原子量に単位を付けない理由とは？

質問

• 原子量では相対質量という考え方を採っており、単位は不要とされています。
• ただし、他の物理量では単位が付けられていることが多いため疑問が生じます。
• 原子量には以前には単位が付けられていた時期もありましたが、現在は付けられていません。

回答No.6

101325

> 私の疑問は、なぜ原子量や分子量だけを特別扱いして、単位を付けないのか、という点です。

私も以前から疑問に思っていることなのですけど、納得できる説明はいまだ見たことがないです。

初学者に対しては、「歴史的な理由により単位をつけない」という説明で十分だと思います。（原子量が質量であるとするなら）現代的な視点からは単位を付けるのが当然なんですけど、「単位？なにそれ？おいしいの？」という時代から２００年の間ずっと原子量には単位がなくて、皆がそれに慣れているから今も付けていないだけ、というのが、少しレベルの低い回答になります。

以下は、少しレベルの高い回答になります。少しレベルが高いので、物質量が何かを知らない人向けの説明には使えないと思います。

> 原子量などは、明らかに質量なのですから、それ相当の単位をつけるべきである、と私は考えます。

IUPACの定義によれば
http://dx.doi.org/10.1351/goldbook.R05258
原子の質量を統一原子質量単位 u で割ったものが原子量です。ですので、この定義に従えば、原子量は「明らかに質量」といえるでしょう。となると問題は、なぜわざわざ u で割るのか？ということだと思います。

わたしの考えでは、わざわざ u で割るのは「化学者の多くは原子量を質量だとは考えていないから」です。

原子の質量を u で割ったものは、その原子のモル当たりのグラム数、になります(モル当たりの質量ではないことに注意)。原子量に g/mol を掛けたものが、単位物質量当たりの質量、すなわちモル質量になります。単位体積当たりの質量のことを密度といいますけど、これは[質量/体積]の次元を持つ、質量とは異なる量になります。まったく同じ理屈で、モル質量は[質量/物質量]の次元を持つ、質量とは異なる量になります。IUPACの定義によれば「原子量は原子の質量を u で割ったもの」なのですけど、多くの化学の現場では「原子量(や分子量や式量)はモル質量を g/mol で割ったもの」なので、「化学者の多くは原子量を質量だとは考えていない」ということになります。

> 以前には、「原子質量単位」という名の単位を付けていたこともあったように思います。

記憶違いだと思います。ウィキペディアで確認されたと思いますが、Daもamuもuも原子量の単位ではありません。

> なぜ、そのようにしないのかについて、納得できる説明があれば、よろしくお願いします。

原子量は質量であってそれ以外の何者でもない、と考えるなら、わざわざ u で割る意味が分かりません。原子量をモル質量としても使いたいから、u で割ることで、原子量を質量でもモル質量でもない単なる数にしているんじゃないかなあ、というのが私の考えです。つまり原子量に
　(原子の質量)＝(原子量)×u
　(原子のモル質量)＝(原子量)×g/mol
という二つの意味を持たせたいがために、ちょっと変則的な定義になっているのではないかと。

> 銅の原子量を　63.546(3) g・mol-1　と表記するのは、原子量の現在の定義からして正しくないと思います。

はい。もちろん正しくないです。「原子量(や分子量や式量)はモル質量を g/mol で割ったもの」だからといって、
　(原子のモル質量)＝(原子量)
として良いということではないです。銅の原子量を 63.546(3) u と表記するのが、原子量の現在の定義からして正しくないのと同じです。ただ、初学者の人にあまりこういうことをうるさくいうと、化学が嫌いになってしまう恐れがありますので、気をつけてください。

> 原子量という言葉の定義を、「原子１個の質量を統一原子質量単位を単位に用いて表したもの」、とすれば、もっとこの部分の内容が分かりやすく説明できると思うのです。

質問者さんは初学者の人ではないと思うので、うるさいことをいいますが
「原子１個の質量を統一原子質量単位を単位に用いて表したもの」ではなくて
「原子１個の質量と統一原子質量単位の比」か
「原子１個の質量を統一原子質量単位で割ったもの」か
「原子１個の質量を統一原子質量単位を単位に用いて表したときの数字(または数値)の部分」ですね。

