統一原子質量単位

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ダルトン : dalton(記号:Da)および統一原子質量単位(とういつげんししつりょうたんい、: unified atomic mass unit(記号:u)は、質量の単位である。主として原子分子のような微小な粒子の質量を表す場合に用いられる。1 Da = 1.660 539 066 60(50)× 10-27 kg と定義されている。

ダルトン
dalton
炭素原子の模型
記号 Da
SI併用単位
質量
SI 1.660 539 066 60(50)×1027 kg (2018CODATA)[1]
定義 静止して基底状態にある自由な炭素12原子の質量の1/12
由来 ジョン・ドルトン
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統一原子質量単位
unified atomic mass unit
unité de masse atomique unifiée
記号 u
非SI単位
質量
定義 ダルトンと同じ
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原子質量単位
atomic mass unit
記号 amu, a.m.u.
非SI単位
定義 非公式に統一原子質量単位と同じとされるが厳密には複数
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かつては原子質量単位(記号 amu)とも称されたが、これに代えて、ダルトン( Da)と統一原子質量単位(u)が、2006年国際度量衡局(BIPM) により承認され, さらに2019年にダルトン( Da)がSI併用単位となった[2]

一方、統一原子質量単位は、2019年以降、非SI単位となった。

名称と記号編集

ダルトンの名は、近代原子論を提唱したジョン・ドルトンen:Jhon Dalton)に由来する。人名のDaltonは日本語環境では、ドルトン と表記されることが多いが、単位としてのDaltonは、「ダルトン」と表記される[3][4]

ダルトンの記号は、立体の「Da」である。人名に由来するので、最初の文字は大文字である。

使用編集

原子イオン分子DNAタンパク質などの巨大な高分子を含む)の質量を表すのに使われる。大きなものではリボゾームのような複数個の超高分子の複合体にも使われる。

ただし、生化学で生体高分子や複合体の質量を表すときには、主にダルトンが使われる。ダルトンがSI併用単位になる前の書籍等では「ダルトンが使われるが正式には統一原子質量単位を使うべきである」などとされていた。生物学では無次元量である分子量を示すときにも「ダルトン」がしばしば使われる。

記号編集

2006年以降、ダルトンの記号は「Da」と定められているので、記号「D」を使用してはならない。

  • 正しい記法:イオンの質量は、205.1 Da 
  • 誤った記法:イオンの質量は、205.1 D

物理量編集

ダルトン(および統一原子質量単位)は「原子量分子量を表す単位」と誤解されることがある。しかし、ダルトン( Da )は質量の単位であるのに対し、原子量は質量そのものではなく、その原子の質量と 1 Da(の質量) との比であり、無次元量である。したがって、原子量・分子量を Da で表すことはできない[5]

  • 正しい記法:分子量 60 000  
  • 誤った記法:分子量 60 kDa

原子質量単位(amu)編集

原子質量単位(amu)は、公式には廃止された単位であり、使用することは不適切である[6]

  • 正しい記法:イオンの質量は、205.1 Da 
  • 誤った記法:イオンの質量は、205.1 amu

派生単位編集

ダルトン (Da) にはSI接頭辞を付けることができる(SI併用単位#SI併用単位とSI接頭辞)。通常使われるのはミリダルトン (mDa)、キロダルトン (kDa)、ギガダルトン (GDa) である。

統一原子質量単位 (u) にSI接頭辞を付けることは、禁止されている訳ではないが、実際にはほとんどない。

ミリマスユニット (milli mass unit, mmu) という非公式の単位もあり、1 mmu = 1/1000 u = 1 mDa とされるが、SI接頭辞のシステムと整合性がなく、使用は推奨されない。

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2019年までは、ダルトンは、静止して基底状態にある自由な炭素12 (12C) 原子の質量の1/12と定義されていた。現在では、静止して基底状態にある自由な炭素12 (12C) 原子の質量の1/12と等しいとされている。

