerine gönderen elektrik ve manyetik alanlardan geçer. Francis Aston böyle bir aygıtı 1919'da kurdu ve birkaç yıl içinde iki yüz on iki izotop buldu; böylece çizelgedeki atom kütlelerinin neden tam sayı olmadığı bir çırpıda açıklandı: element bir karışımdır. Kesinlik yüzde binde bire ulaşıyordu ve daha o kadarı bile kütle açığını gösterdi.
Tek bir iyon manyetik ve elektrik alanlarla tutulur ve dolanma frekansı dinlenir: bu frekans kütleyle ters orantılıdır. Sonra iki frekans karşılaştırılır — incelenen iyonunki ile bir karbon iyonununki — ve kütle oranı on bir anlamlı basamakla elde edilir. Bu, bütün fizikteki en kesin ölçme yöntemidir; nükleer tepkimelerdeki kütle açığının açığa çıkan enerjiyle uyuştuğu, yani Einstein formülünün kendisi, tam da onunla denetlenir.
Bir lazer darbesi molekülleri altlıktan koparır, elektrik alanı hepsine aynı enerjiyi verir ve geriye yalnızca boruyu ilk kimin geçtiğini ölçmek kalır: ağır olanlar geride kalır. Yöntem, başka hiçbir yolla bütün olarak tartılamayan yüzlerce kilodaltonluk proteinlerde de işler. „Dalton“ sözcüğü işte burada yaşar: biyokimyada kütle her zaman böyle adlandırılır, „u“ ise tuhaf kaçardı.
Atomları değil, kilogramı tartan bir aygıt: örnek üzerindeki yerçekimi, manyetik alandaki bir bobine etkiyen kuvvetle dengelenir ve sonuç Planck sabiti üzerinden ifade edilir. Atomik kütle birimini ölçmez, ama atomla ağırlık arasındaki köprünün öbür ucunu belirler. 2019'dan sonra daltonun kesinliğini yitirmesinin nedeni tam da budur: kilogramla bağı artık bir tanımdan değil, ölçülen büyüklüklerden geçmektedir.
05 · Yazım kuralları
Bir birim, iki ad, ön ekler yalnızca birine
Dalton kendi adı olan bir birimdir ve ön ekler ona eklenir; „u“ya eklenmez.
„amu“ kısaltması eskimiştir, üstelik iki anlamlıdır: 1961 öncesi yazında oksijen ölçeğini gösterirdi, karbon ölçeğini değil. Büyük moleküller için doğru biçim kilodaltondur; altmış dört bin dalton yazmanın gereği yoktur. Daltonun simgesinde yalnızca ilk harf büyüktür, çünkü birim bir insanın adını taşır; „u“ ise küçük kalır, çünkü „unit“ bir ad değildir. Ve son olarak: uranyum-235'in kütlesi 235 değil, 235,0439 u'dur — burada tam olan yalnızca kütle numarası, yani nükleon sayısıdır ve onu kütleyle karıştırmak, tam da uğruna her şeyin hesaplandığı büyüklüğü yitirmek demektir.
06 · Komşu birimler
Dalton, kilogram, mol ve elektronvolt arasında durur.
Planck sabiti üzerinden bir köprü
aynı sayı, ama gram olarak
enerji olarak ifade edilen kütle
Simetrium'da yanında duranlar kilogram, mol, elektronvolt ve barn.
07 · Tarihsel bölüm
Birimin ne olacağı üzerine bir buçuk yüzyıllık tartışma
John Dalton birim olarak hidrojeni aldı — ilkeden değil, daha hafif bir şey bilinmediği için. Mutlak kütleleri ölçmedi, ölçemezdi de; bütün çizelgesi tepkimelerin ağırlık oranlarından çıkarılmış oranlardan oluşuyordu. İçinde çok hata var: suyu HO sanıyordu, böylece oksijen gerçekte olduğunun iki katı hafif çıktı. Ama her elementin kendine özgü bir sayısı olduğu düşüncesi ölümsüz çıktı ve adı sonunda birime nasip oldu.
