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. 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.

Die atomare Masseneinheit ist zum Gebrauch mit dem Internationalen Einheitensystem (SI) zugelassen[1] und eine gesetzliche Maßeinheit.[2]

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. In der deutschen Übersetzung der Broschüre des Internationalen Büros für Maß und Gewicht werden das Dalton und die (vereinheitlichte) atomare Masseneinheit synonym genannt.[3] 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.

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

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

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

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.

Beziehung zur molaren Masse[Bearbeiten]

Es gilt

1\;\mathrm{u}\;\cdot\;N_A = 1\;\mathrm \frac{g}{mol}[7]

mit der Avogadro-Konstante N_A=6{,}022\;140\;857\;(74) \cdot 10^{23}\;\mathrm\frac{1}{mol}. Daher hat ein Mol Teilchen mit der Masse in u den gleichen Zahlenwert für die molare Masse in \mathrm\frac{g}{mol}. Dies führt gelegentlich dazu, dass Molekülmasse und molare Masse synonym verwendet werden.

Beispiele[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 und somit eine molare Masse von 180,16 g/mol.
  • 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 ku.

Die Einheit Dalton wird auch in der Membranfiltration verwendet. Sie ist hier ein Maß für die Rückhaltefähigkeit einer Membran, typischerweise für 90 % oder 95 % Rückhaltung im Fließgleichgewicht. Einen Vergleich zwischen der nominellen Auschlussgröße in Dalton und Porengröße ergibt folgende Anhaltswerte für bestimmte Filtrationsverfahren, die allerdings die Porengrößenverteilung nicht enthalten:

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.

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. aufgrund der EU-Richtlinie 80/181/EWG in den Staaten der EU bzw. dem Bundesgesetz über das Messwesen in der Schweiz.
  3.  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)).
  4. Vorlage:Internetquelle/Wartung/Zugriffsdatum nicht im ISO-FormatCODATA 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.
  5. Vorlage:Internetquelle/Wartung/Zugriffsdatum nicht im ISO-FormatCODATA 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.
  6. Vorlage:Internetquelle/Wartung/Zugriffsdatum nicht im ISO-FormatCODATA 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.
  7. Vorlage:Internetquelle/Wartung/Zugriffsdatum nicht im ISO-FormatCODATA 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.