원자 질량 문서 원본 보기

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{{구별|원자량}}
[[파일:Stylised atom with three Bohr model orbits and stylised nucleus.svg|오른쪽|섬네일|200px|여기서 나타낸 [[리튬]]-7 원자는 양성자 3개, 중성자 4개, 전자 3개로 이루어져 있다(전자의 총 질량은 핵의 질량의 ~1/4300에 해당한다). 이 원자의 질량은 7.016 '''u'''이다. 드물게 존재하는 리튬-6 (질량은 6.015 '''u''') 원자는 오직 3개의 중성자 만을 가지고 있기 때문에 리튬의 원자량은 6.941 '''u'''으로 줄어든다.]]

'''원자 질량'''(原子質量, {{Lang|en|atomic mass}} ''m''<sub>a</sub>)은 원자의 질량이다. 단위는 결합이 없는 안정한 상태의 [[탄소-12]] 원자 질량의 1/12을 1'''u'''로 정의한 [[원자 질량 단위]](原子質量單位, 기호: '''u''', '''Da''')를 사용한다.<ref>{{GoldBookRef|file=A00496|title=atomic mass}}</ref> [[원자]]들의 대부분의 [[질량]]은 [[원자핵]]의 [[양성자]]와 [[중성자]]가 차지하고 그 값은 [[질량수]]에 근접한다.

'''원자 질량'''을 [[원자질량단위]]로 나누어 순수한 수 비율을 만들 때, 원자의 원자 질량은 '''상대 동위 원소 질량'''이라고 불리는 [[무차원수]](無次元數)가 된다. 이와 같이 [[탄소-12]] 원자의 원자 질량은 12 u 또는 12 Da 이고 [[탄소-12]] 원자의 상대 동위 원소 질량은 단순히 12로만 표현한다.

원자 질량 또는 상대 동위원소 질량은 단일 입자의 질량이며 근본적으로 [[원자량]](原子量), 표준 원자량(기호: ''A''<sub>r</sub>)와는 다르다. 둘 다 원소 표본에 대한 자연 상태 원자의 수학적 평균치이며 1 u 로 나누었기 때문에 무차원 수이다. 대부분의 원소들은 하나 이상의 안정된 [[핵종]](核種)을 가진다. 원소들의 각 핵종들이 다른 질량을 가지기 때문에 이 원소들에 대한 평균치는 원소에 존재하는 서로 다른 핵종들의 혼합비에 의존한다. 샘플의 공급원에 따라 이 값은 어느 정도 제한(표준 원자량이라고 하는 값을 설정)된다. 대조적으로 원자 질량은 각각의 입자 종과 관계가 있다. 같은 종류의 원자들은 동일하기 때문에 '''원자 질량''' 수치는 변화가 전혀 없을 것이다. 그러므로 원자 질량 수치는 보통 [[원자량]]보다 더 많은 [[유효숫자]](有效數字)를 포함한다. 표준 원자량은 각 원소의 [[동위 원소]]들의 [[존재비]]에 대한 원자 질량과 관계가 있고, 대개 존재비가 가장 큰 동위 원소의 원자 질량과 거의 같은 값이다.

원자, 이온 또는 원자핵의 '''원자 질량'''은 [[결합 에너지]] 손실에 의해 그들의 구성요소인 양성자, 중성자 그리고 [[전자]]들의 질량합보다 약간 작다.<ref>{{웹 인용|url=http://www.britannica.com/EBchecked/topic/41699/atomic-mass|제목=Atomic mass|성=Encyclopædia Britannica on-line|이름=|날짜=|웹사이트=|출판사=|확인날짜=}}</ref>

== 상대 동위 원소 질량 ==
상대 동위 원소 질량은 [[탄소-12]] 원자의 질량을 12로 설정하였을 때 주어진 동위 원소의 질량에 대한 상대치이다.

상대 동위 원소 질량은 원자 질량이 [[원자 질량 단위]]으로 표기될 때 같은 수치를 가진다는 점에서 유사하다. 두 개념의 유일한 차이점은 상대 동위원소 질량은 단위가 없는 순수한 숫자라는 것이다. 이러한 단위의 상실은 [[탄소-12]] 원자를 표준으로 하여 그 비율을 나타내었기 때문이다. 그리고 "상대 동위원소 질량"에서 "상대"의 단어는 위의 <chem>^{12}_{6}C</chem> 원자에 대한 상대 척도를 나타낸다.

