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 \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. Ihr Wert ist auf 112 der Masse eines Atoms des Kohlenstoff-Isotops 12C festgelegt. Die atomare Masseneinheit ist zum Gebrauch mit dem Internationalen Einheitensystem (SI) zugelassen[1] und eine gesetzliche Maßeinheit.[2]

Sie wird nicht nur bei der Angabe von Atom- sondern auch zur Angabe von Molekülmassen verwendet. In der Biochemie, 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.

Definition[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In der deutschen Übersetzung der Broschüre des Internationalen Büros für Maß und Gewicht werden die (vereinheitlichte) atomare Masseneinheit und das Dalton 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“ nicht vor. Das Dalton kann als besonderer Name für die atomare Masseneinheit betrachtet werden, aber die Bezeichnung Dalton ist weder gesetzlich noch DIN-normgerecht. Begrifflich gibt es Überlappungen zur molaren Masse, sowie zur Molekülmasse, die sich in der Praxis deutlich zeigen: So wird etwa die Masse großer Moleküle wie Proteine, DNA und anderer Biomoleküle mit der atomaren Masseneinheit - meist in Kilodalton - charakterisiert, da es zahlenmäßig keine Unterschiede zur Angabe in kg/mol gibt.

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.

Wert seit 1961[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

1 u entspricht 112 der Masse eines isolierten Atoms des Kohlenstoff-Isotops 12C im Grundzustand, also[3][4]

1\,\mathrm{u} = 1{,}660\,539\,040(20) \cdot 10^{-27}\,\mathrm{kg} und
1\,\mathrm{u} = 931{,}494\,0954(57)\,\mathrm{MeV}/\mathrm{c}^2

Somit ergibt sich als Umrechnung in die SI-Einheit Kilogramm:[5]

1\,\mathrm{kg} = 6{,}022\,140\,857(74) \cdot 10^{26}\,\mathrm{u} und
1\,\mathrm{g} = 6{,}022\,140\,857(74) \cdot 10^{23}\,\mathrm{u}

Da der Kern des 12C-Atoms 12 Nukleonen enthält, ist die Einheit u annähernd gleich der Masse eines Nukleons, also eines Protons oder Neutrons. Deshalb entspricht der Zahlenwert der Atommasse in u annähernd der Massenzahl oder Nukleonenzahl, also der Zahl der schweren Kernbausteine des Atoms.

Wert bis einschließlich 1960[Bearbeiten | Quelltext 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 Anlass, die 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.

Beziehung zur molaren Masse[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Es gilt mit der Avogadro-Konstante N_A=6{,}022\;140\;857\;(74) \cdot 10^{23}\;\mathrm\frac{1}{mol}

1\;\mathrm{u}\;\cdot\;N_A = 1\;\mathrm \frac{g}{mol}.[6]

Daher haben die Masse eines Teilchens in u und dessen molare Masse in \mathrm\frac{g}{mol} den gleichen Zahlenwert. Der Umkehrschluss gilt für Reinelemente, nicht aber für Mischelemente.

Beispiele[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Ein Kohlenstoffatom des Isotops 12C hat definitionsgemäß die Masse 12 u.
  • Ein Wasserstoffatom des Isotops 1H hat die Masse 1,007 825 0 u.
  • Ein Molekül des bekannten Wirkstoffes Acetylsalicylsäure (Aspirin) hat eine Masse von 180,16 u. Die molare Masse von Acetylsalicylsäure beträgt also 180,16 g/mol.
  • Ein Molekül des kleinen Peptidhormons Insulin hat eine Masse von 5808 u.
  • Ein Molekül des Proteins Aktin (eines der häufigsten Proteine in Eukaryoten) hat eine Masse von ungefähr 42 ku.

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b  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) (ptb.de (PDF; 1,4 MB)).
  2. aufgrund der EU-Richtlinie 80/181/EWG in den Staaten der EU bzw. dem Bundesgesetz über das Messwesen in der Schweiz.
  3. CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 7. August 2015 (englisch). Wert für u in der Einheit kg. Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes, diese Unsicherheit ist als geschätzte Standardabweichung des angegebenen Zahlenwertes vom tatsächlichen Wert angegeben.
  4. CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 7. August 2015 (englisch). Wert für u in der Einheit MeV/c2. Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes, diese Unsicherheit ist als geschätzte Standardabweichung des angegebenen Zahlenwertes vom tatsächlichen Wert angegeben.
  5. CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 7. August 2015 (englisch). Zusammenhang Kilogramm – u. Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes, diese Unsicherheit ist als geschätzte Standardabweichung des angegebenen Zahlenwertes vom tatsächlichen Wert angegeben.
  6. CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 7. August 2015 (englisch). Wert für die Avogadro-Konstante. Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes; diese Unsicherheit ist als geschätzte Standardabweichung des angegebenen Zahlenwertes vom tatsächlichen Wert angegeben.