1 u のCODATA推奨値は

1 u = 1.660 540 2(10)×1027 kg (CODATA1986)
1 u = 1.660 538 73(13)×1027 kg (CODATA1998)
1 u = 1.660 538 86(29)×1027 kg (CODATA2002)
1 u = 1.660 538 782(83)×1027 kg (CODATA2006)
1 u = 1.660 538 921(73)×1027 kg (CODATA2010)
1 u = 1.660 539 040(20)×1027 kg (CODATA2014)
1 u = 1.660 539 066 60(50)×1027 kg (CODATA2018)[7]

である。括弧内の数値は標準不確かさである。

定義より、厳密に

m(12C) = 12 u = 12 Da

である。

12C原子は、12C原子核とそれを取り巻く6個の電子からなる。電子の質量は原子核の質量よりもずっと小さい。炭素12の質量数陽子数と中性子数の合計)は12なので、したがって、核子(陽子と中性子)および1H原子の質量はほぼ 1 u である。ただし実際はわずかに重く

mp = 1.0073 u[8]
mn = 1.0087 u[9]

および

m(1H) = 1.0078 u[10]

である。これは、自由な核子が高い核エネルギーを質量の形で持っているからである。しかしこの程度の差異を誤差として許容するなら、質量数 A の原子の質量はおよそ A u であるといえる。天然に存在する核種であれば概して

A ≲ 12 のとき m > A u
A ∼ 12 のとき mA u
12 ≲ A ≲ 210 のとき m < A u
220 ≲ A のとき m > A u

である[10]

統一原子質量単位(あるいはダルトン)の定義は、「12 g の炭素12の物質量」とされていたモルの以前の定義の裏返しになっており、

1 gNA u = 6.022 140 76×1023 u (2018CODATA)

である。つまり、ある分子等の質量を統一原子質量単位で表した数値は、その分子からなる純物質 1 mol(正確に 6.022 140 76×1023個の分子)の質量をグラムで表した数値とほぼ等しい(2019年のSI基本単位の再定義より以前は正確に等しかった)。

歴史編集

20世紀初頭、酸素O原子の質量の1/16が(「統一」のない)原子質量単位と定義されていた。しかし1929年、酸素の同位体 17O と 18O が発見されると、「酸素」と呼ばれているものは各種同位体の混合であり、「酸素原子の質量」とは、各同位体原子の質量の、同位体比に応じた平均であることが明らかになった。そしてまもなく、その同位体比も一定ではないことが明らかになり、原子質量単位の定義は不確実になった。

物理学の世界ではこれに対し、酸素16 16Oの質量の 1/16 と定義された新しい原子質量単位 (physical amu) を使うようになった(これにより、従来の値は変更しなくてはならないという問題も出てきた)。一方、化学の世界では従来の定義の原子質量単位 (chemical amu) を使った。こうして2つの定義が混在することとなった。これらを現在の統一原子質量単位で表すと

1 physical amu ≒ 0.999 6882 u
1 chemical amu ≒ 0.999 96 u(同位体比のばらつきにより高い精度では定まらない)

となり、約 1/3600 の差がある。

この混乱を解消するため、国際純粋・応用物理学連合 (IUPAP) と国際純正・応用化学連合 (IUPAC) が協議し、1960年、炭素12 12C 原子の質量の1/12である統一原子質量単位が定められた。この定義は、核種を特定することで同位体比の問題をなくしつつ、化学系amuに最も近く従来の数値を変更する必要がないように選ばれた。このとき、単位記号も新しく、統一 (unified) からuと定められた。

(「統一」のない)原子質量単位が「炭素12の質量の1/12」と公式に定義されたことはないが、現在ではほぼ常に、統一原子質量単位と同じ「炭素12の質量の1/12」の意味で使われる。