예를 들어, <chem>^{12}_{6}C</chem> 원자의 상대 동위 원소 질량 은 정확히 12이다. 이와 비교하여, <chem>^{12}_{6}C</chem> 원자의  원자 질량은 정확히 12 Da 또는 12 u이며 <chem>^{12}_{6}C</chem> 원자의  원자 질량은 1.66 x 10<sup>−27</sup> kg 과 같이 다른 단위로도 표현할 수 있다.

<chem>^{12}_{6}C</chem> 원자 이외의 핵종은 [[자연수]] 값의 상대 동위 원소 질량을 갖지 않는다. u 또는 Da 로 표현된 핵종도 마찬가지로 <chem>^{12}_{6}C</chem> 원자 이외에는 자연수 값을 갖지는 않지만 항상 자연수에 가깝다.

== 유사 용어 및 부연 설명 ==
원자 질량과 상대 동위 원소 질량은 혼동하기 쉽다. 또한 올바르게 사용되지 않을 때가 종종 있다. 상대 원자 질량의 동의어인 표준 원자량, 표준화 된 [[원자량]]이라는 의미에서 특별한 종류의 원자량)과 같이 혼동할 수 있다. 그러나 앞서 언급했듯이, 원자량과 표준 원자량은 [[단일 핵종 원소]]가 아닌 [[원소]] 샘플의 [[동위 원소]] 존재도에 대한 평균치인 것이다. 그런 식으로, 원자량과 표준 원자량은 대개 원자 질량 이나 상대 동위 원소 질량과는 수치적으로 다르며 이 값들이 통일된 [[원자 질량 단위]]로 표현되지 않았을 때 원자 질량과는 다른 [[단위]]를 가질 수 있다.

원자 질량은 한번에 하나의 동위원소 또는 핵종의 원자의 질량으로 정의되며 존재도에 대한 가중 평균치가 아니다. 그러므로 화학 원소의 [[동위 원소]]나 [[핵종]]의 원자 질량 또는 상대 동위 원소 질량은 매우 정밀하게 측정할 수 있는 숫자이다. 그러한 핵종의 모든 시료들은 다른 시료들과 정확하게 동일할 것으로 예상되고 같은 [[에너지 준위]]의 모든 원자들의 핵종에 대한 모든 시료들 또한 다른 시료들과 정확히 동일할 것으로 예상되기 때문이다. 예를 들어, [[산소-16]]의 모든 원자들은 다른 모든 <chem>^{16}_{8}O</chem>의 원자들과 정확히 동일한 원자 질량을 가질 것으로 예상된다.

[[단일 핵종 원소]]이거나 하나의 주요 [[동위 원소]]를 갖는 많은 원소의 경우, 가장 일반적인 동위 원소의 원자 질량과 (표준) 상대 원자 질량 또는 (표준) [[원자량]] 간의 실제 수치 유사성 또는 그 차이는 작거나 심지어는 없으며 대부분은 계산에 영향을 미치지 않는다. 그러나 이러한 오류는 단일 핵종으로 고려하지 않을 때 존재할 수 있으며 중요할 수도 있다.

하나 이상의 동위 원소를 갖는 비(非) [[단일 핵종 원소]]들의 경우에는 상대 동위 원소 질량으로부터 상대 원자 질량([[원자량]]) 간의 수치적 차이는 질량 단위의 절반 이상일 수 있다(예컨대, [[염소 (원소)]]의 경우에는 [[원자량]]과 표준 원자량은 거의 35.45 이다). 드물게 [[동위 원소]]의 원자 질량은 상대 원자 질량, 원자량 또는 표준 원자량과 조금 다를 수 있다.

통일된 [[원자 질량 단위]]로 표현된 원자 질량(즉, 상대 동위 원소 질량)은 <chem>^{12}_{6}C</chem> 원자를 제외하곤 항상 2가지 이유 때문에 그 값이 자연수에 근접해있다.
* [[양성자]]와 [[중성자]]는 다른 질량을 가지며 핵종마다 그 비율이 다르다.
* 그들의 [[결합 에너지]] 때문에 '''원자 질량'''이 감소한다.
'''원자 질량'''에 대한 [[질량수]](핵자수)의 비율은 <sup>1</sup>H는 1.00782505, <sup>56</sup>Fe는 0.99884로 다양하다.

