الكتلة الذرية هو عبارة عن مجموع كتل البروتونات “الجسيمات المشحونة بشكل إيجابي”، والنيترونات  “الجسيمات غير المشحونة ” في النواة، وبالتالي فإن وحدة الكتلة ليست كتلة البروتون أو كتلة النيترون، علمًا أن الإلكترونات كتلتها صغيرة جدًا، لذلك تهمل في الكتلة الذرية، وتعد الكتلة الذرية سمة مميزة لقياس حجم الذرة، حيث تلعب دورًا رئيسيًا في الخصائص الكيميائية للعناصر.

وتقاس وحدة الكتلة الذرية بكتل الجزئيات أو الجسيمات النووية، حيث تعد مقدارًا ثابتًا، ويساوي 1/12 من كتلة ذرة الكربون أو ما يساوي كتلة نظير ذرة الكربون” -12 ” والتى اعتُمدت في قياس الكتل الذرية للعناصر الأخرى، وتعرف أيضًا بوحدة الكتلة الذرية الموحدة، كما أنها يمكن أن تساوي القيم الثابتة التالية:

  • 1.66 yoctograms
  • 1.66053904020 *10 ^-27 kg
  • 1.66053904020 *10 ^-24 g
  • 931.49409511 MeV/C2
  • 1822.8839 Me

فمثلًا نظير عنصر الكربون الأول، الذي يحتوي على ستة بروتونات، وستة نيوترونات، وبالتالي تساوي كتلته الذرية  12 أو -12. أما النظير الثاني للكربون يحوي على ستة بروتونات، وسبعة نيوترونات، ولذلك فإن الكتلة الذرية تساوي 13 أو -13 ، وكذلك الأمر بالنسبة للنظير الثالث.

علمًا أن عدد النيوترونات الموجودة في النواة  تؤثر على كتلة الذرة، ولكن لا يؤثر في خصائصها الكيميائية. ففي حال وجود نواة تملك ستة بروتونات، وستة نيوترونات، سيكون لها نفس الخصائص الكيميائية في نواة أخرى تحوي ستة بروتونات، وثمانية نيوترونات، وتعرف النوى التي تحوي على نفس العدد من البروتونات ولكن مع أعداد مختلفة من النيوترونات باسم النظائر، مع العلم أن جميع العناصر الكيميائية في الطبيعة لها نظائر.

فمثلًا يملك عنصر الهيدروجين على ثلاثة نظائر” البروتيوم، الديوتريوم، التريتيوم “، حيث تمتلك جميعها بروتون واحد، ولكن لا يحتوي البروتيوم على نيوترونات، في حين يحتوي الديوتريوم على نيترون واحد، بينما التريتيوم يحتوي على اثنين من النيوترونات.

كما تعرف وحدة قياس الكتلة الذرية بالرمز  U أو دالتون  Da ، بالإضافة لوجود اسم amu الذي هو اختصار مقبول لوحدة القياس الكتلة الذرية ” unified atomic mass unit ” كما يعد الأكثر استخدامًا حاليًا، وهو يساوي:

1U =1D =1 amu = 1 g/mol

ويعد  العالم جون دالتون أول من اقترح هذه الطريقة في تمثيل وحدة الكتلة الذرية في عام 1803، حيث استخدام كتلة نظير الهيدروجين -1 “البروتيوم”.

ثم اقترح العالم ويلهم أوستوالد أن الكتلة الذرية ستكون أفضل في حال تم التعبير عنها في 1/16 من كتلة الأوكسجين، ولكن عندما اُكتشفت النظائر في عام 1912م بالإضافة لاكتشاف النظير الأوكسجيني عام 192م ، الذي أربك  العلماء، حيث استخدم بعضهم الكتلة الذرية بالاعتماد على الوفرة الأساسية للأوكسجين، في حين استخدم آخرون نظائر الأوكسجين، واستمر ذلك حتى عام 1961م حيث اتخذ القرار في استخدام كتلة نظير الكربون -12 كأساس لوحدة قياس الكتلة القياسية.

ومن الأمثلة الهامة عن القيم التي عُبر عنها بوحدة القياس amu ما يلي:

  • كتلة نظير الهيدروجين “-1” حيث تساوي 1.007 .U / Da / amu
  • كتلة نظير الكربون “التيتن” تساوي 3 *106 U / Da / amu .
  • يتكون الكلور من نظيرين حيث يساوي النظير الأول 34.9689 U / Da / amu أما النظير الثاني 36.9689 .U / Da / amu
  • كتلة نظير اليورانيوم الأول تساوي 235.043 924 U / Da / amu في حين كتلة الذرية للنظير الثاني 238.050 785U / Da / amu .

