вуглецевих одиниць
В сучасних таблицях елементів все значення Ar наведені в вуглецевих одиницях, і якщо в природі даний елемент присутній у вигляді суміші ізотопів, то наводиться їх усереднена маса. Але якщо природний кисень # 150; це суміш 16 О, 17 О і 18 О, то чому його відносна атомна маса менше 16? Може бути, у кисню є легші ізотопи? формально є # 150; це 11 О, 12 О, 13 О, 14 О і 15 О, але всі вони сильно радіоактивні (найбільший період напіврозпаду # 150; 124 секунди), в природі не зустрічаються і тому не можуть внести жодного внеску в атомну масу кисню. До речі, у кисню відомі ізотопи і з масовими числами більше 18 # 150; аж до 24 О, але вони також практично не зустрічаються в природі (період напіврозпаду самого довгоживучих # 150; 19 Про становить 27 с). Атомні маси окремих нуклідів відомі з дуже високою точністю. Наприклад, для двох природних ізотопів хлору Ar = 34,96885272 і +36,96590262. Чому ж вони не цілі (хоча і близькі до них)?
Щоб зрозуміти, чому це так, порівняємо колишню фізичну кисневу одиницю і нинішню вуглецеву. Здавалося б, вони повинні бути абсолютно однаковими, так як при визначенні одиниць вимірювання раніше масу атома 16 O (в ньому 8 протонів, 8 нейтронів і 8 електронів) ділили на 16, а зараз масу атома 12 C (у ньому 6 протонів, 6 нейтронів і 6 електронів) ділять на 12. Тому якщо позначити масу протона mp. масу нейтрона mm і масу електрона me. то за правилами арифметики ми повинні отримати для кисневої одиниці (8mp + 8mn + 8me) / 16 = 1/2 (mp + mn + me), а для вуглецевої одиниці (6mp + 6mn + 6me) / 12 = 1/2 (mp + mn + me), тобто те ж саме значення.
Однак насправді все не так: дванадцята частина маси атома 12 C більше шістнадцятої частини атома 16 O! Пояснюється це тим, що при утворенні ядер з окремих протонів і нейтронів арифметика «не працює». При злитті нуклонів в одне міцне ядро виділяється величезна кількість енергії; відповідно до рівняння Ейнштейна E = mc 2. виділилася енергія «забирає» з собою частину маси, і маса нового атома не дорівнює сумі мас, його складових. Ця різниця, що отримала назву дефекту мас, може становити значну частку від маси ядер # 150; для деяких атомів близько 1%! Найбільше «худнуть» при утворенні атоми з масовим числом близько 50 (середина 4-го ряду елементів в періодичній таблиці). До цих елементів дефект маси зростає зі збільшенням атомного номера, після них # 150; поступово падає.
Для ілюстрації дефекту мас підсумуємо маси спокою електронів, протонів і нейтронів, наприклад, для атома 4 He. В ядрі цього атома гелію два протони і два нейтрони, а на електронній оболонці # 150; 2 електрона. Всього отримуємо: 2mp + 2mn + 2me = 2 Ч 1,007276 + 2 Ч 1,008665 + 2 Ч 0,000549 »4,03298 (всі значення приведені в сучасних атомних одиницях маси, тобто в вуглецевих одиницях). А насправді маса атома 4 He дорівнює 4,00260, тобто відрізняється від «розрахованої» вже в другому знаку після коми. Тепер не здасться дивним, що точні маси трьох ізотопів кисню в вуглецевих одиницях становлять відповідно 15,99491; 16,99913 і 17,99916 і не рівні масовим числам (тобто 16, 17 і 18), а усереднена маса цих ізотопів з урахуванням їх поширеності в природі якраз і дорівнює 15,9994.
На підставі дефекту мас легко пояснити ще одну «дивина» в відносних атомних масах елементів. Відомо, що природний водень представлений двома стабільними ізотопами з масовими числами 1 і 2 (99,985% 1 H і 0,015% 2 H) тому не здається дивним, що Ar (H) трохи більше 2. Природний гелій також представлений двома стабільними ізотопами з масовими числами 3 і 4, причому гелію-4 в природі всього 0,000137%. Однак для суміші ізотопів природного гелію Ar (He) незгірш від, а більше 4! Справа тут ось у чому. Для легких елементів чим більше ядро, чим більше в ньому нуклонів, тим більше дефект мас. Тому для атомів вуглецю дефект маси # 150; проміжний між гелієм і киснем. У той же час за угодою маса нукліда 12 C прийнята рівною 12,0000 рівно, без будь-якого врахування дефекту мас для цього ядра. Ось і виходить, що точна відносна атомна маса для 4 He (вона дорівнює 4,00260) відхиляється від його масового числа (4) в одну сторону, а для 16 O # 150; в іншу.