[[핵자]]간 결합 에너지로 인한 질량 결함은 실험적으로, 동등한 수의 자유 핵자들의 질량 합 보다 작은 비율(1% 미만)이다. <chem>^{12}_{6}C</chem> 원자는 핵자당 평균 질량을 비교해보면 이는 다른 원자들에 비해 상당히 강하게 결합되어있다. 대부분의 원자들의 결합에 대한 질량의 결함은 매우 작은 부분이다. 자유로운 [[양성자]]들과 [[중성자]]들은 매우 작은 질량 차이가 있다(대략 0.00014 [[원자 질량 단위|u]]). [[원자 질량 단위]]로 주어진 상대 동위 원소 질량이나 원자 질량을 가장 가까운 자연수로 반올림하면 항상 [[핵자]] 수 또는 [[질량수]]가 산출된다. 덧붙여, 중성자의 수는 [[질량수]]([[핵자]] 수)에서 [[양성자]] 수([[원자 번호]])를 차감하여 도출 할 수 있다.

== 원자 질량 결함과 결합 에너지 곡선 ==
[[파일:Binding energy curve - common isotopes.svg|섬네일|320x320픽셀|일반 [[동위 원소]]의 [[핵자]]당 [[결합 에너지]] 곡선. [[질량수]]와 원자 질량 사이의 비율 그래프는 유사할 것이다.]]
<chem>Z</chem> 개의 [[양성자]]와 <chem>N</chem> 개의 [[중성자]]로 원소 <chem>X</chem>를 만든다면 결손된 [[질량]]은 다음과 같다.<blockquote><math>\Delta = Z M_p + N M_N - M_X</math></blockquote>이 값은 모든 핵에 대하여 항상 양의 값이다. 또한 핵의 질량은 양성자와 중성자를 합한 것보다 작다는 것이다. 결손된 질량에 빛의 상수를 제곱한 값을 곱하여 에너지 단위(''E''=''mc''<sup>2</sup>)를 산출해낸다면, '''Δ''c''<sup>2</sup>''' 가 되고 이것이 핵의 결합 에너지이다. '''결합 에너지'''를 핵자의 수에 대하여 [[정규화]]한다면, 아래의 식으로 표현할 수 있다.<blockquote><math>\Delta{c^2} / ( N + Z )</math></blockquote>[[핵자]]의 수에 대한 [[결합 에너지]]의 곡선은 작은 원자 질량에서는 가파르게 상승한다. 40 이상의 질량수를 가지는 핵은 9 [[MeV]] 조금 아래까지 완만하게 상승하다가 <sup>56</sup>Fe 원소에서부터 점차 감소함을 알 수 있다. '''결합 에너지''' 생성에 대해서는 두가지 부류가 있다. 두 개의 가벼운 핵이 결합되어 결합 에너지 곡선에서 더 높은 결합 에너지를 가지는 무거운 핵을 만드는 [[핵융합]] 반응과 하나의 무거운 핵으로부터 각 핵당 높은 결합 에너지를 가지는 두 개의 가벼운 핵을 만드는 [[핵분열]] 반응이다.<ref>{{서적 인용|url=|제목=Fundamentals of Nuclear Reactors Physics|성=E. E. Lewis|이름=|날짜=|출판사=Academic Press|확인날짜=}}</ref>