Jöns Jacob Berzelius dayanak noktasını oksijene kaydırdı: oksijen hemen her şeyle birleşir ve kütleler onun üzerinden, kaprisli hidrojene göre daha kesin belirlenir. Önce oksijen yüz kabul edildi, sonra on altı — hidrojen bire yakın kalsın diye. Böyle elde edilen ölçek bir yüzyıldan uzun süre ayakta kaldı ve bütün başvuru kitaplarına girdi; oksijenin farklı türleri olabileceğini o zaman kimse sezmiyordu.
Oksijen izotoplarının bulunuşu rahatsız edici bir soru doğurdu: kütle spektrometresiyle çalışan fizikçiler saf oksijen-16'yı on altı kabul etti, kimyacılar ise daha ağır olan doğal karışımı kullanmayı sürdürdü. Otuz yıl boyunca iki ölçek yan yana yaşadı, birbirinden on binde iki buçuk ayrılarak; her çizelge kime ait olduğunu belirten bir not gerektiriyordu. Uzlaşma karbon-12'de bulundu: kimyasal kütleleri yalnızca binde dört yüzde bir kaydırıyordu ve kütle spektrumunun dayanak çizgisi olarak her iki tarafa da uygundu.
Reformdan önce dalton tanım gereği kesindi, Avogadro sayısı ise ölçülürdü. Mayıs 2019'dan bu yana tersi geçerli: Avogadro sayısı sabitlenmiş, kilogram Planck sabiti üzerinden ifade edilmiş, dalton ise onuncu basamakta belirsizliği olan ölçülen bir büyüklüğe dönüşmüştür. Bu arada karbonun molar kütlesinin on iki gram/mola eşitliği de bir özdeşlik olmaktan çıkmıştır. Kimyadaki hiçbir hesap için pratik bir sonucu yoktur, ama güzel bir metrolojik ders kalır: kesin olan yalnızca kararlaştırılmış olandır.
Oranlarla yaşayan bir birim
Atomik kütle birimi neredeyse hiçbir zaman doğrudan ölçülmez — ölçülen şey kütle oranlarıdır ve metrolojik özelliği de buradadır. Penning tuzağı iki iyonun dolanma frekanslarını karşılaştırır ve oranı on bir basamakla verir; bu oranı kilograma çevirmek, karşılaştırmanın kendisinden mertebelerce büyük bir belirsizlik ekler. Bu yüzden dalton cinsinden verilmiş bir nüklit kütleleri çizelgesi, bu kütlelerin kilogram cinsinden verilmiş herhangi birinden daha kesindir: kendi ölçeği içinde onuncu ve on birinci basamağı tutar, oysa ölçeğin kilogramla bağı yalnızca onuncuya dek bilinir. Buradan basit bir pratik kural çıkar: kütle farkları — söz gelimi bir nükleer tepkimedeki açık — dalton cinsinden ya da doğrudan elektronvolt cinsinden hesaplanır ve ara adım olarak asla kilograma çevrilmez; yoksa onuncu basamaktaki bir farka çevirmenin belirsizliği de eklenir. Ve buradan 2019 reformunun zarif sonucu da çıkar: Avogadro sayısını kesin ilan eden metrologlar daltonu ölçülen olarak bıraktılar — böylece atomlar dünyasıyla ağırlıklar dünyası arasındaki bağın bir uzlaşma değil, bir deney sorunu olarak kaldığını kabul etmiş oldular.
Katalog · ölçü birimleri
Her büyüklük için bir sayfa
SI'nin yedi temel birimi, kendi adları olan yirmi iki türetilmiş birim ve ne tekniğin ne de günlük yaşamın onlarsız yapabildiği SI dışı birimler. Her birinin kendi sayfası vardır: tanım, çevirme, aygıtlar, yazım kuralları. 36 dilde.
Atom ve çekirdek: bu ölçeğin birimleri
kütle, enerji, tesir kesitiTanıdık şeyler ne kadar çeker
dalton olarakSI temel birimleri
kilogram ve molSayfanın dili
36 dil. u ve Da simgeleri uluslararasıdır; çevrilenler aygıt adları, nüklidler ve ölçek açıklamalarıdır.