原子質量（原子量）とは｜定義・単位（u）・質量数・同位体・相対原子質量の違い

原子質量（原子量）とは？u単位・質量数・同位体・相対原子質量の違いを図解でやさしく解説。炭素12基準や計算例で理解が深まる入門ガイド。

原子質量（記号：_ma）とは、ある化学元素の1個の原子が持つ質量のことです。原子質量には、原子を構成する3種類の素粒子（陽子、中性子、電子）の質量がすべて含まれます。ただし、電子の質量は陽子や中性子に比べて非常に小さいため、原子全体の質量に与える影響は小さいことが多い点に注意してください。

単位（u：統一原子質量単位）と換算

原子1個の質量はグラムやキログラムで表すこともできますが、その値は非常に小さいため日常的には扱いにくいです。そこで用いられるのが統一原子質量単位（単位記号：u）です。1 u は、基準として定められた炭素12原子1個の質量の1/12に相当します。1 u の値は 1.660 539 066 60(50)×10^-27 kg と定義されています（CODATA による値）。

なお、1 u はしばしば「ダルトン（Da）」とも呼ばれ、1 Da = 1 u と同じです。

質量数（A）と原子質量の違い

質量数（記号：A）は、原子核に含まれる陽子の数と中性子の数の合計を表す整数で、単位を持ちません。質量数は原子の「概数的な」質量を表す便利な値ですが、実際の原子質量（u 単位で表される）は質量数とは厳密には一致しません。これは主に以下の理由によります：

• 陽子・中性子の質量の合計と、原子核として結合したときの質量（核結合エネルギーに対応する質量欠損）が異なるため。
• 電子の質量や電子の結合エネルギーの寄与があるため（主に微小な補正）。

同位体と同位体質量

同じ元素でも中性子の数が異なる原子が存在し、これを同位体と呼びます（同位体）。同位体ごとに原子質量は異なり、その値を同位体質量といいます。例えば、塩素には一般に塩素-35と塩素-37という同位体があり、どちらも陽子数は17ですが、中性子数がそれぞれ18個（35−17）と20個（37−17）で異なります。塩素-35の質量は約35 u、塩素-37は約37 u（より正確にはそれぞれ約34.96885 u と 36.96590 u）です。

相対同位体質量と相対原子質量（Ar）の違い

相対同位体質量とは、ある同位体の質量を炭素12原子1個の質量の1/12と比較した無次元の比です。言い換えれば、同位体質量を u（統一原子質量単位）で表したとき、その数値は相対同位体質量と数値的に等しく、単位はありません。

相対原子質量（記号：_Ar）は、ある元素の試料に含まれる全ての同位体をその存在比で平均した、1個あたりの平均質量と炭素12の1/12との比（無次元）です。すなわち、相対原子質量は各同位体の相対同位体質量の量的重み付き平均として求められます。相対原子質量も単位を持ちません。

相対原子質量の計算（塩素の例）

例えば、ある塩素試料に塩素-35が75％、塩素-37が25％含まれているとすると、単純化した数値で計算すると：

Ar(Cl) = 0.75 × 35 + 0.25 × 37 = 35.5（単位なし）

より正確には、各同位体の相対同位体質量にその存在比（モル分率）を掛けて合計します。自然界の試料では同位体比は元素や産地によってわずかに異なるため、IUPAC は各元素について「標準原子量（標準的な相対原子質量）」を公表しています。

補足：質量欠損（結合エネルギー）と原子質量の精密性

個々の核子（陽子・中性子）を単純に足し合わせた質量と、実際の原子核の質量は一致しません。これは核子が結合することで放出される結合エネルギーに対応する質量欠損（E=mc²）が生じるためです。このため、実際の同位体質量は質量数と完全には一致せず、質量の微小な差が生じます。高精度が要求される場面では、この違いを含めた精密な同位体質量の値（原子質量データベース）を参照します。

まとめと実用上の注意点

• 原子質量：1個の原子が持つ実際の質量（u で表すことが多い）。
• 質量数（A）：陽子数＋中性子数の整数。原子質量の概数を示すが、厳密には一致しない。
• 同位体質量（相対同位体質量）：各同位体の質量を炭素12の1/12と比較した無次元の値（uで表した値と数値が一致）。
• 相対原子質量（Ar）：試料中の同位体存在比を考慮した平均質量の比（無次元）。

用途に応じて、どの「質量」を使うべきか（質量数、同位体質量、相対原子質量など）を区別して扱うことが重要です。

質問と回答

Q:原子質量とは何ですか?

Q:原子質量はどのように表されるのですか?

Q:炭素12原子の質量は何ですか?

Q:原子の元素は何で決まりますか?

Q:同位体とは何ですか?

Q:原子質量と質量数の違いは何ですか?

文字で検索