ダルトンは古くから使われていた単位で、長らく公式の定義がなかったものの、1960年までは物理学的amuと同じ「酸素16の質量の1/16」、1960年以降は統一原子質量単位と同じ「炭素12の質量の1/12」の意味で使うことが多かった。2006年以降は、国際度量衡局はダルトンを、統一原子質量単位と全く同じ定義の単位としてSI併用単位に採用した[11]。しかし、2019年には国際度量衡局は、ダルトンのみをSI併用単位として採用し、統一原子質量単位を非SI単位とした。

原子質量定数編集

原子質量定数
atomic mass constant
記号 mu
1.66053906660(50)×10−27 kg [12]
定義 統一原子質量単位と同じ
相対標準不確かさ 3.0×10−10
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原子質量定数(げんししつりょうていすう、: atomic mass constant)は、記号 mu で表される、原子質量と原子量を関連付ける物理定数である。統一原子質量単位と等しい[13]。すなわち mu = 1 u = 1 Da である。

原子 E の相対原子質量(すなわち原子 E の原子量)Ar(E) は、原子 E の質量 ma(E) と原子質量定数 mu の比として定義される[14]

Ar(E) = ma(E)/mu

同様に分子 B の相対分子質量(すなわち分子 B の分子量)Mr(B) は、分子 B の質量 m(B) と原子質量定数 mu の比として定義される[14]

Mr(B) = m(B)/mu

元素 E の相対原子質量(すなわち元素 E の原子量)Ar(E) は、元素 E の平均質量 ma(E) と原子質量定数 mu の比として定義される[15]

Ar(E) = ma(E)/mu

モル質量定数 Mu は原子質量定数 mu とアボガドロ定数 NA の積として定義される[14]

Mu = muNA

Muモル質量を原子量や分子量と関連付ける物理定数であり、モルの定義が変更された2019年5月20日以降は、0.99999999965(30) g mol−1 である[16]

出典編集

[脚注の使い方]
  1. ^ CODATA Value: unified atomic mass unit”. NIST. 2021年4月18日閲覧。
  2. ^ #国際単位系(SI)第9版(2019), pp.114-115
  3. ^ #国際単位系(SI)第9版(2019), pp.114-115
  4. ^ 意外に知らない分子量と質量の単位の違い 吉野健一、続・生物工学基礎講座 バイオよもやま話、生物工学、第91巻第8号、2013年、p.467
  5. ^ 間違えやすい質量分析基礎用語 吉野健一、科学と生物、Vol.47,No.6、2009、pp.438-439
  6. ^ 間違えやすい質量分析基礎用語 吉野健一、科学と生物、Vol.47,No.6、2009、p.438
  7. ^ unified atomic mass unit The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. US National Institute of Standards and Technology. 2019-05-20. 2018 CODATA recommended values
  8. ^ CODATA proton mass in u.
  9. ^ CODATA neutron mass in u.
  10. ^ a b NIST Relative Atomic Mass.
  11. ^ 国際単位系(SI)、国際文書第8版(2006) 日本語版、p.38、表7および注(c)
  12. ^ unified atomic mass unit The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. US National Institute of Standards and Technology. 2019-05-20. 2018 CODATA recommended values
  13. ^ Gold Book A00497.
  14. ^ a b c グリーンブック (2009) pp. 57-58.
  15. ^ グリーンブック (2009) p. 143.
  16. ^ CODATA molar mass constant.

参考文献編集

  • 産業技術総合研究所 計量標準総合センター『国際文書 国際単位系 (SI)2019年版』、2020年、第9版(2019)日本語版。2021年6月21日閲覧。
  • 吉野健一「用語を通して学ぶ質量分析基礎の基礎 : 第3回「イオンや分子の質量の単位, u, Da, amu, mmu」」『質量分析』第56巻第6号、日本質量分析学会、2008年12月1日、 269-274頁、 NAID 10024483810
  • J.G. Frey、H.L. Strauss『物理化学で用いられる量・単位・記号』(PDF)産業技術総合研究所計量標準総合センター訳、講談社、2009年、第3版。ISBN 978-406154359-12017年9月13日閲覧。

外部リンク編集