Atomare Masseneinheit

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Physikalische Einheit
Einheitenname Atomare Masseneinheit
Einheitenzeichen \mathrm{u} (oder \mathrm{Da})
Physikalische Größe(n) Masse
Formelzeichen m
Dimension \mathsf{M}
System Zum Gebrauch mit dem SI zugelassen
In SI-Einheiten \mathrm{1 \, u = 1{,}660\,538\,921(73) \cdot 10^{-27} \; kg}

Die atomare Masseneinheit (Einheitenzeichen: u für unified atomic mass unit, veraltet amu für atomic mass unit) ist eine Maßeinheit der Masse. Sie wird bei der Angabe von Atom- und Molekülmassen verwendet. Ihr Wert ist auf 112 der Masse eines Atoms des Kohlenstoff-Isotops 12C festgelegt.

Eine Masse von 1 u entspricht ungefähr der Masse eines Protons bzw. der eines Neutrons. Deshalb entspricht der Zahlenwert der Atommasse in u annähernd der Massenzahl oder Nukleonenzahl, also der Zahl der schweren Kernbausteine (Protonen und Neutronen) des Atoms.

In der Biochemie und in den USA auch in der organischen Chemie wird die atomare Masseneinheit auch als Dalton bezeichnet (Einheitenzeichen: Da), benannt nach dem englischen Naturforscher John Dalton. In der deutschen Übersetzung der Broschüre des Internationalen Büros für Maß und Gewicht werden das Dalton und die (vereinheitlichte) atomare Masseneinheit synonym genannt.[1] In den gesetzlichen Regelungen der EU-Richtlinie 80/181/EWG für die Staaten der EU und im Bundesgesetz über das Messwesen in der Schweiz kommt der Ausdruck „Dalton“ aber nicht vor. Auch wenn das Dalton als besonderer Name für die atomare Masseneinheit betrachtet werden kann, ist die Bezeichnung Dalton also weder gesetzlich noch DIN-normgerecht. Die atomare Masseneinheit ist zum Gebrauch mit dem Internationalen Einheitensystem (SI) zugelassen[2] und eine gesetzliche Maßeinheit.[3]

Definition[Bearbeiten]

Heutiger Wert (seit 1961)[Bearbeiten]

1 u entspricht 112 der Masse eines isolierten Atoms des Kohlenstoff-Isotops 12C im Grundzustand, also[4][5]

1\,\mathrm{u} = 1{,}660\,538\,921(73) \cdot 10^{-27}\,\mathrm{kg} bzw.
1\,\mathrm{u} = 931{,}494\,061(21)\,\mathrm{MeV}/\mathrm{c}^2

Somit ergibt sich als Umrechnung in die SI-Einheit Kilogramm:[6]

1\,\mathrm{kg} = 6{,}022\,141\,29(27) \cdot 10^{26}\,\mathrm{u} bzw.
1\,\mathrm{g} = 6{,}022\,141\,29(27) \cdot 10^{23}\,\mathrm{u}

Da der Kern des 12C-Atoms 12 Nukleonen enthält, ist die Einheit u annähernd gleich der Masse eines Nukleons.

Wert bis einschließlich 1960[Bearbeiten]

Eine atomare Masseneinheit entsprach 116 der Masse eines Sauerstoff-Atoms.

Die Differenz zwischen der „chemischen“ Definition (bezogen auf das natürliche Isotopengemisch Sauerstoff) und der „physikalischen“ Definition (bezogen auf das Isotop 16O) war der Anlass, die heutige, vereinheitlichte Definition einzuführen. Zwischen dem neuen und den alten Werten der Einheit gilt die Beziehung

1\,\mathrm{u_{(ab 1961)}} = 1{,}000\,317\,9\,\mathrm{amu_{(alt, physikalisch)}} = 1{,}000\,043\,\mathrm{amu_{(alt, chemisch)}}

Die Differenz zwischen der alten physikalischen und der heutigen Definition ist auf den Massendefekt zurückzuführen, der bei 16O höher ist als bei 12C.

