Atom sesuatu unsur mempunyai bilangan proton yang sama, tetapi bilangan neutronnya boleh berbeza. Variasi ini menghasilkan isotop. Apabila sampel mengandungi lebih daripada satu isotop, jisim atom relatif unsur bergantung pada jisim setiap isotop dan bahagiannya dalam sampel, bukannya pada satu atom purata yang benar-benar wujud.
Unsur ditentukan oleh proton, bukan neutron
Karbon mempunyai nombor atom 6, jadi setiap atom karbon mempunyai enam proton dalam nukleusnya. Namun nukleus karbon tidak semestinya mempunyai bilangan neutron yang sama. Karbon-12 mempunyai enam proton dan enam neutron, manakala karbon-13 mempunyai enam proton dan tujuh neutron. Kedua-duanya masih karbon kerana nombor atomnya sama. International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) mentakrifkan isotop sebagai nuklid yang mempunyai nombor atom sama tetapi nombor jisim berbeza.
Dalam notasi isotop seperti ¹²₆C dan ¹³₆C, nombor bawah (6) ialah nombor atom, iaitu bilangan proton, dan nombor atas (12 atau 13) ialah nombor jisim, iaitu jumlah proton dan neutron dalam nukleus. Hubungannya ialah A = Z + N, dengan A nombor jisim, Z nombor atom dan N bilangan neutron.
Nombor jisim bukan jisim atom
Karbon-13 mempunyai nombor jisim tepat 13 kerana nukleusnya mengandungi 13 nukleon, iaitu enam proton dan tujuh neutron. Tetapi jisim relatif isotop karbon-13 bukan tepat 13. Data National Institute of Standards and Technology (NIST) memberikan nilai kira-kira 13.00335. Ini kerana proton dan neutron sendiri tidak masing-masing mempunyai jisim tepat 1 unit, dan apabila nukleus terbentuk, tenaga ikatan nuklear berkait dengan perubahan jisim sistem. Jadi nombor jisim ialah kiraan nukleon, manakala jisim isotop ialah kuantiti jisim yang diukur. Kedua-duanya tidak boleh disamakan.
Dari mana datangnya nombor perpuluhan?
Klorin semula jadi yang lazim mengandungi terutamanya dua isotop stabil, klorin-35 dan klorin-37. Data NIST memberikan kelimpahan isotop wakilan kira-kira 0.7576 bagi klorin-35 dan 0.2424 bagi klorin-37, dengan jisim relatif isotop masing-masing kira-kira 34.96885 dan 36.96590. Secara konsep, hasilnya ialah purata berwajaran: (34.96885 × 0.7576) + (36.96590 × 0.2424), iaitu sekitar 35.45. Ini tidak bermaksud terdapat atom klorin individu yang mempunyai 35.45 nukleon. Bayangkan satu kumpulan atom klorin: kebanyakannya klorin-35 dan sebahagian lebih kecil klorin-37, jadi nilai purata bagi keseluruhan populasi terletak di antara jisim kedua-dua isotop.
Purata perlu berwajaran kerana klorin-35 jauh lebih banyak daripada klorin-37 dalam bahan daratan biasa, jadi isotop yang lebih banyak mesti memberi sumbangan lebih besar. Secara umum, jisim atom relatif unsur ialah hasil tambah bagi setiap isotop: pecahan isotop itu didarab dengan jisim relatifnya. Sebagai contoh mudah dengan nombor rekaan, jika suatu unsur mempunyai isotop berjisim relatif 10 dan 11 dengan kelimpahan 20% dan 80%, purata berwajarannya ialah (10 × 0.20) + (11 × 0.80) = 10.8. Nilai 10.8 tidak memerlukan kewujudan atom individu berjisim tepat 10.8.
Adakah setiap sampel unsur mempunyai jisim atom relatif yang sama?
Tidak semestinya. Kelimpahan isotop sesetengah unsur boleh berubah mengikut sumber bahan. NIST menyatakan bahawa jisim atom relatif sesuatu unsur bergantung pada asal dan rawatan bahan, dan bagi beberapa unsur variasi semula jadi cukup besar sehingga nilai piawainya diberikan sebagai julat. Contohnya, data IUPAC menyenaraikan berat atom piawai klorin sebagai julat 35.446 hingga 35.457 dan karbon sebagai julat 12.0096 hingga 12.0116. Maka nombor tunggal seperti 35.45 yang biasa digunakan dalam pengiraan sekolah ialah nilai ringkas yang sangat berguna, tetapi tidak bermaksud setiap sampel klorin di Bumi mempunyai komposisi isotop yang tepat sama.
Mengapa karbon-12 begitu penting?
Skala jisim atom memerlukan rujukan. Jisim atom relatif isotop ditakrifkan pada skala yang menetapkan jisim relatif atom karbon-12 neutral dalam keadaan asas sebagai tepat 12. Oleh sebab ia suatu nisbah, jisim atom relatif tidak mempunyai unit. Ini berbeza daripada jisim atom yang dinyatakan dalam dalton, walaupun nilai berangkanya berkait rapat.
Perkataan isotop sering dikaitkan dengan radioaktiviti, tetapi itu tidak tepat. Karbon-12 dan karbon-13 ialah isotop stabil, manakala karbon-14 radioaktif. Hidrogen-1 dan hidrogen-2 (deuterium) stabil, manakala hidrogen-3 (tritium) radioaktif. Isotop menerangkan hubungan nombor atom dan nombor jisim, manakala radioaktif menerangkan kestabilan nuklear. Kedua-dua konsep berkaitan dengan nukleus tetapi bukan sinonim.
Bagaimana kita mengetahui hal ini?
Mengapakah nilai jisim atom relatif klorin sekitar 35.45 tidak bermaksud sebuah atom klorin mempunyai 35.45 nukleon?