Почему у кислорода и гелия такие странные атомные массы?

Для определения относительной атомной массы элемента необходимо определить среднюю массу одного атома данного элемента, причём масса в данном случае выражается в атомных единицах массы (а. е. м.).

Сделать это не так просто.

1) Во-первых, следует учитывать тот факт, что массы протона и нейтрона больше 1 а. е. м.

Это ведь только в школе в 7-м классе учат, что массы протона и нейтрона равны между собой и равны одной атомной единице массы.

В действительности же: mp = 1,00728; mn = 1,00866 (в обоих случаях по шесть значащих цифр).

Кроме того, в атоме помимо протонов и нейтронов находятся ещё и электроны, которые также влияют на массу атома, хотя и незначительно.

2) Во-вторых, есть такая штука — дефект массы.

При образовании атомов путём слияния протонов и нейтронов выделяется огромное количество энергии.

Согласно Эйнштейну, энергия имеет массу.

В соответствии с уравнением E=mc^2 выделяющаяся энергия E уносит с собой часть массы m.

Получается, что масса атома меньше, чем суммарная масса исходных частиц: протонов, нейтронов и электронов.

Сильнее всего дефект массы проявляется для элементов с атомной массой, близкой к 50.

До этих элементов дефект массы с увеличением порядкового номера постепенно растёт, а после этих элементов — падает.

Проведём расчёты для гелия.

Суммарная масса всех протонов, нейтронов и электронов в атоме гелия-3 равна: 2mp + 1mn + 2me = 2*1,00728 + 1,00866 + 2*0,00055 = 3,0243.

Но из-за дефекта массы масса атома гелия-3 немного меньше — она равна 3,016029.

Для гелия-4 суммарная масса протонов, нейтронов и электронов равна: 2mp + 2mn + 2me = 2*1,00728 + 2*1,00866 + 2*0,00055 = 4,0330.

Однако с учётом дефекта массы реальная атомная масса гелия-4 равна 4,002603.

Поскольку гелия-3 в природе всего лишь 0,000137%, а гелия-4 соответственно 99,999863%, то средняя атомная масса гелия равна 3,016029*0,000137:100 + 4,002603*99,999863:100 = 4,002602.

Аналогичные расчёты можно провести и для кислорода и всех остальных элементов.