Atomová hmotnost (symbol: ma) je hmotnost jednoho atomu daného chemického prvku. Zahrnuje hmotnosti tří hlavních subatomárních částic, které atom tvoří: protonů, neutronů a elektronů. Hmotnost atomu udávaná přímo v gramech nebo kilogramech má velmi malá číselná hodnoty, proto se běžně používají speciální jednotky (viz níže).

Jednotka atomové hmotnosti (u, Da)

Atomovou hmotnost lze vyjádřit v gramech nebo kilogramech, ale praktickým standardem je sjednocená atomová hmotnostní jednotka (symbol: u), která se často nazývá také dalton (Da). Jedna atomová hmotnostní jednotka je definována jako 1/12 hmotnosti jednoho atomu uhlíku-12. Hodnota 1 u je 1,660 539 066 60(50) × 10-27 kg (přesnost podle mezinárodních standardů). Proto má atom uhlíku-12 přesně 12 u.

Jak odhadnout hmotnost atomu

Protože elektrony mají hmotnost přibližně 1/1836 hmotnosti protonu a neutronu, jejich příspěvek k celkové hmotnosti atomu je velmi malý. Hmotnost atomu jádra tedy přibližně odpovídá součtu počtu protonů a neutronů (tzv. hmotnostnímu číslu A). Protony a neutrony mají hmotnosti blízké 1 u, takže hrubý odhad atomové hmotnosti v jednotkách u dostaneme součtem počtu protonů a neutronů. Přesná atomová hmotnost se však liší od tohoto celého čísla vlivem jaderné vazebné energie, rozdílů v klidových hmotnostech protonů a neutronů a malého přínosu elektronů.

Izotopy a izotopová hmotnost

Počet protonů v atomu určuje, o jaký prvek jde. Mnoho prvků však v přírodě existuje jako směs atomů se stejným počtem protonů, ale rozdílným počtem neutronů; tyto varianty nazýváme izotopy. Každý izotop má svou vlastní přesnou atomovou hmotnost, nazývanou izotopová hmotnost. Například prvek chlor má dva běžné izotopy: chlor-35 a chlor-37. Oba mají 17 protonů; chlor-35 má 18 neutronů a chlor-37 má 20 neutronů. Izotopové hmotnosti jsou přibližně 34.97 u pro 35Cl a 36.97 u pro 37Cl (přesné hodnoty se liší v posledních desetinných místech).

Hmotnostní číslo vs. atomová hmotnost

Hmotnostní číslo (symbol: A) je celá čísla udávající součet počtu protonů a neutronů v jádře. Hmotnostní číslo nemá jednotku a je vždy celé. Atomová hmotnost (vyjádřená v u) či izotopová hmotnost nemusí být celá čísla kvůli jaderným efektům (vazebné energii) a rozdílům v hmotnostech částic. Dále je potřeba rozlišit mezi izotopovou hmotností a relativní izotopovou hmotností nebo relativní atomovou hmotností — tyto relativní veličiny jsou bezrozměrné poměry vzhledem k 1/12 hmotnosti atomu uhlíku-12.

Relativní izotopová hmotnost a relativní atomová hmotnost

Relativní izotopová hmotnost (bez jednotky) popisuje, kolikrát je daný izotop těžší než jedna dvanáctina atomu uhlíku-12. Číselně se shoduje s izotopovou hmotností, když je ta vyjádřena v jednotkách u, ale relativní veličina se uvádí bez jednotky. Podobně relativní atomová hmotnost (symbol: Ar) je bezrozměrný vážený průměr relativních izotopových hmotností izotopů přítomných ve vzorku prvku, kde váhy jsou jejich abundanční (relativní zastoupení) v daném vzorku.

Příklad — výpočet relativní atomové hmotnosti chlóru

Pokud je ve vzorku chloru 75 % 35Cl a 25 % 37Cl, pak relativní atomová hmotnost Ar pro tento vzorek vypočítáme jako vážený průměr izotopových hmotností:

  • přibližné jednoduché počítání podle hmotnostních čísel: Ar ≈ 0,75·35 + 0,25·37 = 35,5
  • přesnější počítání podle skutečných izotopových hmotností: Ar ≈ 0,75·34.96885 + 0,25·36.96590 ≈ 35.45

Právě tento postup (vážený průměr podle relativního zastoupení izotopů) je základem tabulkových hodnot relativních atomových hmotností na periodické tabulce. U reálných vzorků se abundanční složení může lišit, a IUPAC publikuje doporučené standardní hodnoty (tzv. standardní atomové hmotnosti) s uvedenou nejistotou.

Proč atomové hmotnosti nejsou přesně celá čísla

Hlavními důvody jsou:

  • jaderná vazebná energie (tzv. hmotnostní deficit): hmotnost jádra je menší než součet klidových hmotností volných protonů a neutronů, protože část hmotnosti se uvolní jako energie při vázání (E = mc2),
  • rozdíly v klidových hmotnostech protonu a neutronu,
  • přítomnost elektronů a jejich malý příspěvek,
  • směs izotopů v daném vzorku, což vede ke středním (necelým) hodnotám.

Měření atomových hmotností

Atomové a izotopové hmotnosti se určují především pomocí hmotnostní spektrometrie a přesných jaderněfyzikálních experimentů. Výsledné hodnoty jsou publikovány mezinárodními komisemi (např. IUPAC) a používají se v chemii, fyzice, geologii a dalších oborech. V praxi se místo termínu „atomová hmotnost“ často užívá „relativní atomová hmotnost (Ar)“ nebo „atomová hmotnost (u)“ podle kontextu; důležité je rozlišovat, zda je hodnota udána jako bezrozměrný poměr nebo jako hmotnost v jednotkách u.

Shrnutí

Atomová hmotnost je hmotnost konkrétního atomu (v jednotkách u nebo kg). Hmotnostní číslo je celkový počet nukleonů (protonů + neutronů) a bývá celé číslo. Izotopová hmotnost je přesná hmotnost konkrétního izotopu. Relativní izotopová a relativní atomová hmotnost jsou bezrozměrné poměry vzhledem k 1/12 hmotnosti atomu uhlíku-12; relativní atomová hmotnost prvku ve vzorku se získá jako abundančně vážený průměr jeho izotopových relativních hmotností.