Atomy – oraz protony, neutrony i elektrony, z których się składają – są niezwykle małe. Na przykład atom węgla waży mniej niż 2 × 10⁻²³ g. Opisując właściwości maleńkich obiektów, takich jak atomy, posługujemy się odpowiednio małymi jednostkami miary, takimi jak jednostka masy atomowej (amu). amu został pierwotnie zdefiniowany w oparciu o wodór, najlżejszy pierwiastek, a później w kategoriach tlenu. Od 1961 roku określa się go w odniesieniu do najobficiej występującego izotopu węgla, którego atomom przypisano masy dokładnie 12 amu. Zatem jedno amu to dokładnie ¹/₁₂ masy jednego atomu węgla-12: 1 amu = 1,6605 × 10⁻²⁴ g. Dalton (Da) i zunifikowana jednostka masy atomowej (u) są alternatywnymi jednostkami, które są równoważne amu.

Ponieważ każdy proton i każdy neutron wnosi w przybliżeniu jedno amu do masy atomu, a każdy elektron wnosi znacznie mniejszy wkład, masa atomowa pojedynczego atomu jest w przybliżeniu równa jego liczbie masowej (sumie liczb całkowitych protonów i neutronów w atomie). Na przykład liczba masowa pojedynczego atomu azotu wynosi 14 (7 protonów + 7 neutronów). Jednak średnie masy atomów większości pierwiastków nie są liczbami całkowitymi, ponieważ większość pierwiastków występuje naturalnie jako mieszaniny dwóch lub więcej izotopów. Izotopy to atomy tego samego pierwiastka o tej samej liczbie protonów, ale różnej liczbie neutronów. Masa pierwiastka pokazana w układzie okresowym pierwiastków lub wymieniona w tabeli mas atomowych to średnia ważona masa wszystkich izotopów obecnych w naturalnie występującej próbce tego pierwiastka. Średnia masa jest równa sumie masy każdego pojedynczego izotopu pomnożonej przez jego ułamkową obfitość.

Na przykład pierwiastek chlor (liczba atomowa 17) składa się z dwóch izotopów: ³⁵Cl i chloru ³⁷Cl. Około 75,78% wszystkich atomów chloru to ³⁵Cl o masie 34,969 amu, a pozostałe 24,22% to ³⁷Cl o masie 36,966 amu. Oblicza się, że średnia masa atomowa chloru wynosi:

Ważne jest, aby zrozumieć, że żaden pojedynczy atom chloru nie waży dokładnie 35,45 amu; Wartość ta jest średnią masą wszystkich atomów chloru, a poszczególne atomy chloru ważą około 35 amu lub 37 amu. Ponadto, ponieważ naturalnie występujący chlor zawiera więcej atomów ³⁵Cl niż ³⁷atomów Cl, średnia ważona masa chloru jest bliższa 35 amu niż 37 amu.

Występowanie i naturalną obfitość izotopów można określić doświadczalnie za pomocą przyrządu zwanego spektrometrem masowym. Spektrometria mas (MS) jest szeroko stosowana w chemii, kryminalistyce, medycynie, naukach o środowisku i wielu innych dziedzinach do analizy i identyfikacji substancji w próbce materiału. W typowym spektrometrze masowym próbka jest odparowywana i wystawiana na działanie wiązki elektronów o wysokiej energii, która powoduje, że atomy lub cząsteczki próbki stają się naładowane elektrycznie, zwykle poprzez utratę jednego lub więcej elektronów. Kationy te przechodzą następnie przez zmienne pole magnetyczne, które odchyla ścieżkę każdego kationu w stopniu zależnym zarówno od jego masy, jak i ładunku. Na koniec jony są wykrywane i tworzony jest wykres względnej liczby generowanych jonów w stosunku do ich stosunku masy do ładunku, widmo masowe. Wysokość każdej pionowej cechy lub piku w widmie masowym jest proporcjonalna do frakcji kationów o określonym stosunku masy do ładunku. Od czasu pierwszego zastosowania podczas rozwoju nowoczesnej teorii atomowej, MS ewoluował, aby stać się potężnym narzędziem do analizy chemicznej w szerokim zakresie zastosowań.

Tekst zaczerpnięty z Openstax Chemistry 2e, Sekcja 2.3: Struktura atomowa i symbolika.