أكمل القراءة

جميعنا نعرف وحدة قياس الكتلة المُعتمدة للنظام الدولي للوحدات (SI) وهي الكيلوغرام (kg)، ولكن يمكن أن يختلف الأمر حسب مستوى الكُتلة المُقاس، فعند الكتل الكبيرة يمكن أن نستعيض عن الكيلوغرام بالطن، و في الكتل الصغيرة نستخدم الغرام.

وكذلك الأمر بالنسبة للعالم الذري، فإن الواحدة المُستخدمة لقياس الكتل الذرية تختلف عمّا سبق وهي الدالتون أو amu والتي هي اختصار لـ atomic mass unit. وتعتمد كلتا الواحدتين على ذرة الكربون كقيمة مرجعية، حيث إن واحد دالتون أو amu = 1\12 من كتلة ذرة الكربون-12، وبالتالي فالكتلة الذرية للكربون تساوي 12 دالتون.

تمثل الكتلة الذرية، كتلة مكونات الذرة من بروتونات ونيوترونات وإلكترونات، واُعتبِرَ أن كل واحد بروتون = واحد نيوترون = واحد دالتون، وأهُمِلت كتلة الإلكترون لصغرها. وكان يجب إيجاد عنصر فيه عدد البروتونات مساوٍ للنيوترونات، ووجدوا أن الكربون-12 C-12″” سيفي بالغرض، لأنه يحوي على 6 نيوترونات و 6 بروتونات، هذا يعني أننا نحصل على كتلة متوسطة لكتلة واحدة سواء كانت بروتونًا أو نيوترونًا، ويوجد بهذا الشكل بالطبيعة بـ 99٪ من الحالات.

استخدم الكيميائيون الأكسجين كمعيار، ولكن بسبب وجود الأكسجين -17 والأكسجين -18، مما أدى إلى جدولين مختلفين من الكتلة الذرية، لذلك اُعتمِد الكربون-12.

يمكن أن نشاهد قيمة الكتلة الذرية في الجدول الدوري للعناصر، أسفل اسم العنصر، ولنأخذ الليثيوم كمثال:

ما هي وحدة الكتل الذرية

في الصورة أعلاه، يشير السهم الأحمر إلى الكتلة الذرية لليثيوم، ونرى في الأعلى العدد الذري الذي يساوي عدد البروتونات، وبطرح قيمة العدد الذري من قيمة الكتلة الذرية نحصل على عدد النيوترونات بشكلٍ تقريبي. انظر للمثال أدناه:

كما نعلم أن الكتلة الذرية = عدد البروتونات + عدد النيوترونات

ومنه، عدد النيوترونات = الكتلة الذرية – عدد البروتونات

عدد النيوترونات = 3 -7= 4

طبعًا القانون نفسه، يُطبَّق على كل العناصر.

كان أول من قاس الكُتل الذرية هو عالم الكيمياء جون دالتون (الذي سُميت الواحدة على اسمه) وذلك بين عامي 1803 و 1805، وتلاه بعد ذلك يونس ياكوب بيرسيليوس بين عامي 1808 و 1826، الذي صحح ما كان يُسمى حينها بقانون بروت لعالم الكيمياء الإنجليزي ويليام بروت، فقد اقترح في سلسلة أوراق بحثية (نُشِرت بين عام 1815 و 1816) أن العناصر المعروفة لها أوزان ذرية تمثل عددًا صحيحًا من مضاعفات الكتلة الذرية للهيدروجين، ولكن اقترح بيرسيليوس أن هذا القانون ليس حلًا، ذلك بحجة أن الكلور (Cl) له كتلة 35.45، وهو ليس عددًا صحيحًا مضاعفًا لكتلة الهيدروجين.

ومنذ نصف الأول للقرن المنصرم وحتى الستينيات، استخدم الكيميائيون والفيزيائيون مقياسين مختلفين للكتلة الذرية، إلى أن اُعتمِدت وحدة الكتلة الذرية الموحدة من قبل الاتحاد الدولي للفيزياء البحتة والتطبيقية في عام 1960، أمّا الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية فقد اعتمده بعد عام.

أكمل القراءة

هل لديك إجابة على "ما هي وحدة الكتل الذرية"؟