[[질량수]]에 대한 원자 질량(단위: Da)의 비율은 [[탄소-12]]의 경우 1 로 정의되고, 그 이후로 최저치인 <sup>56</sup>Fe까지 감소한다(<sup>58</sup>Fe 과 <sup>62</sup>Ni 만 조금 더 큰 값을 가진다.). 그 후, 무거운 [[동위 원소]]들은 [[원자 번호]]가 증가함과 동시에 그 값 또한 증가한다. 이 결과로부터, [[지르코늄]]보다 무거운 원소의 [[핵분열]]은 에너지를 만들어 내고, [[나이오븀]]보다 가벼운 원소들은 에너지를 필요로 한다. 다른 한편으로는 [[스칸듐]]보다 가벼운 원소 2 개의 [[핵융합]]([[헬륨]]은 제외)은 에너지를 만들어 내고, [[칼슘]]보다 무거운 원소들은 에너지를 필요로 한다.
{| class="wikitable"
! colspan="4" |[[질량수]]에 대한 원자 질량의 비율
(원자 질량을 [[질량수]]로 나눈 값)
|-
|<sup>1</sup>H
|1.00782505
|<sup>14</sup>N
|1.0002195718
|-
|<sup>2</sup>H
|1.0070508885
|<sup>16</sup>O
|0.9996821637
|-
|<sup>3</sup>H
|1.0053497592
|<sup>56</sup>Fe
|0.9988381696
|-
|<sup>3</sup>He
|1.0053431064
|<sup>210</sup>Po
|0.9999184462
|-
|<sup>4</sup>He
|1.0006508135
|<sup>232</sup>Th
|1.0001640315
|-
|<sup>6</sup>Li
|1.0025204658
|<sup>238</sup>U
|1.0002133958
|-
|<sup>12</sup>C
|1
|
|
|}

== 원자 질량의 측정 방법 ==
원자들의 질량에 대한 비교와 측정은 [[질량 분석법]]({{Lang|en|Mass spectrometry}}, MS)을 통해 이루어진다.

== 원자 질량 단위와 그램 사이의 환산인자 ==
거시적 수량에서 물질의 양을 [[정량화]]하는데 사용되는 [[국제단위계]](SI)는 [[몰 (단위)|몰]]({{Lang|en|mole}}, 단위 mol)이며 <chem>^{12}_{6}C</chem> 12 g에 함유되는 [[원자]]의 수로 정의한다. 1 몰에 해당하는 입자의 수를 [[아보가드로 수]]({{Lang|en|Avogadro's number}})라고 부르며, 대략 6.0221415×10<sup>23</sup>이다.

1 몰의 물질은 항상 그 물질의 [[몰 질량]] 또는 [[원자량]]을 거의 정확하게 포함한다. 그러나 자연 발생 원소인가에 따라서 '''원자 질량'''은 그렇지 않을 수 있다. 예를 들어, [[철]]의 [[원자량]]은 55.847 g/mol 이고, 지구상에서 흔히 발견되는 철 1 몰은 55.847 그램의 [[질량]]을 가지고 있다. <sup>56</sup>Fe [[동위 원소]]의 원자 질량은 55.935 u 이고 1 몰의 <sup>56</sup>Fe [[원자]]들은 이론상 55.935 g의 질량을 가지나, 순수한 <sup>56</sup>Fe의 이러한 수치들은 지구상에서는 찾을 수가 없다. 그러나, 지구상에서 찾을 수 있는 오직 하나만의 [[동위 원소]]를 가지는 22가지의 [[단일 핵종 원소]](일반적으로, [[베릴륨]], [[플루오린]], [[나트륨]]과 [[알루미늄]])들과 이 원소들의 [[원자량]]과 원자 질량은 같다. 따라서 이러한 원소들은 원자 질량 값의 표준 기준으로 사용할 수 있다.

단일 원자에 대하여 [[원자 질량 단위]]와 [[국제단위계]] 사이의 환산식은 다음과 같다.

<math>1 u = \frac{M_u}{N_A} = \frac{1 g/mol}{N_A}</math>

<math>M_u</math>는 [[몰 질량]] [[상수]], <math>N_A</math>는 [[아보가드로 수]]이다.

== 각주 ==
{{각주}}

== 같이 보기 ==
* [[원자량]]
* [[질량수]]
* [[동위 원소]]

== 외부 링크 ==
* [https://web.archive.org/web/20080502142523/http://www.carlton.srsd119.ca/chemical/molemass/ 원자 질량의 개념과 측정에 대한 강좌]
* [http://www.iupac.org/publications/ci/2004/2601/1_holden.html 원자 무게와 국제 위원회 — 역사 되짚어보기]
{{화학 용어}}
{{전거 통제}}
{{포털|화학}}

[[분류:원자]]
[[분류:질량]]
[[분류:화학적 성질]]
[[분류:화학량론]]