下列原子，何者的精確質量（ exact mass ）與其整數質量（ nominal mass ）相差最多？

本題觀念：

本題主要測驗 質譜分析 (Mass Spectrometry) 中的基礎概念，特別是 精確質量 (Exact Mass) 與 整數質量 (Nominal Mass) 的定義及其差異 (即 Mass Defect, 質量虧損/質量差)。

1. 整數質量 (Nominal Mass)：是指原子或分子中，組成元素之「質量數 (Mass Number)」的總和。例如：$^{1}$H 為 1，$^{12}$C 為 12。
2. 精確質量 (Exact Mass)：是指該同位素的實際測量質量，通常精確到小數點後多位。
3. 質量標準：現代化學與質譜學以 碳-12 ($^{12}$C) 作為標準，定義其質量為整數 12.00000。因此，其他原子的質量是相對於 $^{12}$C 測得的相對值。

選項分析

我們將各選項的精確質量與整數質量進行比較：

• A. $^{1}$H (氫-1)

  • 整數質量：1
  • 精確質量：約 1.00783 u
  • 差異 (絕對值)：$|1.00783 - 1| = \mathbf{0.00783}$
  • 分析：氫原子由1個質子和1個電子組成（無中子）。由於質子 (1.0073 u) 和電子 (0.0005 u) 的質量和未受到核結合能顯著減少（因為它是單質子核），其質量明顯大於整數 1。這是常見元素中質量差異（Mass Excess）最大的之一。

• B. $^{12}$C (碳-12)

  • 整數質量：12
  • 精確質量：12.00000 u (定義值)
  • 差異 (絕對值)：$|12.00000 - 12| = \mathbf{0}$
  • 分析：因為原子質量單位 (amu 或 Da) 就是定義為 $^{12}$C 質量的 1/12，所以 $^{12}$C 的精確質量與整數質量完全相等，差異為零。

• C. $^{19}$F (氟-19)

  • 整數質量：19
  • 精確質量：約 18.99840 u
  • 差異 (絕對值)：$|18.99840 - 19| = \mathbf{0.00160}$
  • 分析：氟-19 的質量略小於整數 19（質量虧損為負值），其差異約為 0.0016，遠小於氫的 0.0078。

• D. $^{15}$N (氮-15)

  • 整數質量：15
  • 精確質量：約 15.00011 u
  • 差異 (絕對值)：$|15.00011 - 15| = \mathbf{0.00011}$
  • 分析：氮-15 的精確質量非常接近整數 15，差異極小。

答案解析

題目詢問「相差最多」者。比較上述數值：

• $^{1}$H：~ 0.0078
• $^{19}$F：~ 0.0016
• $^{15}$N：~ 0.0001
• $^{12}$C：0

顯然，$^{1}$H (氫-1) 的精確質量與其整數質量的差異最大。這也是為什麼在高解析度質譜中，富含氫的分子（如飽和碳氫化合物）其精確質量通常會顯著高於其整數質量（Mass Excess 為正且大）。

故正確答案為 (A) $^{1}$H。

核心知識點

1. 質譜質量定義：
   • Nominal Mass = 質量數總和 (整數)。
   • Exact Mass = 特定同位素的計算質量 (小數)。
   • Mass Defect (質量虧損/差) = Exact Mass - Nominal Mass。
2. 肯德里克質量 (Kendrick Mass)：雖本題未考，但相關概念常與此連結。為了修正氫造成的質量差，有時會改用 CH$_2$ = 14.0000 作為標準。
3. 判斷直覺：
   • $^{12}$C 永遠為 0 (基準)。
   • $^{1}$H 是造成有機分子精確質量「大於」整數質量的主因 (+7.8 mDa/原子)。
   • 多數重原子 (如 O, S, P, 鹵素) 的精確質量通常「小於」整數質量 (負的 Mass Defect)，或差異較小。

參考資料

1. NIST Atomic Weights and Isotopic Compositions: $^{1}$H (1.0078), $^{12}$C (12.0000), $^{19}$F (18.9984), $^{15}$N (15.0001).
2. Mass Spectrometry Principles: Definitions of Exact Mass vs. Nominal Mass based on the Carbon-12 scale.