最後に、くどいようですが、原子量には「モル質量を g/mol で割ったもの」という隠れた意味がある、というのは、あくまでも私の個人的な考えです。IUPACの公式文書に基づいた説明ではありません。こういう考え方もある、という程度に受け取っていただければと思います。

お礼

親切なご回答をいただき、ありがとうございました。あなたの記述を読ませていただき、いろいろ配慮・気遣いをしていただいていることを知り、恐縮に思います。

《以前には、「原子質量単位」という名の単位を付けていたこともあったように思います。》は、ご指摘の通り、言い間違いでした。
私が高校の時に原子質量単位（ｕ）という言葉が物理の授業で出てきていた、ということでした。私が高校で使った物理教科書（１９６９年発行、東京書籍）を改めて調べたら、次の記述を見つけました。
「原子や分子の質量はふつう原子質量単位（記号ｕ）で表す。１ｕ＝１．６６０×１０＾（－２４）ｇ。原子質量単位で測った原子の質量を表す数値を原子量、分子の質量を表す数値を分子量という。」

現行の高校物理教科書(東京書籍)にも同じ記述があります。
「原子の質量は。質量数が１２である炭素原子１個の質量の１／１２を基準単位として測ることがある。これを原子質量単位と呼ぶ。記号はｕであり、１ｕ＝１．６６０×１０＾（－２７）ｋｇ　である。原子の質量と原子質量単位（１ｕ）の比で定義される量を原子量という。また、アボガドロ定数は１モルの原子の総数に等しいので、１モルの原子の質量は、グラム単位で表した原子量の数値に等しい。」　　　

この説明には相対質量と言う考え方は後半でちらっと出てくるだけです。
私はこの説明は大変自然で分かりやすいと思います。

しかし、高校化学の授業では「原子質量単位ｕ」という言葉は一切出てこなかったし、現在の高校化学の教科書にも出てこないようです。化学専門の高校の先生に尋ねてみましたが、何人かの先生は原子質量単位というものをご存じなく、化学の授業でそれを教えたことがないと、口をそろえておっしゃいます。

「統一原子質量単位ｕ」は物理では当たり前のように出てくるのに、化学では出てこない、ということから、私はかつてのアトミスティークとエネルゲティークとの対立を思い出しました。１９世紀末にはまだ原子の姿を写真で見せることは出来ませんでした。エネルゲティーク派は原子を架空の概念として化学現象の説明に使うことに反対しました。アトミスティーク派は積極的に原子の振舞として物質現象を説明する理論を発展させたのでした。

化学者が統一原子質量単位を軽んじるのは、キログラム原器は現に存在しているが、統一原子質量単位原器は作れていない、ということにこだわっているのではないか、とも想像したりします。確かに統一原子質量単位は概念上のものでしかないと思います。しかし、統一原子質量単位は、物理学者にとっては十分確実な概念なので、それを元にして理論を構成するのに対して、化学者は現象として知覚できないものには信用を置かない傾向があるのでしょうか。
それとも物理では原子１個の振る舞いもまともに問題とするのに対して、化学では主に多数の原子たちの振る舞いを扱う、ということにもその根があるのでしょうか。

私は高校の理科教師として物理も化学も教えます。なので、同じ内容を物理的に展開したり、化学的に展開したり、の使い分けは無用な気遣いに思え、ここで話題にした次第です。

補足

＞　「原子量には、モル質量を g/mol で割ったもの、という隠れた意味がある。」

あなたの上の考えの説明は興味深く読ませていただきましたが、曖昧な説明であるとの印象を否めません。しかし、私たちが化学操作で扱う対象はほとんどがモルのオーダーの量の物質であり、私たちがその操作から確認できる関係も、モルのオーダーの諸物質の関係である、ということと、理論的にその化学反応を考える時、まず原子の世界で何が起こっているのか、を考えて、その原子の世界で起こっていることと私たちが直接知覚するモルのオーダーの諸物質の関係とを結びつける所に本質的な問題があるのではないか。ということは私も思います。