Vielfache und Teile[Bearbeiten]

Sowohl für die atomare Masseneinheit als auch für das Dalton ist die Verwendung von Vorsätzen für dezimale Vielfache und Teile zulässig. Gebräuchlich sind das Kilodalton, 1 kDa = 1000 Da, sowie das Megadalton, 1 MDa = 1 000 000 Da.

Beispiele[Bearbeiten]

  • Ein Kohlenstoffatom des Isotops 12C hat definitionsgemäß die Masse 12 u.
  • Ein Molekül des bekannten Wirkstoffes Acetylsalicylsäure (Aspirin) hat eine Masse von 180,16 u.
  • Ein Molekül des kleinen Peptidhormons Insulin hat eine Masse von 5 808 u.
  • Ein Molekül des Proteins Aktin (eines der häufigsten Proteine in Eukaryoten) hat eine Masse von ungefähr 42 000 u.
  • Ein Wasserstoffatom des Isotops 1H hat die Masse 1,007 825 0 u.

Die Einheit Dalton wird auch in der Membranfiltration verwendet. Sie ist hier ein Maß für die Abscheidefähigkeit einer Membran. Einen Vergleich zwischen Dalton und Porengröße geben folgende Anhaltswerte für bestimmte Filtrationsverfahren:

Verfahren Porengröße in µm Molekülmasse
Umkehrosmose < 0,001 <100 Da
Nanofiltration 0,001–0,01 0,3–2 kDa
Ultrafiltration 0,01–0,1 1–500 kDa
Mikrofiltration > 0,1 >500 kDa

Auch bei der Analyse von Proteingemischen durch SDS-PAGE, bei welcher SDS-denaturierte Proteine in einem elektrischen Feld durch ein Gel mit Poren definierten Durchmessers wandern, wird kDa als Maßeinheit verwendet. Dies ist nicht ganz unproblematisch, da kDa eine Masseeinheit und keine Gewichtseinheit ist. Man versucht, dieses Problem zu umgehen, indem man den Begriff M_\mathrm{r} (relative molecular mass; relative Molekülmasse) eingeführt hat, der aber immer noch häufig und fälschlich als molecular weight (Molekulargewicht) auch in Publikationen oder bei SDS-PAGE-Standardproteinen (Molecular Weight Markers) zu finden ist.

Beziehung zu Gramm und Mol[Bearbeiten]

Das Mol, die Einheit der Stoffmenge, verknüpft die atomare Masseneinheit mit dem Gramm. Ein Mol enthält

6{,}022\;141\;29\;(27) \cdot 10^{23}\ [7]

Teilchen, und diese Zahl, die Avogadro-Konstante, ist auch der Umrechnungsfaktor zwischen Gramm (g) und atomarer Masseneinheit (u). Daher ist die Molare Masse in g/mol zahlenmäßig gleich der Molekülmasse in u.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1.  Das Internationale Einheitensystem (SI). Deutsche Übersetzung der BIPM-Broschüre „Le Système international d’unités/The International System of Units (8e edition, 2006)“. In: PTB-Mitteilungen. 117, Nr. 2, 2007 (übersetzt von Cecile Charvieux) (Online Version (PDF-Datei, 1,4 MB)).
  2.  Das Internationale Einheitensystem (SI). Deutsche Übersetzung der BIPM-Broschüre „Le Système international d’unités/The International System of Units (8e edition, 2006)“. In: PTB-Mitteilungen. 117, Nr. 2, 2007 (übersetzt von Cecile Charvieux) (Online Version (PDF-Datei, 1,4 MB)).
  3. aufgrund der EU-Richtlinie 80/181/EWG in den Staaten der EU bzw. dem Bundesgesetz über das Messwesen in der Schweiz
  4. CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 16. Juni 2011. Wert für u in der Einheit kg
  5. CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 16. Juni 2011. Wert für u in der Einheit MeV/c2
  6. CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 29. November 2012. Zusammenhang Kilogramm – u
  7. CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 29. November 2012. Wert für die Avogadro-Konstante